專利名稱：在礦井或油氣田中利用光進行通信的方法及光通信系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及通訊技術領域，特別是涉及ー種在礦井或油田中利用光進行通信的方法及光通信系統。
背景技術：
近年來，隨著經濟的快速增長，我國能源事業也蒸蒸日上，走入了一條高投入、高效率、高產出的經濟發展道路。然而，在煤礦與油氣田等場合，安全生產卻依然形勢嚴峻，稍有不慎將會給國家和人民生命安財產安全造成了 重大損失，對環境安全構成了重大的威脅。現有技術中的礦用礦井以及油氣田應急通訊系統采用電纜傳輸信號，當出現礦井透水、瓦斯以及石油氣爆炸、瓦斯以及石油氣超標、塌陷等緊急情況時，通常會切斷電源，導致了意外停電和上述的緊急情況下，不能保障礦用礦井應急通訊系統的通暢。礦井以及油氣田通信有如下特點生產環境非常復雜、惡劣，坑道或管道縱橫交錯，覆蓋范圍大，通信受到礦井巷道結構、地質結構、管網以及罐體等生產設備強烈影響；礦井以及油氣田生產系統復雜，環節眾多，條件頻繁變化的采掘，以及運輸工作面的推進及隨時移動，給礦井以及油氣田通信帶來了很多未知挑戰；礦井以及油氣田生產區域空氣中石油氣、瓦斯和粉塵含量很高，容易發生爆炸；生產場合有腐蝕性原料，設備易受腐蝕。礦井以及油氣田通信研究主要是集中在固定隔爆電話、擴音電話等有線通信方式，以及動力線載波通信、低頻導引通信、泄露饋線通信、分布天線通信、UHF (Ultra HighFrequency，特高頻)頻段通等無線通信方式。現存的有線通信方式具有安全性高，通信質量好等特點，但是通信線路布控復雜，通信成本高，在礦井和油氣田生產安全事故吋，通信容易中斷。現有的礦井以及油氣田無線通信方式具有布控簡單，成本低廉等優點，但是無線發射容易引起生產事故，通信網絡在礦井以及油氣田事故中不具備自愈性，在礦井以及油氣田災難中難以針對用戶進行定位。由于礦井與油氣田的環境惡劣復雜，易腐蝕、不易管理，一旦事故發生，會破壞通信設備等多種因素，使這些通信方式在礦井的發展受到很大的限制。現有的各種通信系統各有利弊，但都缺乏靈活性，難以適應礦井以及油氣田復雜多變的環境，亟待ー種新的無線通信方式來改變現狀。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種在礦井或油田中利用光進行通信的方法及光通信系統，用以解決現有技術中特殊情況通信容易中斷、不具備自愈性的問題。為解決上述技術問題，一方面，本發明提供ー種光通信系統，所述系統包括基站設備和終端設備，所述基站設備和終端設備包括以下模塊通信模塊，用于對發射信息進行編碼、調制，得到發射信號；以及，用于對接收信號進行解調和解碼，得到發射信息；發光控制模塊，用于根據所述發射信號，控制發光設備發射光信號，所述光信號在傳輸線路中被空間復用；
光接收模塊，用于接收所述光信號，得到所述接收信號。進ー步，所述基站設備和終端設備還包括自組織模塊，用于在所述終端設備之間或終端設備與基站設備之間通信中斷吋，建立動態路由表；根據所述動態路由表構建最佳路由，通過該路由上的終端設備進行中繼傳輸，最后連接到目標終端設備，完成數據通信。進ー步，所述基站設備和終端設備還包括定位模塊，用于定時發送定位信號給相鄰的終端設備或基站設備，確定相鄰終端設備的位置。 進ー步，所述自組織模塊根據功率損耗最小或者信噪比最小的原則建立動態路由表。進ー步，所述定位模塊通過相鄰終端設備或基站設備的功率衰減和發射角度確定相鄰終端設備的位置。另ー方面，本發明還提供一種在礦井或油氣田中利用光進行通信的方法，所述方法包括對發射信息進行編碼、調制，得到發射信號；根據所述發射信號，控制發光設備發射光信號，所述光信號在傳輸線路中被空間復用；接收所述光信號，得到接收信號；對所述接收信號進行解調和解碼，得到所述發射信息。