矿山动态协同作业场景无线通信关键技术.pdf
第4 6 卷第l 期 2 0 2 1 年1 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 .4 6N o .1 J a n .2 0 2 1 矿山动态协同作业场景无线通信关键技术 孙彦景1 ’2 ,霍羽2 ⋯,陈岩1 ’2 ,王博文1 ’2 ,周家思1 ’2 ,张晓光1 ’2 1 .徐州市智能安全与应急协同工程研究中心,江苏徐州2 2 1 0 0 8 ;2 .中国矿业大学信息与控制工程学院,江苏徐州2 2 1 0 0 8 ;3 .中国矿业大学 矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室,江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要随着智能化装备和工业机器人技术的发展,矿山开采过程逐渐趋向无入/少人化,亟需解决 数据的高效连续传输问题,如矿山动态协同作业场景下大量的数据采集和传输、多样的用户设备接 入以及低时延的控制操作等。深入剖析了矿山动态协同作业场景的通信技术需求、矿山无线通信 技术的应用现状与发展趋势,分析了当前矿山无线通信的关键技术瓶颈、相关解决方案及其应用效 果。得出分布式多源、多目标动态业务的激增及其并发式的传输是矿山高可靠、低时延多业务交互 协同网络所面临的最大问题。如何利用矿山用户、设备群体的协同作业特点和对应的动态业务属 ,} 生,有针对,} 生地对通信网络的物理信道、物理资源进行管理和分配,则是从根本上有效优化网络可 靠性,提高传输效率的关键。为此,提出了多业务属性驱动的矿山动态协同作业场景无线通信模 式在提取矿山非高斯脉冲干扰特征及无线信道空一时一频域统计特性的基础上,面向作业场景深 入挖掘业务特性与物理层传输的内在关联,利用超图匹配、图论、博弈论、非正交多址接入等方法, 从信道一链路一业务快速多维匹配的角度解决多用户协同交互传输通信链路和信道的匹配、多跳用 户链路匹配、多业务Q o S 要求与链路匹配等快速匹配问题。 关键词井下通信;协同作业;业务属性;超图匹配;资源分配 中图分类号T D 6 5 5 .3文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 1 - 0 3 2 1 1 2 K e yt e c h n o l o g yo fs e r 订c ea t t r i b u t ed r i V e nw i r e l e s sc o m m u I l i c a t i o nf o r d y n a I I l i cc o o p e r a t i V eo p e r a t i o I l si nm i l l i n gs c e n a r i o s S U NY a n j i n 9 1 一,H U OY u 2 ⋯,C H E NY a n l ”,W A N GB o w e n l ”,Z H O UJ i a s i l ⋯,Z H A N GX i a o g u a n 9 1 ’2 1 .m 础o “魄i 珊酬增胍∞枷&n £e r 矿m 钯以咖凡£删淞打ys 咖炒。,毫dE 胱学,叫c o 口0 6 0 旭£i o 凡,x m o u 2 2l 0 0 8 ,铂i 阳;2 .| s 如o o zo ,聊备册口砌nn 以 c o n t r o z 玩i n e e r i 凡g ,吼i 肌‰i ”e 雎渺矿州n i n gn 蒯‰ 加f q ∥,x 啦 o “2 2 1 0 0 8 ,c i ∞;3 .,o r n r c 倒i o n 胧聊胁e n n 曲&n £e r ,傩i n n ‰托梆;£y 矿胁n i 凡gn 以死如∞研,x %J l o “2 2 1 0 0 8 ,吼汛口 A b s t r a c t W i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e U i g e n te q u i p m e n ta n di n d u s t r i a lr o b o tt e c h n o l o g y ,t h em i n i n gp r o c e s sh a sg r a d u a l l yt e n d e dt ob eu