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協議作為研究對象，對GEAR協議進行了改進，引入極坐標系從而提出了一種帶移動節點的網絡模型，使其更符合煤礦井下的要求。經過NS2的仿真，改進后的GEAR協議使得整個網絡在較低的能耗水平下獲得了較長的生命周期，具有較好的能量優化特性。
關鍵詞： 無線傳感器網絡； 礦井； GEAR協議

　　  微機電系統MEMS(Micro-Electro-Mechanism System)、無線通信和數字電子技術的進步孕育了無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Networks)。無線傳感器網絡是一種特殊的Ad-hoc網絡，可應用于布線和電源供給困難的區域、人員不能到達的區域(如受到污染、環境不能被破壞或敵對區域)和一些臨時場合(如發生自然災害時，固定通信網絡被破壞)等。它不需要固定網絡支持，具有快速展開、抗毀性強等特點，可廣泛應用于軍事、工業、交通、環保等領域而引起了人們廣泛關注。
　　  眾所周知，礦井自然環境十分特殊，而采煤工作面更是需要面對復雜的地質條件和惡劣的工作環境，為保證安全生產，需要對采煤工作面的各種大型設備進行實時監測，同時還需要對各種環境參數進行監測。當前廣泛采用的工業監測監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備在不斷移動，工作環境也在不斷變化，使得傳輸電纜很容易被破壞或者軋斷，給煤礦的安全生產帶來隱患。因此，在礦井中構建基于無線傳感器網絡的無線安全系統，通過該系統實現監測監控和搶險救災是礦井無線通信發展的趨勢。本文選擇了基于位置信息可知的能量和位置感知路由協議GEAR作為礦井路由協議研究的重點，并對GEAR協議進行了一定的修改，針對GEAR協議和修改后的GEAR協議在井下WSN網絡中的效能進行了分析，比較了兩種協議在兩種環境下能耗、時延、收發率等指標[1]。
1 煤礦井下無線通信
　　早在20世紀20年代，人們就開始進行井下無線電波傳播的探索和試驗，由于技術水平的限制，當時使用的是低頻段。第一批有關這方面的報告是由美國礦業局發布的。在地下無線通信的發展中，比較重大的一步是1956年Monk和Winbigler偶然發現1條編織同軸電纜似乎是在連續不斷地輻射電磁波。近半個世紀以來，人們一直進行井下電波傳播的試驗和研究，到了1968年，人們認識到，可靠的無線電通信和控制系統是采礦業提高產量和增加安全的關鍵因素。隨著研究的進展和科學技術的進步，人們認識到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，信號波長遠小于巷道截面，電磁波以類似幾何光學特性傳播，呈現波導特性。國內一些關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，礦井無線通信系統的形式主要有透地通信系統、中頻感應通信系統、VHF漏泄通信系統以及正在研制的小區制礦井調度移動通信系統等。但現有的各礦井無線通信系統和正在研制的系統還都存在許多問題，在功能上難以滿足礦井安全生產對無線信息的需求，在技術上沒有從根本上解決制約有效實現礦井無線通信的瓶頸問題。因此，如何從根本上解決構建較完善的全礦井無線信息系統仍面臨著深刻的理論問題以及十分困難的技術問題，是一項極富挑戰性的工作。然而盡快構建較為完善的新一代全礦井無線信息系統，全面提高礦井安全生產效率和防災、抗災、救災的能力卻是一項十分緊迫的任務。
　　目前，國內還沒有井下無線通信標準，系統可以根據現有的技術條件和實際需要進行開發，而且還需要考慮適合以后通信發展的要求，并有利于推廣使用。將無線傳感器網絡應用于井下通信系統，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種以數據為中心的路由。該算法在DD算法的基礎上做了一系列改進，考慮到sensor節點的位置信息而將interest報文添加地址信息字段，并據其將interest往特定方向傳輸以替代原泛洪方式，從而顯著節省了能量消耗。該算法引入了估計代價(estimated cost)和自學習代價(learning cost)。通過計算兩者差值來選取更接近Sink節點的sensor節點作為下一跳。
　　GEAR路由中查詢消息的傳播包括兩個階段：(1)查詢消息轉發到目標區域：從Sink節點開始的路徑建立過程采用貪婪算法，節點在鄰居中選擇到目標區域代價最小的節點作為下一跳節點，并將自己的路由代價設為該下一跳節點的路由代價加上到該節點一跳通信的代價。若陷入路由空洞，節點則選取鄰居中代價最小的節點作為下一跳節點，并修改自己的路由代價；(2)在目標區域內散布查詢消息：查詢消息到達目標區域后，通過迭代地理(節點密度較大時)或洪泛方式(節點較少時)將查詢消息傳播到目標區域內的所有節點。這兩個階段完成后，監測數據沿查詢消息的反向路徑向Sink節點傳送。由于Sink發出的查詢消息中經常包含位置屬性，GEAR路由協議在向目標區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”的傳播僅到達目標區域，而不是傳播到整個網絡，從而避免洪泛方式，減少路由建立的開銷[4]。
　　如果節點密度比較大，GEAR采用迭代地理轉發機制，作為對GEAR路由協議的改進，每一次迭代的中心節點可以作為數據融合節點，將其子區域節點采集的數據進行處理后再沿反向路徑傳送。這樣，目標區域內第1個收到查詢消息的節點將融合后的數據沿查詢消息的反向路徑向Sink節點傳送。如果節點密度比較小，GEAR則采用洪泛轉發機制。這時由于沒有子區域中心節點可以使用，需要以某種方法產生1個融合節點對數據進行處理。一種簡單的方法是選擇能量比較大的節點作為融合節點，當然，該節點需要能夠與其他節點直接通信。該節點對數據進行處理后沿查詢消息的反向路徑向Sink節點傳送。
3 改進的GEAR協議用于礦井路由
　　根據煤礦井下的實際情況，以及本文的設計構想，需要建立一種雙層數據傳輸路由模型，這樣，對于設備供電巷道內的節點，可以假設它們全都是靜止且位置已知，可以直接采用GEAR路由算法；對于采面的節點，則需要假設液壓支架上的節點靜止，但采煤機上的節點，可以移動，因此需要對GEAR協議進行改進。綜上所述，需要重點研究一種帶有移動Sink的混合網絡模型。
　　根據采面的實際情況，會有部分移動節點(例如布置在采煤機上的節點)，且數目可能不止1個，這些移動節點負責采集傳感數據，其布置情況如圖1所示。這些移動節點往往也就是需要重點監測的節點，由于這些節點可以移動且地位重要，使用上述GEAR協議便增大了事件的投遞率和系統的能耗。因此，有必要對這一協議進行改進，使這一協議重點關注GEAR協議，從而降低事件的投遞率和系統的能耗。在這里為了分析方便，引入極坐標概念，設移動節點為水平極坐標的零點，其移動的方向為水平極坐標系的零軸，靜止節點與移動節點的連線為半徑，靜止節點與移動節點的連線同零軸的夾角記為?茲。這樣，該平面的這些節點便構成了1個極坐標系，且所有節點的極坐標均可知。在協議中，對移動節點的通信范圍以極坐標的形式予以限制[5-6]。

