摘 要：綜合分析了無線傳感器網絡在煤礦井下的研究發展現狀，對無線傳感器網絡在井下應用的關鍵問題作了探討。搭建了無線傳感器網絡性能分析平臺，設計了3種典型的帶狀井下無線傳感器網絡仿真場景。仿真結果證明了改進的有效性與必要性。
關鍵詞: 無線傳感器網絡; 礦井; IEEE 802.15.4
煤礦井下是一個特殊的工作環境，有易燃、易爆可燃性氣體和腐蝕性氣體，潮濕、淋水、礦塵大、電網電壓波動大、空間狹小、會發生冒頂和片幫事故，機電設備啟動頻繁、無線傳輸衰耗大等（在地面通信距離可達數十千米的對講機，在井下通信距離僅有百米）。礦井通信和礦井監控與一般地面通信和工業監控相比，具有電氣防爆、無線傳輸衰耗大、設備體積重量受限、無線電發射功率受限（本質安全防爆要求）、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（全礦井綜合監控與通信）等特點[1-2]。因此，礦山監測監控與網絡系統、礦井通信、礦山信息處理與傳輸等方面都遇到許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。這就給通信與監控技術的應用提出了新的課題。
1無線傳感器網絡在煤礦井下的研究發展現狀
目前礦井中無線傳感器網絡的研究還很少，大部分的研究都基于地面系統。參考文獻[3]探討了用于土壤中監測的地下無線傳感器網絡WUSN（Wireless Underground Sensor Network），其中針對地下應用指出了其主要挑戰來自于信道特性，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實現煤礦工人的跟蹤定位及井下環境監測。中國科技大學在國家發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動系統”，通過無線傳感網絡對每個礦工進行實時定位，期望實現與各種災害預警系統的聯動。2005年國家自然科學基金重點項目“煤礦瓦斯傳感技術和預警信息系統基礎理論與關鍵技術研究”，擬將無線傳感網絡引入到煤礦安全監控系統，實現環境參數的采集、處理和傳輸。總體來看，目前無線傳感器網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
隨著通信技術的迅速發展，人們提出了在人自身附近幾米范圍之內通信的需求，這樣就出現了個人區域網絡和無線個人區域網絡的概念。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域網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相互通信的無線通信設備提供通信標準[6]。在IEEE 802.15工作組內有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絡，而無線傳感器網絡實驗平臺GAINZ負責實測現實網絡的參數，網絡模擬軟件 NS2根據GAINZ測得的參數構建仿真模型與仿真環境，達到盡量逼近真實環境的效果。本文利用仿真平臺設計了3種典型的帶狀井下無線傳感器網絡仿真場景。
礦井下無線傳感器網絡的布置明顯迥異于地面上傳統的無線傳感器網絡的布置，因為礦井的地形環境與地面上不一樣。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絡節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個節點，因此，井下WSN網絡節點是一種帶狀分布、信息流量統計不均衡的網絡。本文根據網絡中節點的冗余度原則設計了3種典型的帶狀井下無線傳感器網絡仿真場景：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。無線節點的傳輸距離為D，平行巷道中相鄰節點的擺放距離不會超過D，但也不會小于D/2。該場景中節點的冗余度最低，每個節點的信息只能傳給傳播方向上的相鄰節點傳播至匯聚節點，一旦傳播方向上鏈路中某個無線節點失效，則失效節點后的鏈路信息不能上傳。例如圖1上的節點A的信息只能傳給節點B，一旦節點B失效，則節點A以后的鏈路信息都不能正常傳播至匯聚節點。
3.2 Meshroof 型場景
Meshroof 型場景如圖2所示。無線節點的傳輸距離為D，平行巷道中相鄰節點的擺放距離不會超過D，但也不會小于D/2。該場景中節點的冗余度為大于等于2，每個節點的信息至少可以傳給傳播方向上相鄰的2個節點中的任意一個至匯聚節點。在Meshroof 型場景中，即使傳播方向上的相鄰節點失效，只要不是傳播方向上的相鄰2個節點都失效，則失效節點后的鏈路信息依然能上傳。例如，圖2中的節點A的信息既可以傳給節點B，也可以傳給節點C，只要不是節點B與C同時失效，節點A以后的鏈路信息都能正常傳播至匯聚節點。
3.3 Meshchain 型場景
Meshchain型場景如圖3所示。無線節點的傳輸距離為D，平行巷道中相鄰節點的擺放距離不會超過D，但也不會小于D/2。該場景中節點的冗余度為大于等于3，每個節點的信息至少可以傳給傳播方向上相鄰的3個節點中的任意一個至匯聚節點。在Meshchain型場景中，即使傳播方向上的相鄰節點失效，只要不是傳播方向上的相鄰3個節點都失效，則失效節點后的鏈路信息依然能上傳。例如圖3中的節點A的信息可以傳給節點B，也可以傳給節點C與D，只要不是節點B、C、D同時失效，則節點A以后的鏈路信息都能正常傳播至匯聚節點。