n m a n n e do rl e s sm a n n e d .I nt h ed y n a m i cc o o p e r a t i v eo p e r a t i o nf o rm i n i n gs c e n a r i o s ,i ti su r g e n tt o s o l V et h el a r g e s c a l ed a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n ,d i V e r s ee q u i p m e n ta c c e s s ,l o w l a t e n c yc o n t r o lo p e r a t i o n s ,a sw e U a so t h e re 伍c i e n ta n dc o n t i n u o u sd a t at r a n s m i s s i o na n dp m c e s sp r o b l e m s .I nt h i sp a p e r ,t h ec o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t sf .o rad y n a m i cc o o p e r a t i v eo p e r a t i o ni nm i n i n gs c e n a d o s ,a n dt h ea p p l i c a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n tt I e n do fw i r e - l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e si nm i n e sa r ea n a l y z e d .T h ek e yt e c h n i c a lb o t t l e n e c k s ,t h eI ℃l a t e ds o l u t i o n sa n dt h ea p - 收稿日期2 0 2 0 一0 5 一1 6修回日期2 0 2 0 0 7 2 4责任编辑郭晓炜D o I 1 0 .1 3 2 2 5 /j .c nk i .j c c s .2 0 2 0 .0 8 5 0 基金项目中国矿业大学“工业物联网与应急协同”创新团队资助项目 2 0 2 0 z Y 0 0 2 ;国家自然科学基金青年基金资 助项目 6 1 9 0 1 4 7 5 作者简介孙彦景 1 9 7 7 一 ,男,山东滕州人,教授,博士生导师。T e l 0 5 1 6 8 3 5 9 0 8 1 9 ,E m a i l y a n j i n g s u n c n 1 6 3 .c o m 通讯作者霍羽 1 9 8 3 一 ,女,山西灵石人,助理研究员。T e l 0 5 1 6 8 3 5 9 0 8 2 9 ,E m a i l ”h u o c u m t .e d u .c “ 引用格式孙彦景,霍羽,陈岩,等.矿山动态协同作业场景无线通信关键技术[ J ] .煤炭学报,2 0 2 l ,4 6 1 3 2 卜3 3 2 . S U NY a n j i n g ,H U 0Y u ,C H E NY a n ,e ta 1 .K e yt e c h n o l o g yo fs e r v i c ea t t r i b u t ed r i v e nw j r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf o rd y n a m i cc o o p e r a t i v eo p e r a t i o n si nm i n i n gs c e n a r i o s [ J ] .J o u m a lo fC h i n aC o a ls o c i e ‘y ,2 0 2 1 ,4 6 1 3 2 1 3 3 2 . 