進ー步，所述方法還包括在所述終端設備之間或終端設備與基站設備之間通信中斷時，建立動態路由表；根據所述動態路由表構建最佳路由，通過該路由上的終端設備進行中繼傳輸，最后連接到目標終端設備，完成數據通信。進ー步，所述方法還包括定時發送定位信號給相鄰終端設備或基站設備，確定相鄰終端設備的位置。進ー步，根據功率損耗最小或者信噪比最小的原則建立動態路由表。進ー步，通過相鄰終端設備或基站設備的功率衰減和發射角度確定相鄰終端設備的位置。本發明有益效果如下本發明利用光來傳遞信息，一方面保證了礦井與油氣田的照明需求，另ー方面利用自由空間可見光進行信息傳輸，避免通信設備射頻器件在煤灰粉塵或油氣環境中引爆風險，在發生故障吋，具有自愈性和抗毀性。
圖I是本發明實施例中ー種光通信系統的結構示意圖；圖2是本發明實施例中又ー種光通信系統的結構示意圖；圖3是本發明實施例中一種在礦井或油氣田中利用光進行通信的方法的流程圖；圖4是本發明實施例中ー種光通信系統應用在礦井或油氣田中的結構示意圖。
具體實施例方式為了解決現有技術中特殊情況通信容易中斷、不具備自愈性的問題，本發明提供了一種在礦井或油田中利用光進行通信的方法及光通信系統，以下結合附圖以及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不限定本發明。本發明的總體設計思想是，利用可見光進行通信；具體原理是在可見光的頻率范圍內，發射裝置將要發的信息(源信息)編碼和調制，通過控制可見光的關斷來傳遞信息，將信息發送給接收裝置，接收裝置對接收的光信號進行解調和解碼，獲取源信息。另外，也以及選擇不同顏色的可見光，結合控制可見光的關斷來傳遞信息，以增加通信帶寬。如圖I所示，本發明涉及一種光通信系統，包括基站設備101和終端設備102 ;基站設備101和終端設備102都同時具備發射光信號和接收光信號進行通信的功能；因此，基站設備101包括通信模塊1011、發光控制模塊1012和光接收模塊1013 ;終端設備102也包括通信模塊1021、發光控制模塊1022和光接收模塊1023，下面分別描述上述各模塊通信模塊，用于對發射信息進行編碼、調制，得到發射信號；以及，用于對接收信號進行解調和解碼，得到發射信息；發光控制模塊，用于根據發射信號，控制發光設備發射光信號，所述光信號在傳輸線路中被空間復用；光接收模塊，用于接收所述光信號，得到所述接收信號。基站設備101或終端設備102作為放射裝置(發信機)用于通信時，發射裝置包括多個發光設備，可進行可見光照明，也用于無線通信；發光控制模塊，用于根據調制器產生的N個發送信號，控制多個發光設備受控發光；調制器，用于以預定數目的維度對為各個載波產生的N個數據流進行調制，從而產生N個調制信號；編碼器可以針對信源數據流進行編碼。信源數據是語音、圖像和/或數據信息。編碼器和調制器屬于通信模塊。基站設備101或終端設備102作為接收裝置時，包括光接收設備，用于接收光，從而根據相應的接收強度與頻率輸出接收信號，所述光是從發射裝置的多個發光設備發出的、并且在傳輸線路中被空間復用的光信號；解調器，用于從接收的光信號中提取的每個調制信號進行解調；解碼器，針對解調器解調后的信號進行解碼，還原信源數據。解調器和解碼器屬于通信模塊。通信模塊，可以將是語音、圖像和/或數據信息進行編碼、調制，以及解碼、解調，通過收、發信機與基站設備或其他終端設備進行信息共享與傳遞。為達更佳技術效果，如圖2所示，本發明還涉及一種光通信系統，包括基站設備201和終端設備202 ;基站設備201和終端設備202都同時具備發射光信號和接收光信號進行通信的功能；因此，基站設備201包括通信模塊2011、發光控制模塊2012、光接收模塊2013、自組織模塊2014和定位模塊2015 ;終端設備202也包括通信模塊2021、發光控制模塊2022、光接收模塊2023、自組織模塊2024和定位模塊2025。