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

4.1.2 移動節點數目與能耗的關系 
　　由圖3可以看出，兩種算法的平均能量損耗隨著移動節點數目的增加均增大，其原因在于由于移動節點即源節點的存在，其數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的能耗性能優于GEAR。
4.2 收發率
4.2.1 網絡規模與收發率的關系
　　圖4是兩種算法在兩種環境下收發率與網絡規模(節點數)的關系仿真結果。由圖4可以看出，隨著網絡規模的擴大，兩種算法的收發率都有著不同程度的增大。初始時，GEAR和GEAR2的收發率都比較低，原因是節點覆蓋率較低，當節點數目滿足一定條件時，GEAR和GEAR2算法的收發率都還是令人滿意的，但在網絡規模大時GEAR2算法優于GEAR。

4.2.2 移動節點數目與收發率的關系
　　圖5是兩種算法在不同移動節點數目下的平均能量消耗。由圖5可以看出，對于GEAR算法，其收發率隨著移動節點數目的增加而降低，當降低到一定幅度時，變化不再明顯，但是收發率已經變得很低，而對于GEAR2算法，其收發率隨著移動節點數目的增加而升高，因此，對于存在移動節點的WSN網絡，修改后的GEAR2協議的收發率明顯優于GEAR協議，基本上能滿足實際要求。

　　總體而言，在網絡規模較小的情況下，GEAR2協議在能耗方面性能要優于原來的GEAR協議。此外，GEAR和GEAR2的收發率指標基本一致，但當網絡中存在一部分移動節點時，GEAR2的收發率指標要遠優于原有的GEAR協議。仿真證明，對于網絡規模較大、節點較疏、且基本不存在移動節點的環境時，可采用GEAR協議；對于網絡規模較小、節點較密、且有部分移動節點的環境時，應采用GEAR2協議。在礦井這種源節點眾多而目的節點單一的場景中，可以適當地增加移動Sink節點的數目改善網絡性能。仿真證明，移動Sink的加入使得網絡的性能有所提高，增加一定數目的移動Sink既可以用作工人或者車輛的定位，又可以提高網絡的整體性能、降低能耗和提高事件收發率。但是，移動節點的加入引入了不穩定因素。
　　把無線傳感器網絡應用在煤礦井下這種惡劣的工作環境中，為解決煤礦井下各種工況和設備監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協議加以改進，引入移動Sink節點，使其更適合煤礦井下無線通信，有效地延長了網絡的生存時間，并且提高了井下無線傳感器網絡的性能。從而增強煤礦調度指揮人員對井下工況及環境的了解，提高與井下人員的信息交流，及時發現隱患，杜絕盲目指揮帶來的后果。對提高煤礦安全生產能力，減少工作面流動人員，提高效益，增加防災、減災能力具有很好的實用性。
參考文獻
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