移动阅读 万方数据 3 2 2 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 p l i c a t i o ne 艉c t so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sf o rm i n i n ga r ed i s c u s s e d .I tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h es h a 印g r o 砒ho ft h e d i s t r i b u t e dm u l t i s o u r c ea n dm u l t i o b j e c t i v ed y n a m i cs e n ,i c e sa n dt h e i rc o n c u r r e n tt r a n s m i s s i o na r et h eb 培g e s tp r o b l e m sf o rt h ec o o p e r a t i v en e 卅o r k sw i t hh i g hr e l i a b i l i t ya n dl o wd e l a y .I no r d e rt oe f k c t i v e l yo p t i m i z et h en e t w o r kr e l i a b i l i t ya n dt r a n s m i s s i o ne 侬c i e n c y ,i ti se s s e n t i a lt om a n a g ea n da l l o c a t et h ep h y s i c a lc h a n n e l sa n dw i r e l e s sr e s o u r c e sb y u s i n gt h ec o o p e r a t i v eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm i n eu s e r sa n de q u i p m e n t ,a n dt h ec o r r e s p o n d i n gd y n a m i cs e r v i c e . T h i sp 印e r p r e s e n t saw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d ed r i v e nb ym u l t i s e r v i c ea t t r i b u t e sf o rad y n a m i cc o o p e r a t i V eo p e m t i o ni nm i n i n gs c e n e .I nt h i ss o l u t i o n ,t h ei n t e m a lc o n .e l a t i o n sb e t w e e nt h es e r v i c ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ep h y s i c a ll a y e r t r a n s m i s s i o na r ee x p l o r e do nt h eb a s i so ft h ee x t r a c t i o no ft h en o n G a u s s i a np u l s ei n t e d e r e n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e t y p i c a le l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n ti nm i n i n ga n dt h es t a t i s t i c a lc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c si nt h es p a c e t i m e f b q u e n c y d o m a i n s .F r o mt h ep e r s p e c t i v eo fc h a n n e l 一l i n k s e n r i c ef a s tm u l t i d i m e n s i o n a lm a t c h i n g ,t h eq u i c km a t c h i n gp m b l e m s , s u c