本發(fā)明涉及時隙自適應調整與調度方法技術領域，尤其涉及一種適用于礦下定位系統(tǒng)的時隙自適應調整與調度方法。

背景技術：

煤礦生產(chǎn)多為地下作業(yè)，具有復雜的地理環(huán)境，空間狹窄，工作環(huán)境惡劣，時刻都有發(fā)生事故的可能，而礦工作為井下移動目標的主要對象，就是在這種環(huán)境下工作。此外，環(huán)境中多種布線，包括電力線路、數(shù)據(jù)傳輸電纜以及各種運行的設備，在錯車道口經(jīng)常發(fā)生阻塞，使得運輸效率降低。另外由于運輸巷道較長，若調度人員不能及時了解人員和車輛的位置信息和運行情況，就會增加指揮的盲目性。礦下生產(chǎn)的安全性須由一套嚴格、全面、規(guī)范的管理系統(tǒng)來全面掌控礦下作業(yè)情況，充分應對可能發(fā)生的危險情況。

目前商用的定位系統(tǒng)一般采用移動節(jié)點能量探測的方式來獲取礦工的位置信息，巷道中每隔一段距離配置一個無線基站，當?shù)V工接近基站的時候獲取其身份信息，并估計其所處位置，因此定位的精度與基站的密集程度有關，基站數(shù)量越多，精度越高，但是為了考慮整體成本，一般采用區(qū)域定位，分散布置基站的方式，很難達到高精度的定位。而基于射頻飛行時間差的定位方式雖然能實現(xiàn)可靠的精度，但是其節(jié)點的功耗較高，這個缺點限制了其在礦下的應用。

從實際應用角度進行分析，首先，礦下安全生產(chǎn)監(jiān)控對通信系統(tǒng)的可靠性要求非常高，網(wǎng)絡系統(tǒng)還要兼顧實時性、環(huán)境適應性和多源信息的融合與傳輸功能，這些實際需求都增加了技術實現(xiàn)的難度。再次，由于礦下定位節(jié)點一般采用電池供電，節(jié)點的功耗問題需要著重考慮，目前商用的礦用定位方案一般會采用對信號強度的獲取與處理來估計礦下人員的位置信息，這種方式很容易受到外界環(huán)境的影響，比如遮擋、信號的反射等。另外，基于射頻飛行時間差的定位方式雖然能實現(xiàn)可靠的精度，但是其節(jié)點的功耗較高。最后，礦下員工處于不同工作區(qū)時，運動狀態(tài)不同，若采用同樣的測距頻率，會造成功耗增加，接入各個基站的定位節(jié)點固定在一個位置，容易產(chǎn)生累計誤差。因此，在充分考慮礦下定位系統(tǒng)的特點與需求后，本發(fā)明提供一種適用于礦下定位系統(tǒng)的時隙自適應調整與調度方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種適用于礦下定位系統(tǒng)的時隙自適應調整與調度方法，應用于結合低功率慣性傳感器測步與無線測距的混合定位系統(tǒng)中，充分利用時隙的自適應動態(tài)分配，實現(xiàn)定位精度與功耗的平衡。

為了解決上述存在的技術問題實現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種適用于礦下定位系統(tǒng)的時隙自適應調整與調度方法，該方法基于時分復用的數(shù)據(jù)包調用方式，根據(jù)實際的節(jié)點數(shù)量動態(tài)調整相關參數(shù)，以避免數(shù)據(jù)沖突，同時將傳輸過程劃分為若干可變時隙，移動節(jié)點的接入時間由待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度以及計算出的偏移時間決定；為避免計步測距方式引起的累積誤差，采用基于時間差測距的方式來進行精確位置的獲取，進而有效的檢驗礦下員工的行進狀態(tài)；

所述一種適用于礦下定位系統(tǒng)的時隙自適應調整與調度，該方法具體內容包括以下步驟：

步驟一：對通信幀進行格式定義；

所述對通信幀進行格式定義包括以下步驟：

(1)在數(shù)據(jù)包中加入時間信息，以保證多源數(shù)據(jù)的同步性；

(2)通過定義mac幀中的數(shù)據(jù)字段來表示不同的幀格式；

(3)完成對通信幀的格式定義。

步驟二：根據(jù)時隙分配算法，給定位節(jié)點重新分配接入時隙；

所述的時隙分配算法，包括以下步驟：

(1)計算網(wǎng)絡的基站設備中用來表示已被安排占用的時間信息集合p^m；

(2)在基站設備收到移動定位節(jié)點的計步數(shù)據(jù)之后，通過刪除已經(jīng)使用的時間來更新p^m，構建一個新的時間信息集合來表示下一個時間調度表，完成接入時隙重新分配；

