摘  要： 分析了礦井的路由需求，選擇了基于位置信息可知的GEAR協(xié)議作為研究對象，對GEAR協(xié)議進行了改進，引入極坐標(biāo)系從而提出了一種帶移動節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)模型，使其更符合煤礦井下的要求。經(jīng)過NS2的仿真，改進后的GEAR協(xié)議使得整個網(wǎng)絡(luò)在較低的能耗水平下獲得了較長的生命周期，具有較好的能量優(yōu)化特性。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 礦井； GEAR協(xié)議

　　  微機電系統(tǒng)MEMS(Micro-Electro-Mechanism System)、無線通信和數(shù)字電子技術(shù)的進步孕育了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Networks)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，可應(yīng)用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達(dá)的區(qū)域(如受到污染、環(huán)境不能被破壞或敵對區(qū)域)和一些臨時場合(如發(fā)生自然災(zāi)害時，固定通信網(wǎng)絡(luò)被破壞)等。它不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開、抗毀性強等特點，可廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、交通、環(huán)保等領(lǐng)域而引起了人們廣泛關(guān)注。
　　  眾所周知，礦井自然環(huán)境十分特殊，而采煤工作面更是需要面對復(fù)雜的地質(zhì)條件和惡劣的工作環(huán)境，為保證安全生產(chǎn)，需要對采煤工作面的各種大型設(shè)備進行實時監(jiān)測，同時還需要對各種環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測。當(dāng)前廣泛采用的工業(yè)監(jiān)測監(jiān)控信號的傳輸大都通過有線方式，但這種有線傳輸方式顯然不適合在采煤工作面使用，因為采煤工作面的設(shè)備在不斷移動，工作環(huán)境也在不斷變化，使得傳輸電纜很容易被破壞或者軋斷，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來隱患。因此，在礦井中構(gòu)建基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線安全系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)測監(jiān)控和搶險救災(zāi)是礦井無線通信發(fā)展的趨勢。本文選擇了基于位置信息可知的能量和位置感知路由協(xié)議GEAR作為礦井路由協(xié)議研究的重點，并對GEAR協(xié)議進行了一定的修改，針對GEAR協(xié)議和修改后的GEAR協(xié)議在井下WSN網(wǎng)絡(luò)中的效能進行了分析，比較了兩種協(xié)議在兩種環(huán)境下能耗、時延、收發(fā)率等指標(biāo)[1]。
1 煤礦井下無線通信
　　早在20世紀(jì)20年代，人們就開始進行井下無線電波傳播的探索和試驗，由于技術(shù)水平的限制，當(dāng)時使用的是低頻段。第一批有關(guān)這方面的報告是由美國礦業(yè)局發(fā)布的。在地下無線通信的發(fā)展中，比較重大的一步是1956年Monk和Winbigler偶然發(fā)現(xiàn)1條編織同軸電纜似乎是在連續(xù)不斷地輻射電磁波。近半個世紀(jì)以來，人們一直進行井下電波傳播的試驗和研究，到了1968年，人們認(rèn)識到，可靠的無線電通信和控制系統(tǒng)是采礦業(yè)提高產(chǎn)量和增加安全的關(guān)鍵因素。隨著研究的進展和科學(xué)技術(shù)的進步，人們認(rèn)識到UHF頻段(300 MHz～3 000 MHz)在井下傳播孕育著希望。因為在井下平直巷道中，衰減隨頻率的升高而減小，尤其在特高頻段的高端，信號波長遠(yuǎn)小于巷道截面，電磁波以類似幾何光學(xué)特性傳播，呈現(xiàn)波導(dǎo)特性。國內(nèi)一些關(guān)于礦井中無線傳輸特性的研究成果表明井下徑向傳輸可利用900 MHz-3 000 MHz頻率進行傳輸。近年來，日本已能使無線電波(470 MHz，0.5 W)在隧道中自由傳播1 400 m，美國專家則認(rèn)為在隧道中最有希望的頻段是500 MHz~2 500 MHz[2-3]。
　　目前，礦井無線通信系統(tǒng)的形式主要有透地通信系統(tǒng)、中頻感應(yīng)通信系統(tǒng)、VHF漏泄通信系統(tǒng)以及正在研制的小區(qū)制礦井調(diào)度移動通信系統(tǒng)等。但現(xiàn)有的各礦井無線通信系統(tǒng)和正在研制的系統(tǒng)還都存在許多問題，在功能上難以滿足礦井安全生產(chǎn)對無線信息的需求，在技術(shù)上沒有從根本上解決制約有效實現(xiàn)礦井無線通信的瓶頸問題。因此，如何從根本上解決構(gòu)建較完善的全礦井無線信息系統(tǒng)仍面臨著深刻的理論問題以及十分困難的技術(shù)問題，是一項極富挑戰(zhàn)性的工作。然而盡快構(gòu)建較為完善的新一代全礦井無線信息系統(tǒng)，全面提高礦井安全生產(chǎn)效率和防災(zāi)、抗災(zāi)、救災(zāi)的能力卻是一項十分緊迫的任務(wù)。