ha st h em a t c h i n gb e t w e e nm u l t i u s e rc o o p e m t i v ei n t e r a c t i v et r a n s m i s s i o nc o m m u n i c a t i o nl i n ka n dw i r e l e s sc h a n - n e l ,t h em a t c h i n gb e t w e e nm u l t i h o pu s e rl i n k s ,a n dt h em a t c h i n gb e t w e e nm u l t i - s e n ,i c eQ o Sr e q u i r e m e n t sa n dw i r e l e s s l i n k s ,a I es o l v e db yu s i n gh y p e r g r a p hm a t c h i n g ,g r a p ht h e o r y ,g a m et h e o r y ,a n dn o n o r t h o g o n a lm u l t i p l ea c c e s st h e o r y . K e yw o r t l s u n d e r g r o u n dm i n ec o m m u n i c a t i o n ;c o o p e m t i V eo p e r a t i o n s ;s e n r i c ea t t r i b u t e ;h y p e r g r a p hm a t c h i n g ;r e s o u r c e a l l o c a t i o n 随着智能化装备和工业机器人技术的发展,矿山 开采过程逐渐趋向无人/少人化,急需解决机器人动 态协同作业场景下全面信息感知、多类型数据传输、 实时决策控制等数据高效连续传输问题[ 1 。3J 。同时, 也要求矿山无线通信从当前安全监控应用的汇聚式 上传,向协同交互的传输方式转变,需要高可靠、高带 宽、低时延的无线网络提供技术支撑。3J 。 2 0 1 9 年,煤矿机器人重点研发目录要求重点 研发掘进、采煤、运输、安控和救援5 类、3 8 种煤矿机 器人,构建高效协同的多机器人作业群。2 0 2 0 年,工 信部、应急管理部要求做好煤炭行业工业互联网布 局。为构建新一代矿山数据传输和分发的无线基础 设施平台,亟需研究无人开采动态协同作业场景下无 线资源管理算法与优化方法。 现有的矿山无线网络技术无法满足未来智能 矿山的无人化生产对多类型数据同步传输、远程控 制实时性、融合大数据的智能决策效率的要求,尽 管目前的瓦斯、通风、人员、火灾、视频、广播等功能 业务系统部分支持w i F i ,4 G 等无线通信技术,从安 全监控的角度能够进行数据的采集和传输,但是在 带宽、延时、并发数量、脉冲干扰、移动性等方面还 有待突破∞] 。同时,有关矿井信道建模和信道估计 的研究,鲜少考虑动态作业环境以及非高斯脉冲噪 声的影响H 。Jo 笔者深入剖析了矿山动态协同作业场景的通信 技术需求、矿山无线通信技术的应用现状与发展趋 势,分析了当前矿山无线通信的关键技术瓶颈、相关 解决方案以及应用效果,并在此基础上提出了多业务 属性驱动的无线通信模式。 1 矿山动态协同作业场景的通信技术需求 1 .1 矿山动态协同作业场景 为提升矿山安全生产水平,实现零伤亡、零损害 和零排放,保障矿产资源的稳定供应,仅靠一般的机 械化开采很难实现,必须依靠基于机器人协同作业的 无人化智能采矿技术⋯。如图1 智能矿山生产系统 所示,多个具有情境感知、数据分析并实时响应能力 的智能机器人、装备、监测监控系统之间、机器群组之 间自组织协同与交互、共享海量实时数据、联动控制、 智能决策、远程感知。工业物联网等新一代信息、通 信技术与矿山开采深度融合,渗透在开采掘、主辅运 输、通风、排水、安全保障、洗选运输等生产流程 中∽3 。 1 .2 通信技术需求 在智能矿山的机器人动态协同作业过程中,为进 行统一协调处理和快速反馈控制,对矿山通信网络的 可靠性、实时性提出了更高要求,主要包括 1 矿山通信需满足智能化开采过程的泛在信 息感知要求,解决语音、视频、信息、位移、压力、振动、 瓦斯、位置、温度等多类型快速生成且体量巨大的数 据的高带宽、低时延传输问题qJ 。 