摘 要:綜合分析了無線傳感器網(wǎng)絡在煤礦井下的研究發(fā)展現(xiàn)狀,對無線傳感器網(wǎng)絡在井下應用的關(guān)鍵問題作了探討。搭建了無線傳感器網(wǎng)絡性能分析平臺,設(shè)計了3種典型的帶狀井下無線傳感器網(wǎng)絡仿真場景。仿真結(jié)果證明了改進的有效性與必要性。
關(guān)鍵詞: 無線傳感器網(wǎng)絡; 礦井; IEEE 802.15.4
煤礦井下是一個特殊的工作環(huán)境,有易燃、易爆可燃性氣體和腐蝕性氣體,潮濕、淋水、礦塵大、電網(wǎng)電壓波動大、空間狹小、會發(fā)生冒頂和片幫事故,機電設(shè)備啟動頻繁、無線傳輸衰耗大等(在地面通信距離可達數(shù)十千米的對講機,在井下通信距離僅有百米)。礦井通信和礦井監(jiān)控與一般地面通信和工業(yè)監(jiān)控相比,具有電氣防爆、無線傳輸衰耗大、設(shè)備體積重量受限、無線電發(fā)射功率受限(本質(zhì)安全防爆要求)、抗干擾能力強、防護性能好、電源電壓波動適應能力強、抗故障能力強、服務半徑大(巷道長達10余千米)、信道容量大(全礦井綜合監(jiān)控與通信)等特點[1-2]。因此,礦山監(jiān)測監(jiān)控與網(wǎng)絡系統(tǒng)、礦井通信、礦山信息處理與傳輸?shù)确矫娑加龅皆S多與地面不同的問題,有許多理論問題和工程實際問題需要研究和解決。這就給通信與監(jiān)控技術(shù)的應用提出了新的課題。
1無線傳感器網(wǎng)絡在煤礦井下的研究發(fā)展現(xiàn)狀
目前礦井中無線傳感器網(wǎng)絡的研究還很少,大部分的研究都基于地面系統(tǒng)。參考文獻[3]探討了用于土壤中監(jiān)測的地下無線傳感器網(wǎng)絡WUSN(Wireless Underground Sensor Network),其中針對地下應用指出了其主要挑戰(zhàn)來自于信道特性,例如極端路徑丟失、反射/折射、多徑衰落等。但是該論文針對的是無線傳感器網(wǎng)絡在土壤中的情況,與礦井仍然有很大不同。參考文獻[4]提出在煤礦井下大巷中利用WSN實現(xiàn)煤礦工人的跟蹤定位及井下環(huán)境監(jiān)測。中國科技大學在國家發(fā)展改革委員會資助下立項研究“基于CNGI和WSN的礦山井下定位與應急聯(lián)動系統(tǒng)”,通過無線傳感網(wǎng)絡對每個礦工進行實時定位,期望實現(xiàn)與各種災害預警系統(tǒng)的聯(lián)動。2005年國家自然科學基金重點項目“煤礦瓦斯傳感技術(shù)和預警信息系統(tǒng)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”,擬將無線傳感網(wǎng)絡引入到煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的采集、處理和傳輸。總體來看,目前無線傳感器網(wǎng)絡在礦井中的應用仍處于起步階段,還有很多工作要做[5]。
2 IEEE 802.15.4標準介紹
隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展,人們提出了在人自身附近幾米范圍之內(nèi)通信的需求,這樣就出現(xiàn)了個人區(qū)域網(wǎng)絡和無線個人區(qū)域網(wǎng)絡的概念。1998年3月,IEEE 802.15工作組成立。這個工作組致力于無線個人區(qū)域網(wǎng)絡的物理層和媒體訪問層的標準化工作,目標是為在個人操作空間內(nèi)相互通信的無線通信設(shè)備提供通信標準[6]。在IEEE 802.15工作組內(nèi)有4個任務組,分別制定適合不同應用的標準。這些標準在傳輸速率、功耗和支持的服務等方面存在差異。
3無線傳感器網(wǎng)絡性能分析平臺和仿真場景
本文選用NS2來仿真無線傳感器網(wǎng)絡,而無線傳感器網(wǎng)絡實驗平臺GAINZ負責實測現(xiàn)實網(wǎng)絡的參數(shù),網(wǎng)絡模擬軟件 NS2根據(jù)GAINZ測得的參數(shù)構(gòu)建仿真模型與仿真環(huán)境,達到盡量逼近真實環(huán)境的效果。本文利用仿真平臺設(shè)計了3種典型的帶狀井下無線傳感器網(wǎng)絡仿真場景。