　　目前，國內(nèi)還沒有井下無線通信標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件和實際需要進行開發(fā)，而且還需要考慮適合以后通信發(fā)展的要求，并有利于推廣使用。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于井下通信系統(tǒng)，提高了井下通信的安全性，同時也降低了開銷。
2 無線傳感器能量和位置感知路由協(xié)議
　　位置和能量感知路由機制既是1種依賴于地理信息的路由，又是1種以數(shù)據(jù)為中心的路由。該算法在DD算法的基礎(chǔ)上做了一系列改進，考慮到sensor節(jié)點的位置信息而將interest報文添加地址信息字段，并據(jù)其將interest往特定方向傳輸以替代原泛洪方式，從而顯著節(jié)省了能量消耗。該算法引入了估計代價(estimated cost)和自學(xué)習(xí)代價(learning cost)。通過計算兩者差值來選取更接近Sink節(jié)點的sensor節(jié)點作為下一跳。
　　GEAR路由中查詢消息的傳播包括兩個階段：(1)查詢消息轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)區(qū)域：從Sink節(jié)點開始的路徑建立過程采用貪婪算法，節(jié)點在鄰居中選擇到目標(biāo)區(qū)域代價最小的節(jié)點作為下一跳節(jié)點，并將自己的路由代價設(shè)為該下一跳節(jié)點的路由代價加上到該節(jié)點一跳通信的代價。若陷入路由空洞，節(jié)點則選取鄰居中代價最小的節(jié)點作為下一跳節(jié)點，并修改自己的路由代價；(2)在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)散布查詢消息：查詢消息到達(dá)目標(biāo)區(qū)域后，通過迭代地理(節(jié)點密度較大時)或洪泛方式(節(jié)點較少時)將查詢消息傳播到目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點。這兩個階段完成后，監(jiān)測數(shù)據(jù)沿查詢消息的反向路徑向Sink節(jié)點傳送。由于Sink發(fā)出的查詢消息中經(jīng)常包含位置屬性，GEAR路由協(xié)議在向目標(biāo)區(qū)域散布查詢消息的同時考慮了地理位置信息的使用。其主要思想是通過利用位置信息使得“興趣”的傳播僅到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，而不是傳播到整個網(wǎng)絡(luò)，從而避免洪泛方式，減少路由建立的開銷[4]。
　　如果節(jié)點密度比較大，GEAR采用迭代地理轉(zhuǎn)發(fā)機制，作為對GEAR路由協(xié)議的改進，每一次迭代的中心節(jié)點可以作為數(shù)據(jù)融合節(jié)點，將其子區(qū)域節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行處理后再沿反向路徑傳送。這樣，目標(biāo)區(qū)域內(nèi)第1個收到查詢消息的節(jié)點將融合后的數(shù)據(jù)沿查詢消息的反向路徑向Sink節(jié)點傳送。如果節(jié)點密度比較小，GEAR則采用洪泛轉(zhuǎn)發(fā)機制。這時由于沒有子區(qū)域中心節(jié)點可以使用，需要以某種方法產(chǎn)生1個融合節(jié)點對數(shù)據(jù)進行處理。一種簡單的方法是選擇能量比較大的節(jié)點作為融合節(jié)點，當(dāng)然，該節(jié)點需要能夠與其他節(jié)點直接通信。該節(jié)點對數(shù)據(jù)進行處理后沿查詢消息的反向路徑向Sink節(jié)點傳送。
3 改進的GEAR協(xié)議用于礦井路由
　　根據(jù)煤礦井下的實際情況，以及本文的設(shè)計構(gòu)想，需要建立一種雙層數(shù)據(jù)傳輸路由模型，這樣，對于設(shè)備供電巷道內(nèi)的節(jié)點，可以假設(shè)它們?nèi)际庆o止且位置已知，可以直接采用GEAR路由算法；對于采面的節(jié)點，則需要假設(shè)液壓支架上的節(jié)點靜止，但采煤機上的節(jié)點，可以移動，因此需要對GEAR協(xié)議進行改進。綜上所述，需要重點研究一種帶有移動Sink的混合網(wǎng)絡(luò)模型。
　　根據(jù)采面的實際情況，會有部分移動節(jié)點(例如布置在采煤機上的節(jié)點)，且數(shù)目可能不止1個，這些移動節(jié)點負(fù)責(zé)采集傳感數(shù)據(jù)，其布置情況如圖1所示。這些移動節(jié)點往往也就是需要重點監(jiān)測的節(jié)點，由于這些節(jié)點可以移動且地位重要，使用上述GEAR協(xié)議便增大了事件的投遞率和系統(tǒng)的能耗。因此，有必要對這一協(xié)議進行改進，使這一協(xié)議重點關(guān)注GEAR協(xié)議，從而降低事件的投遞率和系統(tǒng)的能耗。在這里為了分析方便，引入極坐標(biāo)概念，設(shè)移動節(jié)點為水平極坐標(biāo)的零點，其移動的方向為水平極坐標(biāo)系的零軸，靜止節(jié)點與移動節(jié)點的連線為半徑，靜止節(jié)點與移動節(jié)點的連線同零軸的夾角記為?茲。這樣，該平面的這些節(jié)點便構(gòu)成了1個極坐標(biāo)系，且所有節(jié)點的極坐標(biāo)均可知。在協(xié)議中，對移動節(jié)點的通信范圍以極坐標(biāo)的形式予以限制[5-6]。