2 矿山通信需实现矿山物联网底层的端端互 联,满足井下密集传感、协同运维、人机交互、切割引 导、自主导航、高清多媒体等众多智能综采设备群组 的协同交互要求。o 。 3 矿山通信需适应各类智能综采设备及设备 群的高效协调、快速反馈和处理控制要求,包括自适 应截割及掘进、故障预判与远程干预、车载跟踪与碰 万方数据 第1 期 孙彦景等矿山动态协同作业场景无线通信关键技术 3 2 3 图l智能矿山生产系统示意 以煤矿为例 F i g .1D i a g r a mo fi n t e l l i g e l l tm i n ep m d u c t i o ns y s t e m ,t a k i n gc o a lm i n ea s a 1 1e x a m p l e 撞规划、辅助系统联动等,保障矿井生产的高效与安 全。这对网络传输的高效连续性有着极高要求。J 。 2 矿山无线通信技术应用现状与发展趋势 2 .1 矿山无线通信技术应用现状 为实现矿山安全相关的环境信息感知采集、综 采、综掘、胶带运输、提升机等设备的运行状态监测及 远程监控,近年以工业以太环网为骨干、局部无线接 入的单向汇聚式混合异构组网模式成为矿山信息化、 自动化中网络架构的主流模式。 短距离无线通信技术 z i g B e e ,w i F i ,B 1 u e t o o t h 和 u w B 等 、移动自组织网络 M A N E T 、无线地下传感 器网络 W U S N 、无线M e s h 网络 w M N 、物联网等的 出现,使得矿井无线通信与组网技术迎来了一个快速 发展的阶段J 。3 G /4 G 矿井移动通信系统相继被研制 可在一定程度上满足煤矿安全高效生产对矿井移动通 信系统的需求MJ ;基于w ㈣,M e s h 等技术的多媒体矿 井救灾通信系统,可适应井下救灾通信的需求“ 1 ;基于 不同频段的矿井无线通信技术如超低频透地通信、智 慧线通信等亦成为矿井应用和研究的热点旧‘9 1 ;2 0 1 9 年山西阳煤集团对井下5 G 基站进行了传输性能测 试0 I 。矿山无线通信系统呈现出多种形式,包括调度 通信、应急扩播、w i F i 、无线M e s h 、4 G /5 G 等。 2 .2 智能化场景下的矿山无线通信技术 现有的矿山通信系统能够在一定程度上实现矿 山安全监控数据的采集和传输,但在应对智能化的矿 山作业场景时,仍存在很多不足J 1 现有的矿山网络结构仍是面向安全监控的 汇聚式网络,对采、掘装备的远程操作依然是单机操 控或多机联动的模式,未实现面向无人开采场景下分 布式机物信息交互和装备协同作业。 2 w i F i ,4 G /5 G 等无线通信技术,面向复杂作 业场景应用,在带宽、延时、并发数量、脉冲干扰、移动 性等方面还有待突破。 3 现有相关矿山无线通信系统的设计目的是 为了解决如何将生产作业过程中传感、控制、音频、视 频等数据传输至地面信息中心,未能充分考虑智能开 采机物协同过程对多业务信息传输的协同交互、低时 延、高可靠性的要求。 4 当前矿山生产领域使用的无线通信协议众 多、各有不足且相对封闭,工业设备互联互通难,用户 使用体验较差。 根据智能化开采场景中大规模机器协同作业的 传输需求,亟需构建能够兼容多种协议的新一代数据 传输和分发无线基础设施平台,具备融合多类现有或 未来无线接入传输技术和功能网络的能力,为矿山智 能化开采的实现提供基础网络平台和应用保障pJ 。 图2 以煤矿为例描述了矿山动态协同作业的多 业务交互网络体系架构①采用小基站 密集微基 站 前置接人设备部署模式保证井下无线覆盖和移 动传输的需求;②支持人、机、物之间的设备直 连 D e v i c e t o D e v i c e ,D 2 D ,进一步提高业务交互效 率,并通过多跳实现应急场景中的断点续传,保证井 下数据高效连续传输;③基站侧部署边缘服务器,利 用移动边缘计算,实现设备的自主化管控,减少网络 控制时延。 圃园圃围圃圃圃回国 万方数据 3 2 4 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 0 ◇ ■ 冒中黛 ⋯机煞憾站葚醚⋯一曲黼。心撇㈣。赫靴钻机 交换机 ⋯微基站‘矿运输设备1 套 支架 嫡妇机器人 - ’视频监控设备 边缘服务器 前置接入设备‘够通风发备- j ;掘进设备 笋哪- 9 应力、拾震、气体等传感器 3 矿山无线通信关键技术瓶颈 面向矿山无人化开采中机物协同作业场景的网 络与通信需求,在多业务交互协同网络框架。