礦井下無線傳感器網(wǎng)絡的布置明顯迥異于地面上傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡的布置,因為礦井的地形環(huán)境與地面上不一樣。一般來說,礦井大巷的長度都在幾千米甚至幾十千米上下,而寬度僅有幾米到十幾米,井下的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點大都布置在平行巷道方向上,而在垂直方向上僅需要布置1~2個節(jié)點,因此,井下WSN網(wǎng)絡節(jié)點是一種帶狀分布、信息流量統(tǒng)計不均衡的網(wǎng)絡。本文根據(jù)網(wǎng)絡中節(jié)點的冗余度原則設(shè)計了3種典型的帶狀井下無線傳感器網(wǎng)絡仿真場景:Line型場景、Meshroof 型場景以及Meshchain 型場景。
3.1 Line 型場景
Line 型場景如圖1所示。無線節(jié)點的傳輸距離為D,平行巷道中相鄰節(jié)點的擺放距離不會超過D,但也不會小于D/2。該場景中節(jié)點的冗余度最低,每個節(jié)點的信息只能傳給傳播方向上的相鄰節(jié)點傳播至匯聚節(jié)點,一旦傳播方向上鏈路中某個無線節(jié)點失效,則失效節(jié)點后的鏈路信息不能上傳。例如圖1上的節(jié)點A的信息只能傳給節(jié)點B,一旦節(jié)點B失效,則節(jié)點A以后的鏈路信息都不能正常傳播至匯聚節(jié)點。
3.2 Meshroof 型場景
Meshroof 型場景如圖2所示。無線節(jié)點的傳輸距離為D,平行巷道中相鄰節(jié)點的擺放距離不會超過D,但也不會小于D/2。該場景中節(jié)點的冗余度為大于等于2,每個節(jié)點的信息至少可以傳給傳播方向上相鄰的2個節(jié)點中的任意一個至匯聚節(jié)點。在Meshroof 型場景中,即使傳播方向上的相鄰節(jié)點失效,只要不是傳播方向上的相鄰2個節(jié)點都失效,則失效節(jié)點后的鏈路信息依然能上傳。例如,圖2中的節(jié)點A的信息既可以傳給節(jié)點B,也可以傳給節(jié)點C,只要不是節(jié)點B與C同時失效,節(jié)點A以后的鏈路信息都能正常傳播至匯聚節(jié)點。
3.3 Meshchain 型場景
Meshchain型場景如圖3所示。無線節(jié)點的傳輸距離為D,平行巷道中相鄰節(jié)點的擺放距離不會超過D,但也不會小于D/2。該場景中節(jié)點的冗余度為大于等于3,每個節(jié)點的信息至少可以傳給傳播方向上相鄰的3個節(jié)點中的任意一個至匯聚節(jié)點。在Meshchain型場景中,即使傳播方向上的相鄰節(jié)點失效,只要不是傳播方向上的相鄰3個節(jié)點都失效,則失效節(jié)點后的鏈路信息依然能上傳。例如圖3中的節(jié)點A的信息可以傳給節(jié)點B,也可以傳給節(jié)點C與D,只要不是節(jié)點B、C、D同時失效,則節(jié)點A以后的鏈路信息都能正常傳播至匯聚節(jié)點。
4仿真實驗結(jié)果與討論
在上述設(shè)計的3種場景中,Meshchain場景的冗余度最高,網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)最復雜,Line場景的冗余度最低,網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)最簡單。本文將在這3種場景中,分別仿真不同節(jié)點數(shù)的情況下IEEE 802.15.4標準在礦井環(huán)境中的丟包率與平均延遲時間的變化。IEEE 802.15.4標準可以工作于信標使能方式或非信標使能方式,信標使能方式使用Slotted CSMA/CA模式,非信標使能方式使用Unslotted CSMA/CA模式,但Slotted CSMA/CA模式只適合于簡單星型拓撲網(wǎng)絡,擴展性非常差,不適合動則幾千米以上的礦井巷道,本文將只仿真使用非信標使能方式的IEEE 802.15.4標準在礦井下的效能。
4.1 平均延遲時間
實驗中假設(shè)其中傳輸介質(zhì)的傳輸延遲為0,所計算的延遲時間為封包從產(chǎn)生(有封包要被送出)到經(jīng)過MAC層之后,成功地送出這段時間。式(1)中Tr為封包產(chǎn)生的時間,Ts為成功送出的時間。如果途中有發(fā)生碰撞的話則會因為MAC層中的碰撞算法而延遲發(fā)送,而造成大量的時間延遲。
延遲時間=Ts-Tr (1)
在本次仿真實驗中,比較了在3種場景中礦井內(nèi)所有節(jié)點靜止的情況下,相同的設(shè)備數(shù)量下的平均延遲時間。提供給網(wǎng)絡的Traffic interval分別從0.01 s一直到1 s,并且節(jié)點數(shù)為80,對網(wǎng)絡整體的平均延遲時間做觀察。實驗結(jié)果如圖4所示。