　　上述通信受限的GEAR協(xié)議基于以下假設(shè)：(1)分布在該區(qū)域的所有節(jié)點均處于同一平面。(2)分布在該區(qū)域的所有節(jié)點其位置均可知，且如圖1中節(jié)點A、節(jié)點B等這樣的節(jié)點其位置不再變化。(3)移動節(jié)點可以感知到其移動的方向。
　　這樣，改進后的GEAR路由協(xié)議將現(xiàn)場分為兩層：設(shè)備供電巷道內(nèi)的靜態(tài)節(jié)點使用傳統(tǒng)的GEAR協(xié)議；采面布置在采煤機和液壓支架上的混合節(jié)點使用改進后的通信受限GEAR協(xié)議?，F(xiàn)場雖然分為兩層，但其協(xié)議接口基本相同，因此，保證了整個系統(tǒng)的兼容性，不會產(chǎn)生新的報文開銷。
4 仿真和結(jié)果分析
　　對于傳感器網(wǎng)絡(luò)層路由算法的執(zhí)行效果，包括節(jié)點的能耗、運算能力和通信帶寬，以及網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性、大規(guī)模性、負(fù)載平衡性、數(shù)據(jù)融合和容錯機制等眾多指標(biāo)。本文主要是對GEAR算法和改進后的GEAR算法(GEAR2)對礦井無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗、收發(fā)率、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模指標(biāo)的比較。
　　(1)能耗指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)生存時間(或稱網(wǎng)絡(luò)生命)采用間接定義的方法，用所有節(jié)點在相同的時間內(nèi)能耗的總和來表示網(wǎng)絡(luò)的總能耗。而網(wǎng)絡(luò)的生存時間與節(jié)點的總能耗成反比，即在相同的時間內(nèi)節(jié)點總能耗越多，網(wǎng)絡(luò)生存時間將越短，反之則越長。由于節(jié)點數(shù)量不同，總能耗不能反映每個節(jié)點的能耗狀況，故用節(jié)點平均能耗作為評價指標(biāo)。鑒于所選擇的NS2仿真器的內(nèi)部機制，當(dāng)發(fā)送節(jié)點的數(shù)據(jù)無法到達(dá)接收節(jié)點時，仿真將會自動結(jié)束。因此，如果能量耗盡過快，將會出現(xiàn)在設(shè)定的仿真時間前，Trace和Nam的記錄已經(jīng)結(jié)束的情況。
　　(2)收發(fā)率。數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，尤其是在無線網(wǎng)絡(luò)中，出現(xiàn)分組丟失將是不可避免的。由于NS2中的802.11模型默認(rèn)的是MAC層沒有數(shù)據(jù)傳輸差錯，而且本文主要仿真的是網(wǎng)絡(luò)層，因此本文不考慮MAC層的數(shù)據(jù)丟包情況。本文的收發(fā)率是指實際接收數(shù)據(jù)量與總發(fā)送數(shù)據(jù)量的比值。
　　(3)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模影響。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模影響主要考察當(dāng)節(jié)點數(shù)量變化時，路由算法的執(zhí)行效果。當(dāng)傳感器節(jié)點物理層的射頻參數(shù)確定后，節(jié)點的無線傳輸距離就確定了，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模影響主要考察節(jié)點濃度值對于網(wǎng)絡(luò)的影響[7]。
4.1 能耗分析
4.1.1 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與能耗的關(guān)系
　　圖2是兩種算法平均能量消耗隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模(節(jié)點數(shù))的仿真結(jié)果。可以看出：隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，兩種算法其平均能量消耗都有一定幅度的增長，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模繼續(xù)擴大后，GEAR2算法的平均能量消耗呈下降趨勢，而后又有一定幅度的增長。而GEAR算法還是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大平均能量消耗呈上升趨勢；在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較小的情況下，GEAR2算法的平均能耗比GEAR算法大，但是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，在相同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模情況下GEAR2算法要比GEAR算法的平均能耗低。因此，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模稍大時(大約75個節(jié)點)，GEAR2算法在平均能量消耗方面較之GEAR有著明顯的優(yōu)勢。