(3)當一個新的移動定位節(jié)點想要加入新基站時，基站設備記錄下其預期接入的時刻，構造一個根據(jù)之前調度信息調整之后的時間信息集合完成接入時隙重新分配。

步驟三：保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

所述保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕鋬热莅ǎ?/p>

(1)當數(shù)據(jù)傳輸正確時，基站向移動定位節(jié)點發(fā)送信標幀并開啟定時器，經(jīng)過一個由應用層決定的數(shù)據(jù)等待周期tdwd后，定時器超時失效；網(wǎng)絡中的移動定位節(jié)點使用經(jīng)過計算的發(fā)送功率向基站設備發(fā)送計步數(shù)據(jù)，并開啟超時定時器，經(jīng)過ack等待周期tawd后，定時器超時失效；在數(shù)據(jù)等待周期tdwd內定時器超時失效前，若基站接收到計步數(shù)據(jù)，則通信成功，一個通信循環(huán)完成；移動定位節(jié)點收到ack應答幀后，關閉并清零ack等待周期定時器；

(2)當數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)錯誤時，主要有丟失計步數(shù)據(jù)幀和丟失應答幀兩種情況；此時，移動定位節(jié)點不清零計步數(shù)據(jù)，在收到重新安排通信時隙命令之前，一直按現(xiàn)有時隙規(guī)則安排通信、睡眠和接入時刻。

基于時隙自適應調整與調度方法進行精確位置的獲取，有效的提高了礦下定位系統(tǒng)的精度，并降低了系統(tǒng)功耗。

由于采用上述技術方案，本發(fā)明提供的一種適用于礦下定位系統(tǒng)的時隙自適應調整與調度方法，與現(xiàn)有技術相比具有以下有益效果：

本發(fā)明基于時隙自適應調整與調度方法的礦下定位方法，采用混合定位算法估計人員位置，普通巷道區(qū)測距頻率采用高速模式測距，掘進工作區(qū)采用低速模式測距，且移動節(jié)點關閉計步測距，避免累計誤差，能夠達到高精度的定位，而且降低整體功耗；針對接入時隙的不確定性，本發(fā)明的偏移時間長度也按需動態(tài)調整，采用基于時間差測距的方式來進行精確位置的獲取以去除累計誤差。

本發(fā)明應用于檢測礦下員工行進狀態(tài)，實現(xiàn)定位系統(tǒng)高精度、低功耗的需求。采用結合低功耗慣性傳感器測步與無線測距的混合定位方法，平衡精度和功耗的關系；為提高數(shù)據(jù)傳輸效率，使用基于時分復用的可實時調整的數(shù)據(jù)包調度方法，將傳輸過程劃分為若干可變時隙；通過基于時間差測距的方式來進行精確位置的獲取以去除累計誤差。

本發(fā)明能實現(xiàn)時隙的自適應調整和調度，根據(jù)所處煤礦功能區(qū)的不同，相關節(jié)點的定位流程也存在差異，有利于節(jié)省功耗；易于實現(xiàn)，完全滿足定位系統(tǒng)的實際需求。

附圖說明

圖1為通信循環(huán)的時隙安排；

圖2為移動定位節(jié)點流程圖；

圖3為無線基站設備流程圖；

圖4為移動節(jié)點與基站數(shù)據(jù)交互傳輸過程。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細描述與說明。

為了降低不必要的節(jié)點功耗，本發(fā)明將測距頻率分為高速模式與低速模式，當佩戴節(jié)點的員工處于普通巷道區(qū)域的時候，測距的頻率采用高速模式，此時采用混合定位算法估計人員位置；當佩戴節(jié)點的員工處于掘進工作區(qū)的時候，此時大部分的時間位置相對固定，因此測距頻率采用低速模式，同時為避免累積誤差，移動節(jié)點關閉計步測距，以降低整體功耗。在巷道行進區(qū)域，由于人員的移動，接入各個基站的定位節(jié)點也是動態(tài)變化的，為此，時隙的調度方法要能根據(jù)實際的節(jié)點數(shù)量動態(tài)調整相關參數(shù)，以避免數(shù)據(jù)沖突?；跁r分復用(tdma)的數(shù)據(jù)包調度方式可以最大程度的降低節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)沖突的幾率，同時還可以有效降低節(jié)點的能量消耗。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，本發(fā)明提出了一種基于時分復用的可實時調整的數(shù)據(jù)包調度方法。該方法將傳輸過程劃分為若干可變時隙，移動節(jié)點的接入時間由待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度以及計算出的偏移時間決定。本發(fā)明將無線節(jié)點傳輸一個byte所需的時間定義為時隙調整的基本單位(tsu)，特別的，當選取的無線通信速率為250kb/s時，每個基本單位為32微妙。