圖4顯示了節(jié)點數(shù)相同的情況下,3種場景下平均延遲時間的比較,可以看到Meshchain場景、Meshroof場景、Line場景的平均延遲時間依次減小,這主要是因為Meshchain場景的冗余度最大、節(jié)點擺放密集,所以節(jié)點之間發(fā)生碰撞的幾率非常大,根據(jù)IEEE802.15.4標準的CSMA/CA算法,當節(jié)點之間發(fā)生碰撞時,數(shù)據(jù)包的傳輸需要向后退避隨機長度的時間段,因此,在該場景下,數(shù)據(jù)包的傳輸延遲由于碰撞引起的隨機退避而增大。而Meshroof場景與Line 場景的冗余度依次減小,所以節(jié)點發(fā)生碰撞的概率依次減小,隨機退避的時間也比較少,因此平均延遲時間也依次減小。
4.2 丟包率
丟包率是指在所有發(fā)送出去的封包中,因為鏈路等原因封包丟失的幾率。式(2)中Sfailure為所有傳送的封包丟失的個數(shù),Sall為網(wǎng)絡中所有包的個數(shù),Ssuccess為所有成功發(fā)送的包的個數(shù)。
在礦井內(nèi)所有節(jié)點靜止的情況下,對3種場景中相同的節(jié)點數(shù)量下的丟包率作比較。提供給網(wǎng)絡的Traffic interval分別從0.01 s一直到1 s,節(jié)點數(shù)量為80,對網(wǎng)絡整體的丟包率做觀察。實驗結(jié)果見圖5所示。
在仿真實驗結(jié)果中,可以看到IEEE 802.15.4標準在礦井下的丟包率在3種場景中隨著Traffic interval的增大而減小,在0.01~0.1之間丟包率隨著Traffic interval增大而減小的幅度比較陡,而0.1之后丟包率隨著Traffic interval增大而減小的幅度非常緩,這主要是因為仿真環(huán)境中數(shù)據(jù)包的長度是70 B,而傳輸速度是250 kb/s,則傳輸時間為2.24 ms,Traffic interval在0.01~0.1之間,由于Traffic interval只稍大于傳輸時間,大量節(jié)點在一個Traffic interval中同時傳輸而產(chǎn)生碰撞丟包的幾率比較大,此時隨著Traffic interval的增大而引起的丟包率明顯下降。
5 IEEE 802.15.4的部分改進
從上面的仿真結(jié)果可以看出,非信標使能方式的IEEE 802.15.4標準MAC協(xié)議在井下的性能還可以,但丟包率非常高,因此,IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議在井下應用首先需要解決可靠性的問題。IEEE802.15.4 MAC協(xié)議可靠性低的原因主要是由于丟包率過高,根據(jù)仿真節(jié)討論結(jié)果,丟包率較高這主要是因為隱藏終端問題比較突出,為了將IEEE802.15.4應用到環(huán)境惡劣的井下,筆者在原協(xié)議的基礎(chǔ)上添加RTS/CTS機制來解決隱藏終端問題,提高傳輸?shù)目煽啃浴TS/CTS機制是指:首先,A向B發(fā)送RTS信號,表明A要向B發(fā)送若干數(shù)據(jù),B收到RTS后,向所有無線節(jié)點發(fā)出CTS信號,表明已準備就緒,A可以發(fā)送,其余基站暫時“按兵不動”,然后,A向B發(fā)送數(shù)據(jù),最后,B接收完數(shù)據(jù)后,即向所有基站廣播ACK確認幀,這樣,所有基站又重新可以平等偵聽、競爭信道了。圖6為添加了RTS/CTS機制后802.15.4 MAC協(xié)議在井下的丟包率對比。
從圖6明顯可以看出添加了RTS/CTS機制后,網(wǎng)絡的丟包率下降了許多。因此,在原有IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上添加RTS/CTS機制可以有效地解決丟包率過高的問題。
為了在井下實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡,本文綜合分析了無線傳感器網(wǎng)絡在煤礦井下的研究發(fā)展現(xiàn)狀,由于IEEE802.15.4是重要的無線傳感器網(wǎng)絡國際標準,為了分析IEEE802.15.4標準MAC協(xié)議在井下的性能,構(gòu)建了無線傳感器網(wǎng)絡性能分析平臺,設(shè)計了3種典型的帶狀井下無線傳感器網(wǎng)絡仿真場景,對平均延遲時間和丟包率做了仿真和比較,給出了仿真實驗結(jié)果的討論,并根據(jù)討論結(jié)果對IEEE 802.15.4標準MAC協(xié)議作了改進,并將改進后的協(xié)議仿真結(jié)果與原仿真結(jié)果比較,證明了改進的有效性與必要性。
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