矿井分布式通信技术论文

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1矿井分布式通信技术应用要求与设计原则

（1）支持与集中式调度通信的无缝集成。通过调度通信中心节点给终端节点提供信令与媒体交换等核心功能，集中式调度通信控制方式可有效保障对井下通信网络的集中监控与调度指挥，因此矿用通信网络正常运行情况下应采用集中式调度通信控制方式，井下分布式P2P通信方式应与集中式调度通信方式相协调。

（2）支持分布式P2P方式实现全双工呼叫与多媒体通信。终端节点间通过分布式通信完成原由中心节点提供的呼叫寻址功能，且仍可通过P2P网络进行SIP信令全双工并行呼叫，以及包括数据、语音、图像在内的多媒体通信。

（3）支持分布式通信大网下的多个小网划分与通信。终端节点在分布式P2P网络内仍具有完备的SIP通信交互与控制能力，并支持分布式P2P通信大网中多个小网的定义与通信控制，实现既能全网呼叫也可限制在小网中呼叫。

（4）提供井下局部通信与应急通信手段。通过各终端节点间自协商与处理，网络中的呼叫寻址与信令流程可以完全不依赖于某个中心或特定节点进行交互，且终端节点数量不受限制，以便为井下局部通信、应急救灾通信联络提供新技术手段。

2矿井分布式通信设计

2．1矿井分布式通信技术选型

目前分布式通信技术有集中式、全分布式、混合式和结构化4种网络模型：

（1）集中式P2P网络需要1个中心目录服务器负责记录共享信息以及回答对这些信息的查询，只要关闭目录服务器，交换就停止，生命力十分脆弱。

（2）全分布式P2P网络中不存在中央服务器，所有的服务及其相关信息完全散布于各P2P节点中，其最显著的特点就是完全去中心化，采用了随机图的组织方式来形成一个松散的网络。

（3）混合式P2P网络由多个簇构成，每个簇由1个超级节点所代表，不同簇之间通过分布式P2P网络将超级节点连接起来，但超级节点本身的脆弱性可能导致其簇内的节点处于孤立状态。

（4）结构化P2P网络具有自组织和负载均衡等特点，通过采用DHT（DistributedHashTable，分布式哈希表）算法，网络中各节点并不需要维护整个网络的信息，只在节点中存储其邻近的后继节点信息，输入的信息将通过分布式哈希函数唯一地映射到某个节点上，然后通过一些特定的路由算法和该节点建立连接。目前基于DHT的结构化P2P网络有Chord，Pastry，CAN，Kademlia等模型。煤矿井下通信网络是一个区域较大的局域网络，可利用组播或广播模式进行发现和寻址，从而充分发挥全分布式P2P网络模型的优势而规避其在广域网环境下网络直径不可控的劣势。SIP信令协议具有控制灵活、可扩展性强、支持分布式等特点，能将蜂窝系统和互联网应用领域融合在一起，被定义为第三代移动通信系统用以提供IP多媒体服务的信令协议，是下一代网络的核心协议之一。SIP协议的开放性及针对煤矿行业专网应用的可扩展性已得到实际验证［10］。本文基于SIP信令协议和全分布式P2P技术来设计适合煤矿井下应用的分布式P2P通信业务功能。采用IP通信主流信令SIP协议与多媒体传输格式，可实现与现有矿用CDMA、WLAN、以太网及DSL、PDH等有线／无线传输方式的调度通信系统的无缝集成。终端节点的SIP通信协议针对终端节点间的全分布式P2P网络模型做必要扩展与支持，使得出现突发事件导致集中式IP通信系统中心节点单点失效或IP通信网络仅局部有效时，终端节点间可不依赖任何超级节点或特定节点实现井下全分布式P2P通信。

2．2矿井分布式通信流程设计

井下SIP终端节点发起呼叫时，在中心节点有效情况下，其呼叫信令流程应保持与原集中式调度通信信令流程一致；在集中式调度通信失效情况下，能自动应用全分布式P2P网络模型发现并寻址被叫节点，寻址到被叫节点后，利用SIP信令流程向被叫节点发起端到端的多媒体呼叫与通信。终端节点间分布式呼叫和通信信令流程如图1所示。各终端节点仍按SIPREGISTER信令流程周期性向通信服务中心节点S注册，当用户号码为Alice的终端节点A拨号呼叫用户号码为Bob的终端节点B时，无论终端节点A是否向中心节点S注册成功，终端节点A首先向中心节点S发起INVITE信令消息，若限定时间T1内未收到中心节点S的任何回应，终端节点A发起一个P2P请求（Request＿P2P），询问Bob的节点地址信息。若终端节点B可达，并且终端节点A在限定时间T2内收到终端节点B的P2P响应（Response＿P2P）消息，则终端节点A将以响应消息中告知的节点地址信息重新发起呼叫Bob的INVITE信令消息，后续呼叫流程即为标准的SIP协议端到端语音或音视频多媒体通信过程。

3实现与验证

3．1技术实现

笔者团队开发的有线多媒体终端、无线多媒体终端以及无线语音终端、信息化矿灯已实现了基于SIP协议与标准语音编码的呼叫通信功能。其中有线多媒体终端与无线多媒体终端基于ARMCortex－A8平台，无线语音终端与信息化矿灯基于ARM9平台。对该2种平台的通信业务软件进行二次开发，基本实现了分布式通信功能。

3．2测试验证

针对矿井分布式通信技术的可行性及功能进行测试，调度通信服务器为SIP中心节点。环网接入器与通信基站、Mesh基站组成有线、无线IP分组传输交换网络，支持IP单播、组播与广播报文的高速传输与管理。有线多媒体终端、无线多媒体终端、信息化矿灯与无线语音终端为实现了分布式P2P通信技术的SIP终端节点。分类测试结果如下：

（1）中心节点服务在线、传输网络连接正常情况下，终端节点间的呼叫与通信都经过中心节点进行信令与媒体的，呼叫建立延时在1s内，终端节点间通信正常，中心节点的各种调度功能正常。

（2）中心节点服务断线或传输网络局部有效情况下，网络可达的终端节点间可建立呼叫并正常通信，多媒体终端之间可以音视频通信。终端节点间的呼叫建立延时2～3s，原因是目前主叫节点始终先尝试向中心节点呼叫，呼叫失败后再发起分布式寻址及呼叫。

（3）中心节点服务断线，配置终端节点以组播方式分布式寻址，配置不同组播组的终端节点之间即使网络可达也不能建立呼叫，配置相同组播组且网络可达的终端节点之间可以建立呼叫并通信。

（4）中心节点服务断线，配置终端节点以广播方式分布式寻址，网络可达的终端节点之间可以建立呼叫并通信。

4结语

基于SIP协议与全分布式P2P技术设计并实现的井下分布式P2P通信方案，能够满足分布式通信技术应用到矿井通信环境中的技术要求，是一种较好的井下终端脱网通信方案，为目前井下通信技术与装备应急通信能力薄弱的问题提供了一种解决方法，在井下通信联络、应急调度、区域通信以及救灾通信联络应用场合有较好的工程实用价值。

作者:顾俊李正东包建军顾义东单位:天地（常州）自动化股份有限公司