3o 下需 要克服以下技术瓶颈 1 动态受限空间非高斯脉冲干扰下的信道估 计与干扰管理。如图3 所示,矿山井下的巷道空间狭 长多叉;开采作业环境场景多样;设备布设复杂;随着 作业设备的联动及位置改变、巷道的挖掘与岩石放 顶,巷道结构及电磁传输环境不断变化;工业电磁噪 声突出,主要表现为非高斯脉冲干扰;空气中粉尘严 重。上述因素造成矿井的无线信道传输特性复杂且 特殊,信道估计及干扰管理问题严峻,限制了高可靠、 高带宽、低时延的先进通信技术与通信系统在煤矿井 下的应用。 2 动态协同作业场景的网络快速响应。矿山 智能开采过程中,多源、多目标数据以并发方式传输; 用户业务传输的数据特点和传输需求差别很大,且动 态多变。因此,在业务交互高峰时段极易出现多条链 路对频谱等多类资源的竞争,引发数据拥堵、流量过 载等问题,为基站的快速响应和资源分配带来了更多 挑战,井下多机器业务交互的数据延续性难以得到保 证。 殊的信道传输特征 图3矿山电磁环境特征与信道传输特性 F 嘻3 M i l l ee l e ’1 1 0 m a g n e me 1 1 v i “ n 1 1 1 e n ta 1 1 1c 1 1 a 1 1 I 论l l I ‘a n s n l i s s i o l lc h a r a - l P l ‘i s t i c s 3 多源异构用户的动态接入。前置接人设备 的使用可在一定程度上有效保障移动用户与微基站 之间的物理可靠传输。然而,接入设备的工作带宽受 限,巷道电磁传输环境的动态变化、信号传输质量的 不稳定以及大量多源异构用户的资源争夺等问题,使 万方数据 第l 期孙彦景等矿山动态协同作业场景无线通信关键技术 得接入网容量有限性与频谱资源匮乏之间的矛盾激 化,智能机器人、设备、系统等数据的高效实时接人与 传输难以得到保证。 3 .1 矿山动态开采环境的无线信道估计与干扰管理 通信系统根据信道状态信息 c h a n n e ls t a t eI n - f o r m a t i o n ,C S I ,利用预编码、用户调度等方法可以 对信道干扰进行管理,从而优化系统的无线信道性 能。 在无线信道特性估计方面,已有研究在井下介质 壁波导效应、多径问题、空一时一频色散特点以及巷道 结构、设备布设和粉尘的影响等方面取得了一定的知 识积累1 叫3 1 。仅少数文献[ 1 4 。1 5 1 考虑了矿山工业噪 声的影响,提出并建立了德尔顿A 类 M i d d l e t o nC l a s s A ,M C A 噪声和伯努利一高斯 B e m o u l l i G a u s s ,B G 噪声2 种无记忆噪声模型。 在信道干扰管理方面,文献[ 1 6 ] 通过设计预编 码以及用户调度算法 2 用户为l 组 提高系统的平 均组速率,并得到了用户主特征值均匀分布时的遍历 平均组速率下界的解析表达式。文献[ 1 7 ] 结合统计 C S I 和非完美实时C S I 设计预编码最小化发射端的 能量消耗和最大化用户的接收功率,并分析了只能获 得统计c s I 和非完美实时c S I 两类用户的互干扰影 响。文献[ 1 8 ] 基于非完美C S I 研究了基站转发用户 设备波束成形设计问题,基于线性矩阵不等式转化和 半正定规划技术设计轮换优化算法使得系统的均方 误差最小化。 目前有关矿山井下的无线信道特性分析、信 道估计和干扰管理研究,主要面向的是静态的或 以高斯噪声为背景的矿山环境。而近年来,工业 物联网的相关研究发现,工业环境中的非高斯脉 冲噪声对无线信道的影响非常严重【1 9 。22 。。分析和 掌握工业环境中随机噪声的非平稳特点、时变特 征、时间相关性等,并对其进行相应地管理和抑 制,能有效提高无线系统的信道估计性能,并降低 系统误码率9 。22 1 。因此,为进一步改善无线系统 在矿山开采环境中的通信质量,必须深入挖掘矿 山动态作业下非高斯工业噪声环境对信道传输的 影响并设计针对非高斯噪声的预编码。 3 .2 矿山多用户协同作业场景的无线资源分配 协同作业场景下周期性采集数据的高并发性与 设备的高密度性等导致资源分配维度的增加。传统 的集中式资源分配模式复杂度高且需要全局状态信 息,响应速度较慢,无法快速做出决策,从而无法保证 井下业务交互时数据的延续性。