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1礦井分布式通信技術應用要求與設計原則

（1）支持與集中式調(diào)度通信的無縫集成。通過調(diào)度通信中心節(jié)點給終端節(jié)點提供信令與媒體交換等核心功能，集中式調(diào)度通信控制方式可有效保障對井下通信網(wǎng)絡的集中監(jiān)控與調(diào)度指揮，因此礦用通信網(wǎng)絡正常運行情況下應采用集中式調(diào)度通信控制方式，井下分布式P2P通信方式應與集中式調(diào)度通信方式相協(xié)調(diào)。

（2）支持分布式P2P方式實現(xiàn)全雙工呼叫與多媒體通信。終端節(jié)點間通過分布式通信完成原由中心節(jié)點提供的呼叫尋址功能，且仍可通過P2P網(wǎng)絡進行SIP信令全雙工并行呼叫，以及包括數(shù)據(jù)、語音、圖像在內(nèi)的多媒體通信。

（3）支持分布式通信大網(wǎng)下的多個小網(wǎng)劃分與通信。終端節(jié)點在分布式P2P網(wǎng)絡內(nèi)仍具有完備的SIP通信交互與控制能力，并支持分布式P2P通信大網(wǎng)中多個小網(wǎng)的定義與通信控制，實現(xiàn)既能全網(wǎng)呼叫也可限制在小網(wǎng)中呼叫。

（4）提供井下局部通信與應急通信手段。通過各終端節(jié)點間自協(xié)商與處理，網(wǎng)絡中的呼叫尋址與信令流程可以完全不依賴于某個中心或特定節(jié)點進行交互，且終端節(jié)點數(shù)量不受限制，以便為井下局部通信、應急救災通信聯(lián)絡提供新技術手段。

2礦井分布式通信設計

2．1礦井分布式通信技術選型

目前分布式通信技術有集中式、全分布式、混合式和結構化4種網(wǎng)絡模型：

（1）集中式P2P網(wǎng)絡需要1個中心目錄服務器負責記錄共享信息以及回答對這些信息的查詢，只要關閉目錄服務器，交換就停止，生命力十分脆弱。

（2）全分布式P2P網(wǎng)絡中不存在中央服務器，所有的服務及其相關信息完全散布于各P2P節(jié)點中，其最顯著的特點就是完全去中心化，采用了隨機圖的組織方式來形成一個松散的網(wǎng)絡。

（3）混合式P2P網(wǎng)絡由多個簇構成，每個簇由1個超級節(jié)點所代表，不同簇之間通過分布式P2P網(wǎng)絡將超級節(jié)點連接起來，但超級節(jié)點本身的脆弱性可能導致其簇內(nèi)的節(jié)點處于孤立狀態(tài)。

（4）結構化P2P網(wǎng)絡具有自組織和負載均衡等特點，通過采用DHT（DistributedHashTable，分布式哈希表）算法，網(wǎng)絡中各節(jié)點并不需要維護整個網(wǎng)絡的信息，只在節(jié)點中存儲其鄰近的后繼節(jié)點信息，輸入的信息將通過分布式哈希函數(shù)唯一地映射到某個節(jié)點上，然后通過一些特定的路由算法和該節(jié)點建立連接。目前基于DHT的結構化P2P網(wǎng)絡有Chord，Pastry，CAN，Kademlia等模型。煤礦井下通信網(wǎng)絡是一個區(qū)域較大的局域網(wǎng)絡，可利用組播或廣播模式進行發(fā)現(xiàn)和尋址，從而充分發(fā)揮全分布式P2P網(wǎng)絡模型的優(yōu)勢而規(guī)避其在廣域網(wǎng)環(huán)境下網(wǎng)絡直徑不可控的劣勢。SIP信令協(xié)議具有控制靈活、可擴展性強、支持分布式等特點，能將蜂窩系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)應用領域融合在一起，被定義為第三代移動通信系統(tǒng)用以提供IP多媒體服務的信令協(xié)議，是下一代網(wǎng)絡的核心協(xié)議之一。SIP協(xié)議的開放性及針對煤礦行業(yè)專網(wǎng)應用的可擴展性已得到實際驗證［10］。本文基于SIP信令協(xié)議和全分布式P2P技術來設計適合煤礦井下應用的分布式P2P通信業(yè)務功能。采用IP通信主流信令SIP協(xié)議與多媒體傳輸格式，可實現(xiàn)與現(xiàn)有礦用CDMA、WLAN、以太網(wǎng)及DSL、PDH等有線／無線傳輸方式的調(diào)度通信系統(tǒng)的無縫集成。終端節(jié)點的SIP通信協(xié)議針對終端節(jié)點間的全分布式P2P網(wǎng)絡模型做必要擴展與支持，使得出現(xiàn)突發(fā)事件導致集中式IP通信系統(tǒng)中心節(jié)點單點失效或IP通信網(wǎng)絡僅局部有效時，終端節(jié)點間可不依賴任何超級節(jié)點或特定節(jié)點實現(xiàn)井下全分布式P2P通信。

