無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的優(yōu)化

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1WMN結(jié)構(gòu)及多跳傳輸技術(shù)

作為目前最適合礦井無線救援通信的WMN通信技術(shù)，在國內(nèi)研究較多，但多跳傳輸性能一直制約著WMN技術(shù)在煤礦的推廣應(yīng)用，研究甚少。隨著WMN跳數(shù)的增加，路由轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)接入非常頻繁，第一代WMN由于采用單一的RF通信鏈路和一個(gè)無線網(wǎng)卡不能滿足日益增加的跳數(shù)需求，如表1所示。因此，改善WMN的吞吐率容量是當(dāng)前要解決的首要問題。如圖3所示，通信技術(shù)的發(fā)展使得WMN多跳傳輸技術(shù)出現(xiàn)了第二代和第三代。第一代WMN，根據(jù)WMN系統(tǒng)設(shè)計(jì)，第一代WMN一般支持3-7跳業(yè)務(wù)傳輸應(yīng)用，每個(gè)多跳傳輸節(jié)點(diǎn)（2.4Hz）只有一個(gè)RF通信鏈路和一個(gè)無線接入網(wǎng)卡，它的傳輸業(yè)務(wù)和共享網(wǎng)絡(luò)無線接入是共享的。此外，在同一頻段的同一信道，具有多跳傳輸節(jié)點(diǎn)和WiFi終端共享網(wǎng)絡(luò)回傳通信鏈路。第二代WMN，按照WMN系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，每個(gè)多跳傳輸節(jié)點(diǎn)具有5.8Hz和2.4Hz2個(gè)頻段的RF通信鏈路和無線接入網(wǎng)卡。在5.8Hz頻段的同一信道，相鄰節(jié)點(diǎn)共享網(wǎng)絡(luò)回傳通信鏈路。第三代WMN，具有獨(dú)立的5.8Hz多跳傳輸業(yè)務(wù)和2.4Hz無線網(wǎng)絡(luò)接入。和第二代的最大區(qū)別就是，該WMN相鄰節(jié)點(diǎn)具有獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)回傳通信鏈路，全部運(yùn)行在不同信道的5.8Hz頻段，通過協(xié)調(diào)信道管理機(jī)制調(diào)節(jié)工作。

2多跳傳輸性能優(yōu)化

2.1多出入口WMN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文通過配置網(wǎng)關(guān)的增加數(shù)量將整個(gè)WMN劃分為若干WMN子網(wǎng)以緩解日益增加的跳數(shù)，即多出入口WMN結(jié)構(gòu)，以此，限制多跳帶寬性能到可滿足應(yīng)用需求即可，如圖4所示。和現(xiàn)有的鐵路WMN榕樹型總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆幸欢ǖ膮^(qū)別，礦井WMN多出入口結(jié)構(gòu)保留了網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是由礦井多媒體應(yīng)急救援終端、井下多功能無線網(wǎng)狀路由器、無線網(wǎng)狀網(wǎng)關(guān)及地面救援中心網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備構(gòu)成。4個(gè)部分對應(yīng)著無線子網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)、路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、根節(jié)點(diǎn)及控制中心節(jié)點(diǎn)。

2.2多模WMN路由模型

優(yōu)化多跳傳輸性能的最關(guān)鍵技術(shù)為多模WMN路由模型，它可以滿足井下的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸、視頻傳輸應(yīng)用及礦井語音通信，如圖5所示。多模WMN路由模型由節(jié)能模塊、礦用電源模塊、天線模塊、RF通信鏈路、以太網(wǎng)交換功能模塊及3個(gè)獨(dú)立無線模組成。其中，以太網(wǎng)交換功能模塊、回傳連接鏈路模塊及用戶終端模塊之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和連接是通過網(wǎng)橋完成的。4性能測試及結(jié)果分析為了驗(yàn)證多出入口WMN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多模WMN路由模型2個(gè)策略是否能有效的解決礦井無線通信網(wǎng)絡(luò)的多跳傳輸難題，充分考慮了低功耗、多射頻設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)了第二代WMN試驗(yàn)平臺，如圖6所示。如圖7所示，采用了UDP和TCP網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)，比將網(wǎng)卡模式設(shè)為A模式和TurboA模式來測試網(wǎng)卡及網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的帶寬吞吐率變化。

從上述測試結(jié)果可以看出，在巷道中間部位，帶寬吞吐率出現(xiàn)了最高值，而且通信距離的增加對吞吐率的影響不大。帶寬吞吐量的最低值出現(xiàn)在巷道壁兩側(cè)，而且通信節(jié)點(diǎn)間隔距離越大，帶寬吞吐率波動越大，即對帶寬吞吐率的影響越大。UDP業(yè)務(wù)帶寬吞吐率是隨著通信節(jié)點(diǎn)間隔距離的增加急劇下降，TCP業(yè)務(wù)帶寬吞吐率隨著通信節(jié)點(diǎn)間隔距離的增加下降緩慢。此外，將UDP和TCP業(yè)務(wù)的A模式和TurboA模式比較看出，在吞吐率性能上，A模式要比TurboA模式提高了1.2倍。

3結(jié)論

在分析傳統(tǒng)礦井應(yīng)急通信缺陷的基礎(chǔ)上提出了一種無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)。重點(diǎn)研究了WMN系統(tǒng)中多跳傳輸性能隨著跳數(shù)的增加急劇下降的難題，并提出了多出入口WMN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)策略和多模WMN路由模型等解決技術(shù)。通過實(shí)驗(yàn)測試表明，WMN通信系統(tǒng)大大增加了礦井無線骨干通信鏈路的業(yè)務(wù)帶寬，而且有效的解決了系統(tǒng)中多跳傳輸性能下降問題。該系統(tǒng)為煤礦應(yīng)急救援通信和礦井安全報(bào)警提供了新的思路，同時(shí)也升級了傳統(tǒng)的礦井無線傳輸綜合安全監(jiān)測信息系統(tǒng)。

本文作者：岳亮 單位：重慶電子工程職業(yè)學(xué)院