浅谈煤矿井下无线传感网络通信关键技术

摘　要：无线传感在传感上所涉及的范围较为广泛，在环境检测方面也具备了其独有的优势，因此在煤矿井下的环境检测过程中采用无线传感网络得到了世界范围内的广泛关注。

关键词：无线传感；通信技术；煤矿井下
　　我国煤矿目前在对井下环境进行监测的过程中很多都是采用有线传输的方式，这些有线传输的方式不仅线路依赖性较大、成本高、在布线上较为繁琐，同时当煤矿井下出现坍塌、爆炸等重大安全事故时，会对有线传输中的线缆以及传感器造成严重的破坏，这对井下受难人员的搜救和抢险工作而言是一种巨大的危险。
　　由于无线传感在传感上所涉及的范围较为广泛，可以实现对环境上的充分了解。与传统的系统相比具备环境适应性较高，可以随机布设等多方面的特点，因此在环境检测方面也具备了其独有的优势，因此在煤矿井下的环境检测过程中采用无线传感网络得到了世界范围内的广泛关注。
一、煤矿井下无线信道概述
　　在煤矿井下无线传感网络通信产生影响的最关键的因素之一就是井下无线信道。目前对于井下无线信道进行研究的一般都是应用电磁波传输理论，主要包括10kHz以下频率的透地通信以及穿地雷达这两个方面，但是在模型构建方面对数字通信进行研究的并不多，这主要是由无线信道的自身特点所决定。
（一）无线信道的影响因素
　　首先在路径耗损方面，这主要包括两个方面的内容：第一是电磁波在自由空间下的传输耗损，可以利用来计算，其中d代表的是电磁波的实际传输距离，而是电磁波的波长；第二是介质吸收中的衰减，这和介质之间粘连程度以及介质本身的大小以及所含水分是相关联的；其次是电磁波的反射和折射，由于传感器可以埋藏在巷道以及煤层里，因此电磁波可以在不同介质内进行传播，而在传播的过程中都有可能出现反射和折射。第三是多径衰落现象，这也是由于电磁波自身的反射、折射所造成的；第四是传播速度上的下降，电磁波在煤层以及土壤中的传播速度必然会小于在空气中的传播，这是与土壤中的介电常数是相关联的，在实际的传输过程中速度可能会下降10%以上。
（二）链路传输耗损预算
　　在井下无线通信过程中，为了其通信的正常运行，需要对链路传输中的耗损进行预算，具体可以通过下面这个公式来进行计算：
　　在这个的公式下，其中指的是无线通信系统接收端的信号频率；而指的是发射机的天线增益；代表了接收机的天线增益；是电磁波进入介质中所产生的衰减；-m是自由空间中的传播耗损。比如，依照陆地无线传感网络的物理层协议，假设功率为1W的发射机频率为900 MHz,发射机和接收机天线增益均为2 Db,接收机灵敏度为-100 Db/m。由式(1)可以计算未知的,该值决定了在以上工作条件下电磁波的最大吸收衰减。如传输距离为5 m,那么最大吸收衰减为88.5Db,而每米吸收衰减最多为17.5 Db。
二、无线传感网络通信关键技术
（一）物理层技术研究
　　由于电磁波在煤矿井下传播的过程中其耗损较大，同时具备空间变化和时间变化上的特点，因此在调制方式、天线尺寸以及工作频率的选择上都是物理层技术研究过程中所需要充分考虑到的问题。具体而言技术研究包括以下几个方面的内容：首先是对井下电磁波传输速度进行研究的同时，还需要对磁感应通信技术进行研究的，从而选择出最有利于井下无线通信的技术；第二是对适应井下高耗损、高动态心态的调制技术进行研究，在提高效率的同时避免出现过大的能量的开销；第三是对通道容量以及传输可靠性进行研究，并解决低频率在降低传输耗损的同时所带来的信道容量低的问题。
（二）链路层技术研究
　　由于井下电磁波传输的高损耗性,为降低能耗,要求链路层尽量减少空闲监听和发射时间,尽可能地少采用数据重发和开销增加的其它策略。链路层研究主要包括:首先研究基于竞争和基于TDMA的链路层协议,确定在什么信道条件下,哪一种协议更适合井下无线传感网络；其次对低开销的空闲监听、碰撞检测策略和时间同步方法进行研究；第三，研究适合井下无线信道的纠错编码方法,以提高传输可靠性；第四，确定合适的包大小和格式,以减少开销,降低能耗。
（三）网络层技术研究
　　需要很大开销的前摄式和反映式路由协议并不适合井下无线传感网络。能否使用地理位置路由协议取决于如何部署传感节点,并能否存贮传感器部署的地理位置信息。为降低能耗、延长网络生存时间的问题,网络层研究主要包括:；研究低占空比对网络路由协议的影响、路由协议如何适应网络拓扑的变化;；研究降低能耗并快速建立路由的算法；研究多径路由算法,避免由于一条链路故障而影响整个网络。
（四）传输层技术研究
　　由于井下电磁波传输的高损耗性、低传输速率, 如果采用传统的拥塞控制策略则容易造成误判。此外,考虑到降低能耗的需要,具有重发机制的控制策略也不适合井下无线传感网络。因此,传输层研究主要包括:研究适合井下无线信道流量控制和拥塞控制的策略,从而有效判断是否丢包；基于事件模型和井下信道模型,研究井下无线传输的可靠性；研究数据速率测量方法,在带宽受限的条件下,避免网络拥塞,提高网络吞吐率和可靠性；根据信道条件、网络拓扑,确定可接受的损耗率,以减少数据重发、节省能量。
　　毫无疑问,作为改变世界的十大技术之一的无线传感网络,其在煤矿安全生产中的应用将会越来越广。而井下无线通信信道时变、空变、高损耗的特点,给煤矿井下无线传感网络也提出了新的挑战。
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