2．2礦井分布式通信流程設計

井下SIP終端節(jié)點發(fā)起呼叫時，在中心節(jié)點有效情況下，其呼叫信令流程應保持與原集中式調(diào)度通信信令流程一致；在集中式調(diào)度通信失效情況下，能自動應用全分布式P2P網(wǎng)絡模型發(fā)現(xiàn)并尋址被叫節(jié)點，尋址到被叫節(jié)點后，利用SIP信令流程向被叫節(jié)點發(fā)起端到端的多媒體呼叫與通信。終端節(jié)點間分布式呼叫和通信信令流程如圖1所示。各終端節(jié)點仍按SIPREGISTER信令流程周期性向通信服務中心節(jié)點S注冊，當用戶號碼為Alice的終端節(jié)點A撥號呼叫用戶號碼為Bob的終端節(jié)點B時，無論終端節(jié)點A是否向中心節(jié)點S注冊成功，終端節(jié)點A首先向中心節(jié)點S發(fā)起INVITE信令消息，若限定時間T1內(nèi)未收到中心節(jié)點S的任何回應，終端節(jié)點A發(fā)起一個P2P請求（Request＿P2P），詢問Bob的節(jié)點地址信息。若終端節(jié)點B可達，并且終端節(jié)點A在限定時間T2內(nèi)收到終端節(jié)點B的P2P響應（Response＿P2P）消息，則終端節(jié)點A將以響應消息中告知的節(jié)點地址信息重新發(fā)起呼叫Bob的INVITE信令消息，后續(xù)呼叫流程即為標準的SIP協(xié)議端到端語音或音視頻多媒體通信過程。

3實現(xiàn)與驗證

3．1技術實現(xiàn)

筆者團隊開發(fā)的有線多媒體終端、無線多媒體終端以及無線語音終端、信息化礦燈已實現(xiàn)了基于SIP協(xié)議與標準語音編碼的呼叫通信功能。其中有線多媒體終端與無線多媒體終端基于ARMCortex－A8平臺，無線語音終端與信息化礦燈基于ARM9平臺。對該2種平臺的通信業(yè)務軟件進行二次開發(fā)，基本實現(xiàn)了分布式通信功能。

3．2測試驗證

針對礦井分布式通信技術的可行性及功能進行測試，調(diào)度通信服務器為SIP中心節(jié)點。環(huán)網(wǎng)接入器與通信基站、Mesh基站組成有線、無線IP分組傳輸交換網(wǎng)絡，支持IP單播、組播與廣播報文的高速傳輸與管理。有線多媒體終端、無線多媒體終端、信息化礦燈與無線語音終端為實現(xiàn)了分布式P2P通信技術的SIP終端節(jié)點。分類測試結果如下：

（1）中心節(jié)點服務在線、傳輸網(wǎng)絡連接正常情況下，終端節(jié)點間的呼叫與通信都經(jīng)過中心節(jié)點進行信令與媒體的，呼叫建立延時在1s內(nèi)，終端節(jié)點間通信正常，中心節(jié)點的各種調(diào)度功能正常。

（2）中心節(jié)點服務斷線或傳輸網(wǎng)絡局部有效情況下，網(wǎng)絡可達的終端節(jié)點間可建立呼叫并正常通信，多媒體終端之間可以音視頻通信。終端節(jié)點間的呼叫建立延時2～3s，原因是目前主叫節(jié)點始終先嘗試向中心節(jié)點呼叫，呼叫失敗后再發(fā)起分布式尋址及呼叫。

（3）中心節(jié)點服務斷線，配置終端節(jié)點以組播方式分布式尋址，配置不同組播組的終端節(jié)點之間即使網(wǎng)絡可達也不能建立呼叫，配置相同組播組且網(wǎng)絡可達的終端節(jié)點之間可以建立呼叫并通信。

（4）中心節(jié)點服務斷線，配置終端節(jié)點以廣播方式分布式尋址，網(wǎng)絡可達的終端節(jié)點之間可以建立呼叫并通信。

4結語

基于SIP協(xié)議與全分布式P2P技術設計并實現(xiàn)的井下分布式P2P通信方案，能夠滿足分布式通信技術應用到礦井通信環(huán)境中的技術要求，是一種較好的井下終端脫網(wǎng)通信方案，為目前井下通信技術與裝備應急通信能力薄弱的問題提供了一種解決方法，在井下通信聯(lián)絡、應急調(diào)度、區(qū)域通信以及救災通信聯(lián)絡應用場合有較好的工程實用價值。

作者:顧俊李正東包建軍顧義東單位:天地（常州）自動化股份有限公司