4仿真實驗結果與討論
在上述設計的3種場景中，Meshchain場景的冗余度最高，網絡結構最復雜，Line場景的冗余度最低，網絡結構最簡單。本文將在這3種場景中，分別仿真不同節點數的情況下IEEE 802.15.4標準在礦井環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
實驗中假設其中傳輸介質的傳輸延遲為0，所計算的延遲時間為封包從產生（有封包要被送出）到經過MAC層之后，成功地送出這段時間。式（1）中Tr為封包產生的時間，Ts為成功送出的時間。如果途中有發生碰撞的話則會因為MAC層中的碰撞算法而延遲發送，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種場景中礦井內所有節點靜止的情況下，相同的設備數量下的平均延遲時間。提供給網絡的Traffic interval分別從0.01 s一直到1 s，并且節點數為80，對網絡整體的平均延遲時間做觀察。實驗結果如圖4所示。
圖4顯示了節點數相同的情況下，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、節點擺放密集，所以節點之間發生碰撞的幾率非常大，根據IEEE802.15.4標準的CSMA/CA算法，當節點之間發生碰撞時，數據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，數據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，所以節點發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，Sall為網絡中所有包的個數，Ssuccess為所有成功發送的包的個數。
在礦井內所有節點靜止的情況下，對3種場景中相同的節點數量下的丟包率作比較。提供給網絡的Traffic interval分別從0.01 s一直到1 s，節點數量為80，對網絡整體的丟包率做觀察。實驗結果見圖5所示。
在仿真實驗結果中，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境中數據包的長度是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，大量節點在一個Traffic interval中同時傳輸而產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
從上面的仿真結果可以看出，非信標使能方式的IEEE 802.15.4標準MAC協議在井下的性能還可以，但丟包率非常高，因此，IEEE 802.15.4 MAC協議在井下應用首先需要解決可靠性的問題。IEEE802.15.4 MAC協議可靠性低的原因主要是由于丟包率過高，根據仿真節討論結果，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應用到環境惡劣的井下，筆者在原協議的基礎上添加RTS/CTS機制來解決隱藏終端問題，提高傳輸的可靠性。RTS/CTS機制是指：首先，A向B發送RTS信號，表明A要向B發送若干數據，B收到RTS后，向所有無線節點發出CTS信號，表明已準備就緒，A可以發送，其余基站暫時“按兵不動”，然后，A向B發送數據，最后，B接收完數據后，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，網絡的丟包率下降了許多。因此，在原有IEEE 802.15.4 MAC協議的基礎上添加RTS/CTS機制可以有效地解決丟包率過高的問題。
為了在井下實現無線傳感器網絡，本文綜合分析了無線傳感器網絡在煤礦井下的研究發展現狀，由于IEEE802.15.4是重要的無線傳感器網絡國際標準，為了分析IEEE802.15.4標準MAC協議在井下的性能，構建了無線傳感器網絡性能分析平臺，設計了3種典型的帶狀井下無線傳感器網絡仿真場景，對平均延遲時間和丟包率做了仿真和比較，給出了仿真實驗結果的討論，并根據討論結果對IEEE 802.15.4標準MAC協議作了改進，并將改進后的協議仿真結果與原仿真結果比較，證明了改進的有效性與必要性。
參考文獻
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[2] 孫繼平.礦井移動通信系統性能探討[J].煤礦自動化，1999(1): 20-22.
[3] IAN F A, ERICH P S. Wireless underground sensor networks: Research challenges. Ad Hoc Networks,2006(4):669-686.
[4] PRADEEP K M.Application of wireless sensor network technology for miner tracking and monitoring hazardous conditions in underground mines．A RFI Response (MSHA RIN 1219-AB44):MSHA,2006.
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[6] 劉曉芳.無線傳感器網絡路由協議比較研究[D].北京：北京郵電大學電信工程學院,2006.