摘 要：綜合分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦井下的研究發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在井下應(yīng)用的關(guān)鍵問題作了探討。搭建了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能分析平臺(tái)，設(shè)計(jì)了3種典型的帶狀井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景。仿真結(jié)果證明了改進(jìn)的有效性與必要性。
關(guān)鍵詞: 無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 礦井; IEEE 802.15.4
煤礦井下是一個(gè)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(dòng)大、空間狹小、會(huì)發(fā)生冒頂和片幫事故，機(jī)電設(shè)備啟動(dòng)頻繁、無線傳輸衰耗大等（在地面通信距離可達(dá)數(shù)十千米的對(duì)講機(jī)，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(qiáng)、防護(hù)性能好、電源電壓波動(dòng)適應(yīng)能力強(qiáng)、抗故障能力強(qiáng)、服務(wù)半徑大（巷道長達(dá)10余千米）、信道容量大（全礦井綜合監(jiān)控與通信）等特點(diǎn)[1-2]。因此，礦山監(jiān)測(cè)監(jiān)控與網(wǎng)絡(luò)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(shí)際問題需要研究和解決。這就給通信與監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用提出了新的課題。
1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)的研究還很少，大部分的研究都基于地面系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)[3]探討了用于土壤中監(jiān)測(cè)的地下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WUSN（Wireless Underground Sensor Network），其中針對(duì)地下應(yīng)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(duì)的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在土壤中的情況，與礦井仍然有很大不同。參考文獻(xiàn)[4]提出在煤礦井下大巷中利用WSN實(shí)現(xiàn)煤礦工人的跟蹤定位及井下環(huán)境監(jiān)測(cè)。中國科技大學(xué)在國家發(fā)展改革委員會(huì)資助下立項(xiàng)研究“基于CNGI和WSN的礦山井下定位與應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)”，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)每個(gè)礦工進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，期望實(shí)現(xiàn)與各種災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。2005年國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“煤礦瓦斯傳感技術(shù)和預(yù)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(luò)引入到煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的采集、處理和傳輸?？傮w來看，目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦井中的應(yīng)用仍處于起步階段，還有很多工作要做[5]。
2 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的概念。1998年3月，IEEE 802.15工作組成立。這個(gè)工作組致力于無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的物理層和媒體訪問層的標(biāo)準(zhǔn)化工作，目標(biāo)是為在個(gè)人操作空間內(nèi)相互通信的無線通信設(shè)備提供通信標(biāo)準(zhǔn)[6]。在IEEE 802.15工作組內(nèi)有4個(gè)任務(wù)組，分別制定適合不同應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)在傳輸速率、功耗和支持的服務(wù)等方面存在差異。
3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能分析平臺(tái)和仿真場(chǎng)景
本文選用NS2來仿真無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)GAINZ負(fù)責(zé)實(shí)測(cè)現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)模擬軟件 NS2根據(jù)GAINZ測(cè)得的參數(shù)構(gòu)建仿真模型與仿真環(huán)境，達(dá)到盡量逼近真實(shí)環(huán)境的效果。本文利用仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)了3種典型的帶狀井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景。
礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的布置明顯迥異于地面上傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的布置，因?yàn)榈V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(luò)節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)，因此，井下WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是一種帶狀分布、信息流量統(tǒng)計(jì)不均衡的網(wǎng)絡(luò)。本文根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的冗余度原則設(shè)計(jì)了3種典型的帶狀井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景：Line型場(chǎng)景、Meshroof 型場(chǎng)景以及Meshchain 型場(chǎng)景。
3.1 Line 型場(chǎng)景
Line 型場(chǎng)景如圖1所示。無線節(jié)點(diǎn)的傳輸距離為D，平行巷道中相鄰節(jié)點(diǎn)的擺放距離不會(huì)超過D，但也不會(huì)小于D/2。該場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)的冗余度最低，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息只能傳給傳播方向上的相鄰節(jié)點(diǎn)傳播至匯聚節(jié)點(diǎn)，一旦傳播方向上鏈路中某個(gè)無線節(jié)點(diǎn)失效，則失效節(jié)點(diǎn)后的鏈路信息不能上傳。例如圖1上的節(jié)點(diǎn)A的信息只能傳給節(jié)點(diǎn)B，一旦節(jié)點(diǎn)B失效，則節(jié)點(diǎn)A以后的鏈路信息都不能正常傳播至匯聚節(jié)點(diǎn)。
3.2 Meshroof 型場(chǎng)景
Meshroof 型場(chǎng)景如圖2所示。無線節(jié)點(diǎn)的傳輸距離為D，平行巷道中相鄰節(jié)點(diǎn)的擺放距離不會(huì)超過D，但也不會(huì)小于D/2。該場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)的冗余度為大于等于2，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息至少可以傳給傳播方向上相鄰的2個(gè)節(jié)點(diǎn)中的任意一個(gè)至匯聚節(jié)點(diǎn)。在Meshroof 型場(chǎng)景中，即使傳播方向上的相鄰節(jié)點(diǎn)失效，只要不是傳播方向上的相鄰2個(gè)節(jié)點(diǎn)都失效，則失效節(jié)點(diǎn)后的鏈路信息依然能上傳。例如，圖2中的節(jié)點(diǎn)A的信息既可以傳給節(jié)點(diǎn)B，也可以傳給節(jié)點(diǎn)C，只要不是節(jié)點(diǎn)B與C同時(shí)失效，節(jié)點(diǎn)A以后的鏈路信息都能正常傳播至匯聚節(jié)點(diǎn)。
3.3 Meshchain 型場(chǎng)景
Meshchain型場(chǎng)景如圖3所示。無線節(jié)點(diǎn)的傳輸距離為D，平行巷道中相鄰節(jié)點(diǎn)的擺放距離不會(huì)超過D，但也不會(huì)小于D/2。該場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)的冗余度為大于等于3，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息至少可以傳給傳播方向上相鄰的3個(gè)節(jié)點(diǎn)中的任意一個(gè)至匯聚節(jié)點(diǎn)。在Meshchain型場(chǎng)景中，即使傳播方向上的相鄰節(jié)點(diǎn)失效，只要不是傳播方向上的相鄰3個(gè)節(jié)點(diǎn)都失效，則失效節(jié)點(diǎn)后的鏈路信息依然能上傳。例如圖3中的節(jié)點(diǎn)A的信息可以傳給節(jié)點(diǎn)B，也可以傳給節(jié)點(diǎn)C與D，只要不是節(jié)點(diǎn)B、C、D同時(shí)失效，則節(jié)點(diǎn)A以后的鏈路信息都能正常傳播至匯聚節(jié)點(diǎn)。
4仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
在上述設(shè)計(jì)的3種場(chǎng)景中，Meshchain場(chǎng)景的冗余度最高，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，Line場(chǎng)景的冗余度最低，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。本文將在這3種場(chǎng)景中，分別仿真不同節(jié)點(diǎn)數(shù)的情況下IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)在礦井環(huán)境中的丟包率與平均延遲時(shí)間的變化。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)可以工作于信標(biāo)使能方式或非信標(biāo)使能方式，信標(biāo)使能方式使用Slotted CSMA/CA模式，非信標(biāo)使能方式使用Unslotted CSMA/CA模式，但Slotted CSMA/CA模式只適合于簡(jiǎn)單星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)展性非常差，不適合動(dòng)則幾千米以上的礦井巷道，本文將只仿真使用非信標(biāo)使能方式的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)在礦井下的效能。
4.1 平均延遲時(shí)間
實(shí)驗(yàn)中假設(shè)其中傳輸介質(zhì)的傳輸延遲為0，所計(jì)算的延遲時(shí)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(shí)間。式（1）中Tr為封包產(chǎn)生的時(shí)間，Ts為成功送出的時(shí)間。如果途中有發(fā)生碰撞的話則會(huì)因?yàn)镸AC層中的碰撞算法而延遲發(fā)送，而造成大量的時(shí)間延遲。
延遲時(shí)間=Ts-Tr (1)
在本次仿真實(shí)驗(yàn)中，比較了在3種場(chǎng)景中礦井內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)靜止的情況下，相同的設(shè)備數(shù)量下的平均延遲時(shí)間。提供給網(wǎng)絡(luò)的Traffic interval分別從0.01 s一直到1 s，并且節(jié)點(diǎn)數(shù)為80，對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體的平均延遲時(shí)間做觀察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。