其中，基站設備201和終端設備202中的通信模塊、發光控制模塊、光接收模塊在上述實施例中已經描述過，本實施例不在詳細描述。下面詳細描述自組織模塊和定位模塊，具體如下自組織模塊主要是用于在終端設備之間或終端設備與基站設備之間通信中斷時，建立動態路由表；根據動態路由表構建最佳路由，通過該路由上的終端設備進行中繼傳輸，最后連接到目標終端設備，完成數據通信。通常情況下，終端設備上的自組織模塊在基站設備缺位(無法與基站設備通信)情況下，要求其具有基站設備的無線接入和資源分配功能；可以完成和其他用戶設備之間的數據存儲轉發。可以在基站缺位時，以兩點之間功率損耗最小或者信噪比最小為原則建立起動態路由表，并及時地更新各個節點(終端設備或基站設備)的路由表信息。在面對突發情況時，已連接節點通信中斷情況下，可與其他節點自律組建網絡，保障通信的正常進行。定位模塊，定時主動發送信號給臨近的基站設備或終端設備，來確定終端設備的位置，可以及時掌握人員位置、行進方向，可靠性高，避免了方向誤判。上述實施例的光通信系統，應用于礦井或油氣田時，通過對礦井或油氣田的固定照明設備、礦燈、便攜式燈具、手持燈具進行改造，使其具備通信功能。礦井或油氣田的固定照明設備可以作為基站設備，基站設備與局域網相連接；礦燈、便攜式燈具以及手持燈具可以作為終端設備，終端設備可與基站設備進行通信，終端設備之間也具備通信的能力。這樣，就在礦井或油氣田等場合中自由空間內實現了通過可見光進行語音、圖像和/或數據 的傳輸通信，以及定位。如圖3所示，本發明還涉及一種通過上述實施例的光通信系統在礦井或油氣田中利用光進行通信的方法，包括步驟S301，對發射信息進行編碼、調制，得到發射信號；步驟S302，根據所述發射信號，控制發光設備發射光信號，所述光信號在傳輸線路中被空間復用；步驟S303，接收所述光信號，得到接收信號；步驟S304，對所述接收信號進行解調和解碼，得到所述發射信息。其中，該方法還包括在所述終端設備之間或終端設備與基站設備之間通信中斷時，建立動態路由表；根據所述動態路由表構建最佳路由，通過該路由上的終端設備進行中繼傳輸，最后連接到目標終端設備，完成數據通信。建立動態路由表是根據功率損耗最小或者信噪比最小的原則。其中，該方法還包括定時發送定位信號給相鄰終端設備或基站設備，通過相鄰終端設備或基站設備的功率衰減和發射角度，確定相鄰終端設備的位置。下面以一具體實施例，進行詳細說明如圖4所示，本發明實施例的礦井及油氣田用自由空間光通信系統(簡稱系統)包括提供包括發送裝置和接收裝置的可見光通信收發信機，可分為基站設備與終端設備。其中，礦井與油氣田的固定照明設備如井燈可以作為基站設備(如BS1、BS2、BS3、BS4等)，基站設備與局域網相連接；礦燈、便攜式燈具以及手持燈具可以作為終端設備(如UE1、UE2、UE3、UE4等)，終端設備可與基站設備進行通信，也具有與其他終端設備通信的能力。基站設備和終端設備都包含收信機和發信機。其中發射裝置(發信機)包括多個發光設備，可進行可見光照明，發光設備可以是發光二極管(LED，Light Emitting Diode)、激光二極管(LD, Laser Diode)或福射發光二極管(LID, Luminescent Diode),也可進行無線通信；發光控制模塊，用于根據調制器產生的N個發送信號使多個發光設備受控發光；調制器，用于以預定數目的維度對為各個載波產生的N個數據流進行調制，從而產生N個調制信號，調制方式可以是開關鍵控(00K, On-Off Keying)、可變脈沖空間位置調制(VPPM)、正交頻分復用(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing)或 DSSS (DirectSequence Spread Spectrum，直接序列擴頻);編碼器可以針對信源數據流進行編碼；編碼器和解碼器屬于通信模塊。