實際網(wǎng)絡運行過程中，在礦井的入口處，定位節(jié)點通過競爭接入的方式加入異構網(wǎng)絡，系統(tǒng)通過地址信息匹配對應的身份信息，同時基站設備按照先接入先分配的原則安排節(jié)點的接入時隙，并向其通信范圍內的移動節(jié)點發(fā)送帶有分配時隙信息的數(shù)據(jù)包，此后在節(jié)點接收到下一條時隙安排命令幀之前，該定位節(jié)點都按照給定的時隙與基站進行通信。移動定位節(jié)點加入網(wǎng)絡后，會在給定的時隙進入監(jiān)聽的工作狀態(tài)，當接收到基站設備發(fā)送的信標幀后上傳自己的計步數(shù)據(jù)信息。為了避免計步測距方式引入的累積誤差，每隔一段時間之后系統(tǒng)會進行一次距離校準。對于已經(jīng)注冊進入網(wǎng)絡的定位節(jié)點來說，每個通信循環(huán)被劃分為5個不同的數(shù)據(jù)交互周期。通信循環(huán)的時隙安排如圖1所示，每個通信循環(huán)具體包含4個計步數(shù)據(jù)上傳周期dup和1個tof校正周期tofp。每個周期由工作時間與睡眠時間構成，為了保證接入時隙的動態(tài)可調，睡眠時間段中還包含一定的偏移時間域。由于接入時隙的不確定性，本發(fā)明的偏移時間長度也按需確定，即每個周期的偏移時間也是可以動態(tài)調整的。本發(fā)明采用基于時間差測距的方式來進行精確位置的獲取以去除累積誤差。為了避免由于通信過程中出現(xiàn)的交互不成功而導致無法進行距離估計的情況，基站設備會記錄移動節(jié)點的歷史位置數(shù)據(jù)，通過之前周期的記錄來估計實際位置，當新的校準周期數(shù)據(jù)上傳后再更新相應節(jié)點的位置。

本發(fā)發(fā)明的一種適用于礦下定位系統(tǒng)的時隙自適應調整與調度方法，該方法具體內容包括以下步驟：

步驟一：對通信幀進行格式定義。

為了相關算法在實際應用中的可移植性，本發(fā)明通過定義mac幀中的數(shù)據(jù)字段來表示不同的幀格式。如表1至表4所示，表中數(shù)值的基本單位為byte，本發(fā)明方法中的每種幀都有相對固定的格式。

值得注意的是，本發(fā)明中的相關位域根據(jù)功能的不同需求有細微差別，如源節(jié)點地址位域段、目標節(jié)點地址位域段、通信頻段位域段、時間偏移位域段和計步數(shù)據(jù)位域段。其中，幀類型字段規(guī)定了信標幀、ack幀、nack幀、數(shù)據(jù)幀四種幀類型；源節(jié)點地址位域段代表發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點的地址；目標節(jié)點地址位域段代表待接收數(shù)據(jù)節(jié)點的地址；通信頻段位域段代表下次通信時所使用的無線信道編號；時間偏移位域段，主要用來匹配周期的動態(tài)接入時隙；計步數(shù)據(jù)位域段代表重置計步數(shù)據(jù)后累積的計步值。

表1通用幀格式

表2ack/nack應答幀格式

表3數(shù)據(jù)幀格式

表4信標幀格式

步驟二：根據(jù)時隙分配算法，給定位節(jié)點重新分配接入時隙。

節(jié)點的接入時間是由與之通信的基站動態(tài)分配的。為了保證定位節(jié)點的無縫漫游，基站設備不僅要記錄其覆蓋的定位節(jié)點的調度信息，還要通過主干網(wǎng)共享相鄰基站的調度信息。網(wǎng)絡中的基站設備中均保存了一個用來表示已被安排占用的時間信息集合pm，表達式如式(1)：

其中，m表示基站設備的識別地址信息；表示由基站設備安排的時間信息集合，其具體數(shù)學表達式見(2)；j表示在第m個基站設備射頻覆蓋內與定位節(jié)點交互的第j個子集合；

