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,，設(shè)計了3種典型的帶狀井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真場景,。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(dá)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(hù)性能好,、電源電壓波動適應(yīng)能力強,、抗故障能力強,、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[1-2]。因此,，礦山監(jiān)測監(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)測的地下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WUSN（Wireless Underground Sensor Network）,，其中針對地下應(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(xué)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(yīng)急聯(lián)動系統(tǒng)”,，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)對每個礦工進(jìn)行實時定位,，期望實現(xiàn)與各種災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的聯(lián)動。2005年國家自然科學(xué)基金重點項目“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)了個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的概念,。1998年3月，IEEE 802.15工作組成立,。這個工作組致力于無線個人區(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)性能分析平臺和仿真場景
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)實驗平臺GAINZ負(fù)責(zé)實測現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)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(dá)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(luò)仿真場景。
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(luò)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(luò)節(jié)點是一種帶狀分布,、信息流量統(tǒng)計不均衡的網(wǎng)絡(luò)。本文根據(jù)網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)結(jié)構(gòu)最復(fù)雜,，Line場景的冗余度最低，網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)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(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模式只適合于簡單星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò),，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(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(luò)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(luò)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(biāo)準(zhǔn)的CSMA/CA算法,，當(dāng)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(luò)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(luò)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(luò)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(biāo)準(zhǔn)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(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為隱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機制來解決隱藏終端問題,，提高傳輸?shù)目煽啃?。RTS/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(zhǔn)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(rèn)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(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(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，設(shè)計了3種典型的帶狀井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(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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