打开文本图片集

摘要：针对基于视频监控/识别的井下机车无人驾驶系统中机车动态无线接入传输网络的问题，提出一种串行干扰消除（SIC）区域划分策略。首先，建立基站通信覆盖范围内的非线性区域划分模型；其次，根据理论推导可得区段划分数与基站通信覆盖范围的关系，机车位置与发射功率的关系；最后给出SIC区域划分策略。仿真实验结果表明：SIC区域划分策略使得一个基站可以同时接入3辆机车，机车总通过时间和基站覆盖范围利用率的整体优化效果提高50%以上。

关键词：基站；机车；无线接入；串行干扰消除；区域划分

中图分类号：TN925.93 文献标志码：A

0引言

目前我国矿井运输主要以人工驾驶为主，工作条件恶劣，煤矿事故频发[1-3]，所以为了使煤矿的安全形势能根本性好转，减少矿井运输事故造成的重大损失、提高矿井生产效率，实现矿井机车无人驾驶是解决此类问题的根本措施[4]。

在矿井机车无人驾驶系统中提高井下安全可靠性的前提是井下机车信息的实时获取和处理，所以在百兆以上带宽的无线移动通信基础上，机车的动态接入和井下视频的实时传输是技术的关键[5]。

传统井下无线通信采用的预留带宽[6]方式效率较低且无法精确控制，导致基站（Access Point， AP）资源浪费，机车调度时间间隔长，运输效率低。由于井下AP成本很高，布点困难，属稀缺资源，所以AP的合理排布和对机车接入的合理调配是提高井下运输效率和稀缺网络资源利用率的重要手段。

公网通信基站的数据传输方向以下行为主，即基站向用户发送信息[7]。而井下机车无人驾驶系统中，数据的传输方向则以上行为主，即机车实时向基站上传车载摄像头获取的井下视频信息和机车状态信息[8]。

当单AP与多机车同时通信时，AP端收到的相互重叠的信号必会产生信息冲突，如果按照传统的通信协议，如Aloha、IEEE 802.11、载波监听多路访问（Carrier Sense Multiple Access， CSMA）[9-10]等，采用冲突重传机制，将会制约数据的传输效率，也无法满足井下无人驾驶系统的通信速率要求。而干扰管理（Interference Management， IM）[11]正是通过一些技术手段对无线通信中的干扰进行有效管理，使得这些信息不会互相干扰，从而实现多包接收（MultiPacket Rception，MPR）[12]，极大地提高信道利用率和传输速率。IM中的串行干扰消除（Successive Interference Cancellation， SIC）算法[13-14]采用串行的方式对接收信号选择性接收，它会首先根据接收功率的强弱对接收信号进行排序，然后对它们依次解码并接收，只要满足基本的香农公式约束，这个过程会一直进行下去[15]。SIC算法实现较简单，复杂度低，因此受到了广泛的关注。本文主要根据SIC算法进行讨论。

现有的干扰管理技术较少考虑井下机车根据调度策略在井下不断移动的情况，目前还没有应用干扰管理技术的矿井用无线通信模型。所以本文将机车调度、井下无线通信与干扰管理三者相结合，通过对基站通信区域的合理划分，机车发车时间的合理安排，结合SIC算法，设计了区域划分模型，提出了SIC区域划分策略，从而实现单AP接入多机车，提高网络容量、通信速率和井下运输效率。

4结语

本文主要根据SIC算法，建立了井下基于干扰管理技术的移动通信模型，设计了SIC区域划分算法，通过仿真所得结果，该算法执行后，优化结果较传统方法的提高率可达50%以上。但是，通过本文可知AP的覆盖范围并未充分利用，两AP之间有交叉范围。如何充分利用重叠区，加速AP切换过程，减少延时，也将是本文下一步的研究方向。

参考文献：

[1]

徐青云， 赵耀江， 李永明.我国煤矿事故统计分析及今后预防措施[J]. 煤炭工程， 2015， 47（3）： 80-82.（XU Q Y， ZHAO Y J， LI Y M. Statistical analysis and precautions of coal mine accidents in China[J]. Coal Engineering， 2015， 47（3）：80-82.）

[2]