4.1.2 移動節(jié)點數(shù)目與能耗的關(guān)系 
　　由圖3可以看出，兩種算法的平均能量損耗隨著移動節(jié)點數(shù)目的增加均增大，其原因在于由于移動節(jié)點即源節(jié)點的存在，其數(shù)目的增加必然會造成平均能量損耗的增加。但同時可以看出，GEAR2的能耗性能優(yōu)于GEAR。
4.2 收發(fā)率
4.2.1 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與收發(fā)率的關(guān)系
　　圖4是兩種算法在兩種環(huán)境下收發(fā)率與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模(節(jié)點數(shù))的關(guān)系仿真結(jié)果。由圖4可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，兩種算法的收發(fā)率都有著不同程度的增大。初始時，GEAR和GEAR2的收發(fā)率都比較低，原因是節(jié)點覆蓋率較低，當(dāng)節(jié)點數(shù)目滿足一定條件時，GEAR和GEAR2算法的收發(fā)率都還是令人滿意的，但在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大時GEAR2算法優(yōu)于GEAR。

4.2.2 移動節(jié)點數(shù)目與收發(fā)率的關(guān)系
　　圖5是兩種算法在不同移動節(jié)點數(shù)目下的平均能量消耗。由圖5可以看出，對于GEAR算法，其收發(fā)率隨著移動節(jié)點數(shù)目的增加而降低，當(dāng)降低到一定幅度時，變化不再明顯，但是收發(fā)率已經(jīng)變得很低，而對于GEAR2算法，其收發(fā)率隨著移動節(jié)點數(shù)目的增加而升高，因此，對于存在移動節(jié)點的WSN網(wǎng)絡(luò)，修改后的GEAR2協(xié)議的收發(fā)率明顯優(yōu)于GEAR協(xié)議，基本上能滿足實際要求。

　　總體而言，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小的情況下，GEAR2協(xié)議在能耗方面性能要優(yōu)于原來的GEAR協(xié)議。此外，GEAR和GEAR2的收發(fā)率指標(biāo)基本一致，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在一部分移動節(jié)點時，GEAR2的收發(fā)率指標(biāo)要遠(yuǎn)優(yōu)于原有的GEAR協(xié)議。仿真證明，對于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大、節(jié)點較疏、且基本不存在移動節(jié)點的環(huán)境時，可采用GEAR協(xié)議；對于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小、節(jié)點較密、且有部分移動節(jié)點的環(huán)境時，應(yīng)采用GEAR2協(xié)議。在礦井這種源節(jié)點眾多而目的節(jié)點單一的場景中，可以適當(dāng)?shù)卦黾右苿覵ink節(jié)點的數(shù)目改善網(wǎng)絡(luò)性能。仿真證明，移動Sink的加入使得網(wǎng)絡(luò)的性能有所提高，增加一定數(shù)目的移動Sink既可以用作工人或者車輛的定位，又可以提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能、降低能耗和提高事件收發(fā)率。但是，移動節(jié)點的加入引入了不穩(wěn)定因素。
　　把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在煤礦井下這種惡劣的工作環(huán)境中，為解決煤礦井下各種工況和設(shè)備監(jiān)測信息傳輸以及井下移動通信帶來前所未有的希望。本文對GEAR協(xié)議加以改進，引入移動Sink節(jié)點，使其更適合煤礦井下無線通信，有效地延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時間，并且提高了井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。從而增強煤礦調(diào)度指揮人員對井下工況及環(huán)境的了解，提高與井下人員的信息交流，及時發(fā)現(xiàn)隱患，杜絕盲目指揮帶來的后果。對提高煤礦安全生產(chǎn)能力，減少工作面流動人員，提高效益，增加防災(zāi)、減災(zāi)能力具有很好的實用性。
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