利用协同作业用户 之间的物理位置及协同关系等信息,挖掘其业务属性 与时变规则,针对矿井的场景特性及需求设计基于微 基站的分布式缓存方式,可有效减小井下微基站的传 输损耗,并使热门业务、实时数据更靠近用户端,降低 用户的交互时延【2 3 I 。然而,智能矿山场景中用户的 移动性、不同业务类型服务质量 Q u a l i t yo fS e Ⅳi c e , Q o S 需求的差异性等并不是孤立存在的,需要用多 元属性耦合的匹配模型来描述,这对满足高效稳定的 分布式算法设计带来了挑战。 高动态作业环境下的快速网络拓扑形成和资源 分配问题可以利用图论建模进行简化Ⅲ嗡J 。在简化 的图模型中设计资源分配方法可以进一步提升网络 的响应速度与决策效率。超图模型可进一步提高网 络描述的准确度【2 4 。2 6 】。文献[ 2 7 ] 利用超图对蜂窝系 统的信道分配过程建模,仿真结果表明通过超图建模 时所承载的流量比传统图模型建模时高出3 0 %。文 献[ 2 8 ] 提出一种面向无线自组网超图干扰模型及分 布式调度方案。文献[ 2 9 ] 根据用户在不同应用中的 数据需求,提出了一种基于超图覆盖模型的云数据中 心节能存储策略。但现有工作只着重提升单一业务 类型的传输性能,忽略了不同业务类型差异化的Q o s 需求。 在多用户、设备协同交互的应用驱动下,研究者 在低服务时延的移动边缘计算、基于业务特性感知的 存储通信、基于业务预测的智能通信等方面开展了大 量工作m 。3 。这些研究工作力求从用户业务特性的 角度,深入挖掘业务特性与物理层传输的内在关联, 通过业务感知、内容感知的通信机制保障纷繁多变的 业务传输需求。基于多业务属性耦合的资源分配方 案设计也是矿山多用户协同作业场景中亟待解决的 问题。 3 .3 矿山多用户协同作业场景的D 2 D 链路资源分 配 基于微基站的分布式存储虽能有效减小井下微 基站传输负担,降低时延,但当用户接人过载时,微基 站仍会出现下载时延高及覆盖性差等问题,无法实现 井下数据的高效连续传输”2 | 。将移动用户也赋予分 布式缓存功能【3 3 。3 4 l ,利用设备间的D 2 D 通信分发缓 存内容,避免了相同业务的重复传输,可进一步减轻 微基站的负载压力,实现无缝覆盖。 然而,D 2 D 链路的加人同时也加剧了业务需求 与频谱资源短缺之间的矛盾,D 2 D 链路复用蜂窝链 路频谱资源时会不可避免地产生一定数量级的同 信道干扰,如何对D 2 D 链路与蜂窝链路的资源竞争 关系建模是矿山多用户协同作业场景资源分配的 关键问题。现有文献对无线网络处于单A P A c c e s s 万方数据 3 2 6 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 P o i n t 覆盖范围和多A P 覆盖范围两种场景进行了 综合分析∞卜3 6 J ,但未考虑到D 2 D 通信技术的引入 对网络覆盖的影响。文献[ 3 7 ] 面向D 2 D 异构蜂窝 网络,根据P e r r o n F r o b e n i u s 理论推导具有传输比 特率和功率约束的物理层安全优化目标函数矩阵 的等效凸形式,通过评估拉格朗日函数的近邻算子 来解决该等价凸问题。文献[ 3 8 ] 基于注水算法提 出了一种用于D 2 D 内容分发的数据分割方法,提升 了能量有效性。博弈论作为一种描述策略性决策 方法的有力工具,可以对个体或群体在资源分配中 的竞争关系进行建模。文献[ 3 9 ] 提出一种基于势 博弈的分布式功率分配方案,实现了功率约束下 D 2 D 用户的总速率最大化。 当前基于D 2 D 通信的无线资源管理方法,针对 频谱高效、能量高效与物理层安全性等不同优化目 标,所构建的大多资源分配问题都是N P 难题,解决 问题的思路大多借助凸优化逼近、动态规划、迭代注 水等数学工具,复杂度极高,无法应用到需要较快决 策响应速度的矿山多用户协同作业场景,需要借助博 弈论对复杂的资源竞争关系建模。 3 .4 矿山多源接入信道资源的动态分配 I E E E8 0 2 .1 1 a h 协议标准在介质访问控制 M e - d i u mA c c e s sC o n t r o l ,M A C 层提出了限制窗口 R e - s t r i c t e dA c c e s sW i n d o w ,R A w 分组方式以保障多源 设备的动态接人㈣J 。文献[ 4 1 ] 将I E E E8 0 2 .1 1 a h 协 议用于井下安全监测传感设备的接入传输,并初步验 证了其可行性。