孙继平.煤矿监控新技术与新装备[J]. 工矿自动化， 2015， 41（1）： 1-5.（SUN J P. New technologies and new equipments of coal mine monitoring[J]. Industry and Mine Automation， 2015， 41（1）： 1-5.）

[3]

孙继平. 煤矿事故分析与煤矿大数据和物联网[J]. 工矿自动化， 2015， 41（3）： 1-5.（SUN J P. Accident analysis and big data and Internet of things in coal mine[J]. Industry and Mine Automation， 2015， 41（3）：1-5.）

[4]

张毅力， 汪令辉， 黄寿元. 地下矿无人驾驶电机车运输关键技术方案研究[J]. 金属矿山， 2013， 5（033）：117-120.（ZHANG Y L， WANG L H， HUANG S Y. Research on the key technical scheme on transportation for unmanned underground mine electrical locomotive[J]. Metal Mine， 2013， 5（33）：117-120.）

[5]

DOHARE Y S， MAITY T， DAS P， et al. Wireless communication and environment monitoring in underground coal minesreview [J]. IETE Technical Review， 2015， 32（2）： 140-150.

[6]

ZUO L， ZHU M M， WU C Q. Fast and efficient bandwidth reservation algorithms for dynamic network provisioning [J]. Journal of Network and Systems Management， 2015， 23（3）：420-444.

[7]

潘军. 分层无线网络中的切换和接纳控制研究[D]. 合肥： 中国科学技术大学， 2013：1-43.（PAN J. Research on the handover and admission control in hierarchical wireless networks[D]. Hefei： University of Science and Technology of China， 2013：1-43.）

[8]

韩江洪， 汪鹏， 魏振春， 等. 基于位置的井下移动通信网络无缝切换机制[J]. 电子测量与仪器学报， 2014， 28（10）： 1092-1099.（HAN J H， WANG P， WEI Z C， et al. Seamless handoff mechanism of underground mine mobile communication networks based on location[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation， 2014， 28（10）： 1092-1099.）

[9]

CHOI W S， LEE Y， CHOI S G. Energyefficient L2 transmission scheme in IEEE 802.11 WLAN [J]. IEEE Communications Letters， 2015， 19（3）： 455-458.

[10]

WONG W S. Transmission sequence design and allocation for widearea Ad Hoc networks [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2014， 63（2）： 869-878.

[11]

AHUJA K， XIAO Y， van der SCHAAR M. Distributed interference management policies for heterogeneous small cell networks [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2015， 33（6）：1112-1126.

[12]

MIRREZAEI S M， DOSARANIANMOGHADAM M， YAZDANPANAHEI M. Effect of network coding and multipacket reception on pointtomultipoint broadcast networks [J]. Wireless Personal Communications， 2014， 79（3）： 1859-1891.

[13]

ZHANG X C， HAENGGI M. The performance of successive interference cancellation in random wireless networks [J]. IEEE Transactions on Information Theory， 2014， 60（10）： 6368-6388.

[14]

SUBAID M R， HASAN M R， AHMED S Z， et al. Performance of successive interference cancellation technique in IEEE 802.11 based WLANs[C]// ICIEV 2013： Proceedings of the 2th International Conference on Informatics， Electronics & Vision. Piscataway， NJ： IEEE， 2013：867-872.

[15]

石雷. 多包接收无线网络的跨层优化研究和算法设计[D]. 合肥： 合肥工业大学， 2012：1-44.（SHI L. Research on crosslayer optimization for wireless network with multipacket reception[D]. Hefei： Hefei University of Technology， 2012：1-44.）

Background

This work is supported by International Science & Technology Cooperation Program of China （2014DFB10060）.

WEI Zhen， born in 1965， Ph. D.， professor. His research interests include moving targets monitoring and control in underground mine， railway intelligent transportation scheduling and managementcontrol integration， system reliability modeling and analysis， embedded control， distributed control.

ZHANG Xiaoxu， born in 1991， M. S. Her research interests include distributed control.

LU Yang， born in 1967， Ph. D.， professor. His research interests include distributed control， sensor network， reliability engineering.

WEI Xing， born in 1980， Ph. D.， associate professor. His research interests include industrial Internet of things， discrete event dynamic system.