其中，tf為固定睡眠周期時間；為偏移時間；為幀傳輸所花費的時間，由幀長度決定；為第j個定位節(jié)點接入的時刻。

在以下兩種情況下，無線基站設備會給定位節(jié)點重新分配接入時隙：

情景1，在收到移動定位節(jié)點的計步數(shù)據(jù)之后。

當基站設備接收到計步數(shù)據(jù)之后，通過刪除已經(jīng)使用的時間來更新p^m，假設移動節(jié)點i與基站設備m通信，則該流程可表示為p^m＝p^m-pi^m，時隙的結束時間可以表示為記作此時構建一個新的時間信息集合來表示下一個時間調度表，算法描述見表5。

表5算法1

情景2，當一個新的移動定位節(jié)點想要加入新基站時。

當一個移動節(jié)點要加入第m個基站時，該基站記錄下其預期接入的時刻，通過主干網(wǎng)獲取該節(jié)點之前的通信時隙信息，并構造一個根據(jù)之前調度信息調整之后的集合，新的時間信息集合可以表示為算法流程見表6。特別的，當pm確定以后，基站設備會根據(jù)最新的pm計算并確定對應節(jié)點的時隙資源分配。

表6算法2

步驟三：保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?/p>

由于無線射頻暴露在巷道空間，開放的傳輸介質無法保證數(shù)據(jù)的傳輸從源端完全正確的到達目的端，因此有必要設計當通信幀丟失后的處理方案，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。本發(fā)明的數(shù)據(jù)傳輸中移動定位定位節(jié)點流程如圖2所示，無線基站設備流程如圖3所示。

在數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)那闆r下，該設計中的移動定位節(jié)點與基站數(shù)據(jù)交互傳輸過程如圖4所示，具體可分為4個步驟：

(1)基站設備向移動定位節(jié)點發(fā)送信標幀，同時基站開啟定時器，等待接收來自移動定位節(jié)點的數(shù)據(jù)幀。經(jīng)過一個由應用層決定的數(shù)據(jù)等待周期(稱為tdwd)后，定時器超時失效，其中等待周期的基本單位采用tsu。

(2)移動定位節(jié)點通過偵聽到的信標幀來獲取接收信號強度的值，進而計算出路徑損耗值。網(wǎng)絡中的移動定位節(jié)點使用經(jīng)過計算的發(fā)送功率向基站設備發(fā)送計步數(shù)據(jù)，同時開啟超時定時器進行計時，經(jīng)過一個預先設定的ack等待周期(稱為tawd)后，定時器超時失效，其中等待周期的基本單位采用tsu。

(3)在數(shù)據(jù)等待周期tdwd超時失效之前，如果基站設備應用層能接收到從移動定位節(jié)點發(fā)送過來的計步數(shù)據(jù)，代表通信成功，一個通信循環(huán)完成，同時關閉并清零數(shù)據(jù)等待周期定時器，基站設備向移動定位節(jié)點發(fā)送ack應答幀，該幀中包含相應節(jié)點的通信時隙安排信息。

(4)定位節(jié)點收到ack應答幀后，關閉并清零ack等待周期定時器，記錄由基站設備安排的通信時隙，重新計步。在下一個應答幀之前，按現(xiàn)有時隙規(guī)則安排通信、睡眠和接入時刻。

當數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)錯誤時，主要有以下兩種情況：

(1)丟失計步數(shù)據(jù)幀。如果基站的數(shù)據(jù)等待周期定時器在超時失效之前仍沒有收到計步數(shù)據(jù)幀，表示本次數(shù)據(jù)傳輸失敗。此時，為了通知移動節(jié)點通信狀態(tài)，基站設備下發(fā)帶有時隙安排的應答幀，如果在超時計時器溢出之前接收到了該幀，移動定位節(jié)點關閉并清零ack等待周期定時器，并記錄下由基站設備安排的時隙信息。這種情況下，移動定位節(jié)點不清零計步數(shù)據(jù)，在收到重新安排通信時隙命令之前，一直按現(xiàn)有時隙規(guī)則安排通信、睡眠和接入時刻。

(2)丟失應答幀。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，無論是否接收到計步數(shù)據(jù)幀，都會下發(fā)ack/nack應答幀，每個移動定位節(jié)點內部都有一個ack等待周期定時器用來對數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程計時，假如該計時器超時之前未收到ack/nack應答幀，則說明本次通信未成功。這種情況下，移動定位節(jié)點不清零計步數(shù)據(jù)，在收到重新安排通信時隙命令之前，一直按現(xiàn)有時隙規(guī)則安排通信、睡眠和接入時刻。

應當理解的是，以上的一般描述和細節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本發(fā)明。