其他的接人策略,如基于周期数据传 输间隔预测监视的信道访问机制H2 | 、基于回归分析 的流量感知分组算法M3 | 、基于异构传输特征用户公 平性最大化的启发式算法等Ⅲ1 ,在降低信道复用竞 争碰撞概率、提高信道利用率等方面也具有一定效 果。然而,上述接人理论和方法多在单一信道资源下 设计。 文献[ 4 5 ] 将异构机器到机器 M a c h i n et oM a c h i n e ,M 2 M 通信网中海量设备基于服务与传输特 征进行虚拟分簇,并研究了分簇接入与多维信道资 源分配资源利用率最大化问题。文献[ 4 6 ] 面向工 业M 2 M 通信提出了基于L y 印u n o v 优化和定价稳定 匹配的两步联合资源分配方法,共同优化速率控 制、功率分配和信道选择。文献[ 4 7 ] 通过联合优化 传输时间及分组用户错误概率达到短包传输用户 有效信息需求吞吐量最大化。此外,动态的资源分 配能应对信道与业务数据传输的时变问题,维持系 统服务性能长时稳定。文献[ 4 8 ] 提出基于多智能 体强化学习的分布式多维通信资源优化方法以保 障异构网络中下行链路用户Q o s ,并维持长期系统 服务性能稳定可靠。文献[ 4 9 ] 提出基于二阶隐马 尔可夫模型 H i d d e nM a r k o vM o d e l ,H M M 的移动预 测方案,优化5 G 异构网络中用户动态资源分配切 换。文献[ 5 0 ] 提出基于间隔2 型模糊逻辑控制器 的信道感知卡尔曼滤波器,以解决信道状态不确定 情况下用户接人调度及资源分配,保障上行特定用 户Q o s 与非实时系统公平性。 上述研究表明,在多用户分组及接人问题中, 利用多维通信资源的分配方式更具优势。多维通 信资源分配需要结合应用场景及设备数据的传输 特征开展,而目前有关矿山智能化作业场景的研究 还有待开展。 综上所述,要突破矿山无线通信的关键技术瓶 颈,需要解决以下问题 图4 1 提取并分析矿山动态作业环境中的非高斯 脉冲干扰特征及无线信道的空一时一频域统计特性; 设计相应的信道估计以及预编码算法。 2 深入挖掘智能矿山作业场景中多用户业务 类型、Q o s 需求差异以及物理层传输指标等的多维业 务属性耦合匹配关系;研究用户多业务属性感知方 法;设计以用户多业务属性耦合为基础的资源分配方 法。 3 紧密结合矿山用户的业务变化、业务趋同性 以及通信环境的时变特性,在有限频谱资源条件下, 优化矿山多源异构设备的动态调整、分组、切换与接 入;实现时域、空域、编码域及功率域等多维资源的精 细化协同管理和分配。 4 多业务属性驱动的矿山动态协同作业场景 无线通信关键技术 针对矿山动态协同作业场景的通信需求和矿山 无线通信当前的技术瓶颈,本文提出基于多业务属性 驱动的无线通信模式,如图5 所示。利用无线信道的 非高斯脉冲干扰空一时一频域动态统计规律,对无线 系统捕获的非完美C S I 进行估计;利用设计合理的预 编码,抑制矿井的工业噪声,提升链路质量和系统容 量;根据矿山作业场景相关业务特性、服务质量与物 理层传输指标的内在关联,采取超图映射和边权赋值 实现用户或设备的多维业务属性感知;综合运用超图 匹配、图论、博弈论、非正交多址接入技术 N o n 一0 r t h 0 9 0 n a lM u l t i p l eA c c e s s ,N O M A 等方法,从信道一链 路一业务快速多维匹配的角度解决多用户协同交互 传输通信链路和信道的匹配、多跳用户链路匹配、多 业务Q o s 要求与链路匹配等快速匹配问题。 万方数据 第1 期孙彦景等矿山动态协同作业场景无线通信关键技术 3 2 7 新一代信息基础设施矿山智能化、无人化、工业物联网、生产协同 Jf Jf I 1 动态受限空间非 动态协同作业场景快速响应 海量多源异构 高斯脉冲干扰用户动态接入 lfIflfl1 矿山动态作业矿山多用户协同 矿山多用户协同矿山多源异构 l 环境的非完美c s I作业场景的无线 作业场景的D 2 D用户动态接入的 及预编码设计网络频谱资源分配 链路资源分配信道资源分配 IflfIflf 非完美c s I 及 多样业务类型 多维通信资源分配l 预编码设计 快速多 差异化O o s 需求 维匹配 通信传输指标 图4 智能矿山协同作业场景下的无线通信关键技术 F 远.4K e yt e c h n i c a lp m b l e m so