圖4顯示了節(jié)點(diǎn)數(shù)相同的情況下，3種場(chǎng)景下平均延遲時(shí)間的比較，可以看到Meshchain場(chǎng)景、Meshroof場(chǎng)景、Line場(chǎng)景的平均延遲時(shí)間依次減小，這主要是因?yàn)镸eshchain場(chǎng)景的冗余度最大、節(jié)點(diǎn)擺放密集，所以節(jié)點(diǎn)之間發(fā)生碰撞的幾率非常大，根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的CSMA/CA算法，當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間發(fā)生碰撞時(shí)，數(shù)據(jù)包的傳輸需要向后退避隨機(jī)長度的時(shí)間段，因此，在該場(chǎng)景下，數(shù)據(jù)包的傳輸延遲由于碰撞引起的隨機(jī)退避而增大。而Meshroof場(chǎng)景與Line 場(chǎng)景的冗余度依次減小，所以節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞的概率依次減小，隨機(jī)退避的時(shí)間也比較少，因此平均延遲時(shí)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?yàn)殒溌返仍蚍獍鼇G失的幾率。式（2）中Sfailure為所有傳送的封包丟失的個(gè)數(shù)，Sall為網(wǎng)絡(luò)中所有包的個(gè)數(shù)，Ssuccess為所有成功發(fā)送的包的個(gè)數(shù)。
在礦井內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)靜止的情況下，對(duì)3種場(chǎng)景中相同的節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的丟包率作比較。提供給網(wǎng)絡(luò)的Traffic interval分別從0.01 s一直到1 s，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為80，對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體的丟包率做觀察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5所示。
在仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，可以看到IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)在礦井下的丟包率在3種場(chǎng)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?yàn)榉抡姝h(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(shí)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(shí)間，大量節(jié)點(diǎn)在一個(gè)Traffic interval中同時(shí)傳輸而產(chǎn)生碰撞丟包的幾率比較大，此時(shí)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(jìn)
從上面的仿真結(jié)果可以看出，非信標(biāo)使能方式的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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?yàn)殡[藏終端問題比較突出，為了將IEEE802.15.4應(yīng)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(jī)制來解決隱藏終端問題，提高傳輸?shù)目煽啃?。RTS/CTS機(jī)制是指：首先，A向B發(fā)送RTS信號(hào)，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(diǎn)發(fā)出CTS信號(hào)，表明已準(zhǔn)備就緒，A可以發(fā)送，其余基站暫時(shí)“按兵不動(dòng)”，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(rèn)幀，這樣，所有基站又重新可以平等偵聽、競(jìng)爭(zhēng)信道了。圖6為添加了RTS/CTS機(jī)制后802.15.4 MAC協(xié)議在井下的丟包率對(duì)比。
從圖6明顯可以看出添加了RTS/CTS機(jī)制后，網(wǎng)絡(luò)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(jī)制可以有效地解決丟包率過高的問題。
為了在井下實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，本文綜合分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)，為了分析IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)MAC協(xié)議在井下的性能，構(gòu)建了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能分析平臺(tái)，設(shè)計(jì)了3種典型的帶狀井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景，對(duì)平均延遲時(shí)間和丟包率做了仿真和比較，給出了仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論，并根據(jù)討論結(jié)果對(duì)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)MAC協(xié)議作了改進(jìn)，并將改進(jìn)后的協(xié)議仿真結(jié)果與原仿真結(jié)果比較，證明了改進(jìn)的有效性與必要性。
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