接收裝置包括光接收器模塊，用于接收光，從而根據相應的接收強度與頻率輸出接收信號，可以是光電二極管、CCD器件(Charge-coupled Device,電荷稱合器件)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互補氧化金屬半導體)器件,光是從發射裝置的多個發光設備發出的并且在傳輸線路中被空間復用；解調器，用于對接收光信號提取的每個調制信號進行解調；以及解碼器，針對解調信號進行解碼還原信源內容。解調器和解碼器屬于通信模塊，通信模塊可以將語音、圖像以及數據信息進行編碼、調制、解調和解碼，通過收、發信機與基站設備或其他終端設備進行信息共享與傳遞。語音、圖像以及數據信息經過信源處理后，進入編碼器中進行信源編碼，經過調制器等通過發光設備進行發射。層映像模塊對發送數據進行分層轉換發給相應的光驅動電路。此處，層映像模塊數量是n，分別可以對應不同的空間復用層或者不同的載波。發光設備的數量N低于空間復用層的數量或者載波信號的數量n(n>N)。接收裝置將不同空間復位層或者載波信號通過光接收元件后，進行濾波放大，并進入檢測模塊檢測，然后解調解碼， 還原信源信號。另外，終端設備或基站設備還包括自組織模塊，終端設備在基站設備缺位情況下，要求其具有基站的無線接入和資源分配功能；可以完成和其他用戶設備之間的數據存儲轉發。根據礦井及油氣田環境利用現有照明設施可隨機布置一些可見光通信接入基站設備，這些基站設備的主要功能有與移動終端之間的通信，即完成移動終端的接入和尋呼功能；與其它移動終端設備通過存儲轉發，一起完成信息從源移動終端到目的移動終端的中繼傳輸。自組網的流程可以簡述如下每個有通信需求的移動終端可以在基站設備缺位時，以兩點之間功率損耗最小或者信噪比最小為原則建立起動態路由表，并及時地更新各個節點(移動終端或基站設備)的路由表信息，然后通過路由選擇算法構建最佳路由，通過該路由上的移動終端進行中繼傳輸，最后連接到目標移動終端，完成數據通信。由于采用多跳方式來進行數據傳輸，相鄰節點之間的功率損耗最小或者信噪比最小，故可以大大節省發射功率。同時，個別節點的中斷只會引起路由的重新選擇，而并不會引起網絡中斷，故其具有高度的自愈性和抗毀性。在面對突發情況時，已連接節點中斷情況下，可與其他節點可以自律組建網絡，保障通信的正常進行。終端設備或基站設備還包括定位模塊，采用了定位模塊定時主動發送信號給臨近的基站或路由節點，可以及時掌握人員位置、行進方向，可靠性高，避免了方向誤判。所述可見光網絡由定位節點、路由節點、接入節點組成。定位節點可以是附加在可見光通信網絡的基站設備，所述定位節點定時發送信息至路由節點，所述路由節點將信息路由至接入節點，所述光通信網絡的基站設備(接入節點)通過以太網網關與以太網相連，將接收到的信息通過以太網絡發送至中心定位系統。進一步的，兩個相鄰的定位節點通過終端的功率衰減和發射角度可以確定在線性通道(如坑道)中終端的具體位置，三個彼此相鄰定位節點可以通過此方法確定一個工作平面的位置信息。系統工作時，需要將定位節點附著在工作人員身上的移動終端設備上，將其位置信息通過可見光網絡送入地面上的數據接收解析模塊，最后借助GIS (Geographic Information System,地理信息系統)，技術將人員的位置信息在地圖上實時地標出。終端也可以攜帶地圖信息，可根據移動終端定位信息進行定位解析進行標注。由上述實施例可以看出，本發明通過改造礦井與油氣田的固定照明設備以及便攜式照明設備，使其作為礦井與油氣田的自由空間光通信設備，一方面保證了礦井與油氣田的照明需求，另一方面利用自由空間可見光進行信息傳輸，避免通信設備射頻器件在煤灰粉塵或油氣環境中引爆風險，又充分利用照明資源。此外，本發明還充分利用可見光傳輸帶 寬，降低數據傳輸速率的瓶頸；通過采用自組織模塊，使得網絡通信在基站設備缺位情況下依然能進行有效通信；本發明采用定位模塊，可以在復雜無電磁波環境下進行精確定位。盡管為示例目的，已經公開了本發明的優選實施例，本領域的技術人員將意識到各種改進、增加和取代也是可能的，因此，本發明的范圍應當不限于上述實施例。
權利要求
1.一種光通信系統，其特征在于，所述系統包括基站設備和終端設備，所述基站設備和終端設備包括以下模塊 通信模塊，用于對發射信息進行編碼、調制，得到發射信號；以及，用于對接收信號進行解調和解碼，得到發射信息； 發光控制模塊，用于根據所述發射信號，控制發光設備發射光信號，所述光信號在傳輸線路中被空間復用； 光接收模塊，用于接收所述光信號，得到所述接收信號。
2.如權利要求I所述的光通信系統，其特征在于，所述基站設備和終端設備還包括 自組織模塊，用于在所述終端設備之間或終端設備與基站設備之間通信中斷時，建立動態路由表；根據所述動態路由表構建最佳路由，通過該路由上的終端設備進行中繼傳輸，最后連接到目標終端設備，完成數據通信。
3.如權利要求I或2所述的光通信系統，其特征在于，所述基站設備和終端設備還包括 定位模塊，用于定時發送定位信號給相鄰的終端設備或基站設備，確定相鄰終端設備的位置。
4.如權利要求2所述的光通信系統，其特征在于，所述自組織模塊根據功率損耗最小或者信噪比最小的原則建立動態路由表。
5.如權利要求3所述的光通信系統，其特征在于，所述定位模塊通過相鄰終端設備或基站設備的功率衰減和發射角度確定相鄰終端設備的位置。
6.一種在礦井或油氣田中利用光進行通信的方法，其特征在于，所述方法包括 對發射信息進行編碼、調制，得到發射信號； 根據所述發射信號，控制發光設備發射光信號，所述光信號在傳輸線路中被空間復用； 接收所述光信號，得到接收信號； 對所述接收信號進行解調和解碼，得到所述發射信息。
7.如權利要求6所述的在礦井或油氣田中利用光進行通信的方法，其特征在于，所述方法還包括 在所述終端設備之間或終端設備與基站設備之間通信中斷時，建立動態路由表；根據所述動態路由表構建最佳路由，通過該路由上的終端設備進行中繼傳輸，最后連接到目標終端設備，完成數據通信。
8.如權利要求6或7所述的在礦井或油氣田中利用光進行通信的方法，其特征在于，所述方法還包括 定時發送定位信號給相鄰終端設備或基站設備，確定相鄰終端設備的位置。
9.如權利要求6所述的在礦井或油氣田中利用光進行通信的方法，其特征在于，根據功率損耗最小或者信噪比最小的原則建立動態路由表。
10.如權利要求7所述的在礦井或油氣田中利用光進行通信的方法，其特征在于，通過相鄰終端設備或基站設備的功率衰減和發射角度確定相鄰終端設備的位置。
全文摘要
本發明公開了一種在礦井或油田中利用光進行通信的方法及光通信系統，所述系統包括基站設備和終端設備，所述基站設備和終端設備包括以下模塊通信模塊，用于對發射信息進行編碼、調制，得到發射信號；以及，用于對接收信號進行解調和解碼，得到發射信息；發光控制模塊，用于根據所述發射信號，控制發光設備發射光信號，所述光信號在傳輸線路中被空間復用；光接收模塊，用于接收所述光信號，得到所述接收信號。本發明利用光來傳遞信息，一方面保證了礦井與油氣田的照明需求，另一方面利用自由空間可見光進行信息傳輸，避免通信設備射頻器件在煤灰粉塵或油氣環境中引爆風險，在發生故障時，具有自愈性和抗毀性。
文檔編號G08C23/04GK102708670SQ20121015393
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月17日 優先權日2012年5月17日
發明者禹忠 申請人:中興通訊股份有限公司