0 引言
目前我国煤炭资源开采大多采用井工方式，瓦斯、顶板、矿尘等安全隐患严重威胁着矿井生产和矿工生命安全，为有效预防煤矿事故发生，亟需建立完善的煤矿安全监测系统[1]。煤矿安全监测系统的完善依赖于对煤矿各种与安全问题相关信息的准确采集与及时传输，井下安全监测信息采集网络的性能对煤矿安全监测系统的建设尤为重要。
用于煤矿安全监测信息采集的通信方式可分为有线、无线2种。早期的有线通信方式在极端环境下易遭破坏，设备维护成本高，线路固化死板、难以改动，建成后重新布线施工难度大，采煤工作面变化后原有设备只能被废弃，通信设备利用率低，且存在监测盲区[2]。无线通信方式较有线通信方式布设灵活、成本低，但现有井下无线通信技术也有其局限性：红外线技术不具备穿透障碍物的能力；电磁泄漏技术信号易衰减、抗干扰能力弱；无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术通信距离短，且目前缺乏完整的标准体系；传统WiFi通信技术传输可靠性高、速度快、传输成本低、系统易维护，但接入设备数量有限，传输距离也有限，只适合视距无遮挡的点对点直线通信[3]。井下环境复杂多变、障碍物多、高频信号易被吸收，用于井下安全监测信息采集的传感器节点大多为电池供电的能量受限节点，且节点部署密集、数目大，现有通信技术已无法满足井下安全监测发展的需要，煤矿安全监测信息采集网络亟需一种可以满足大范围、低功耗、大量设备接入的通信技术。IEEE 802.11ah无线网络协议工作在1 GHz以下的免授权频段，传输距离长达1 km，数据传输速率大于100 kbit/s，单个接入点(Access Point，AP)的可接入节点(Stations，STAs)数多达8 191个[4]，具有通信范围广、功耗低、允许海量设备接入的优点[5]。本文针对煤矿井下特殊通信环境对安全监测无线传感网的需求及现有安全监测无线传感网存在接入设备数量和传输距离受限等不足，提出将IEEE 802.11ah应用于井下安全监测无线传感网，并利用NS-3仿真平台对其性能进行了分析。
1 IEEE 802.11ah协议
为更好支持传感器网络和未来物联网的发展，IEEE 802.11工作组于2016年发布了称为IEEE 802.11ah的新标准，主要针对3种应用场景：无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)、传感器和智能仪表计量数据回传网络及范围扩展的WiFi网络[6]。
IEEE 802.11ah继承了IEEE 802.11系列标准演进的传统，在IEEE 802.11ac的基础上增强了物理层(Port Physical Layer，PHY)和媒体访问控制层(Media Access Control，MAC)[7]。
1.1 IEEE 802.11ah PHY层特点
在PHY层上，IEEE 802.11ah继承了IEEE 802.11ac的一些特性，在IEEE 802.11ac物理层时钟降频10倍的基础上工作，使其能够在低于1 GHz频段上拥有更优异的传输性能[8]。IEEE 802.11无线局域网(Wireless Local Area Networks，WLAN)主要工作在2.4 GHz和5 GHz频段，高频频段限制了传输距离，因而工作在1 GHz以下免授权频段的IEEE 802.11ah具有更好的传播特性和穿透性，能够有效降低如矿山地下的电磁吸收与干扰，使其传输距离可达1 km，可以满足煤矿井下大范围、多障碍物、高频信号易被吸收的复杂环境通信需求。对于不同的数据速率和带宽，IEEE 802.11ah使用不同的调制和编码方案(Modulation and Coding Scheme，MCS)、空间流数(Number of Spatial Streams，NSS)和保护间隔(Guard Interval，GI)[9]。IEEE 802.11ah将带宽定义为2、4、8、16 MHz，并为进一步扩展通信范围额外定义了1 MHz信道，通过强制性支持1 MHz和2 MHz信道以扩展通信范围[10]，可以很好地适用于井下等范围广、空间环境复杂、设备安装难的特殊应用场景。
1.2 IEEE 802.11ah MAC层特点
在MAC层上，IEEE 802.11ah引入了分层结构、短MAC包头、受限访问窗口(Restricted Access Window，RAW)、流量指示图(Traffic Indication Map，TIM)分段和目标唤醒时间(Target Wake Time，TWT)等机制[4]。连接标志码(Association ID，AID)分级结构使连接到同一AP的节点可达8 191个，并通过RAW机制对节点进行分组，限制同时参与竞争信道的节点数，以解决大量节点同时接入信道的碰撞问题[7]。由此，IEEE 802.11ah可以很好满足无线传感网，如煤矿安全监测无线传感网等日益增长的传感器设备数和上行链路监测业务数据量的传输需求。针对短数据包包头带来的传输能量损耗大的问题，定义了短MAC包头；针对高密度网络下行数据传输TIM过长问题，TIM分段机制通过分段每次仅唤醒有数据要接收的TIM分段内的节点；TWT为节点安排唤醒时间，使不同节点可以在不同的时间醒来[8]。以上机制降低了网络能耗，提高了密集部署的大量能量受限节点的能量效率，使节点电池寿命长达数年，可以满足采用电池供电且无法频繁更换电池的井下安全监测传感网的发展需求。
由于传感网中上行数据占主体，MAC层的RAW机制对无线传感网，如煤矿安全监测无线传感网的通信尤为重要，也是目前对IEEE 802.11ah MAC层研究的主流方向。图1描述了RAW的具体工作原理：对大量节点进行分组，信道接入时间也被分成多个时间间隔，每个时间间隔只允许一组节点竞争信道，分组信息由信标帧携带的RAW参数集(RAW Parameter Set，RPS)确定。每个RAW组可以进一步细分，由一个或多个等长的时隙(slot)组成，有关RAW时隙的参数也由RPS携带[4]。iNRAWC为RAW组C的最后一个slot的序号。
图1 RAW结构
Fig.1 RAW structure
2 基于IEEE 802.11ah的井下安全监测无线传感网
井下安全监测无线传感网工作原理：在井下巷道需要监测的区域内部署大量微型传感节点，用于采集温度、压力、瓦斯浓度等多种信息(图2)[11-13]，节点以无线通信方式连接，形成传输网络，将监测区域内采集的信息处理后通过传输网络实时可靠地上传到地面监控中心，用于灾害预警决策[14]。
图2 井下安全监测无线传感网监测信息
Fig.2 Monitoring information of underground safety
monitoring wireless sensor network
井下特殊环境使地面信息化技术不能直接应用于井下，井下安全监测无线传感网通信有其自身需求[15]：① 节能需求：井下用于安全监测信息采集的传感器节点大多是由电池供电，且井下安全监测无线传感网不便于人工维护，更换电池困难，为实现更长的使用寿命，这就要求井下信息采集节点工作能耗低。② 对大规模节点的容纳需求：井下的传感器节点布设于不同深度地层，并且常采用加倍部署节点方法避免覆盖盲区的产生，提高系统监测精度的同时增加了节点密度，因此要求网络可以容纳大规模密集部署的节点。③ 对复杂环境的适应性需求:狭小矿井巷道空间内灾害源众多，且地下电磁吸收与干扰会吸收高频信号，这都会影响通信设备正常工作，因此要求网络对井下复杂的环境条件具有良好的适应性。④ 拓扑应变性需求：开采过程矿井巷道不断推进，新开的巷道需布置新节点或原有节点故障失效都要求网络具有对节点离开或加入的适应性[3]。
针对井下安全监测无线传感网的需求，本文提出将IEEE 802.11ah应用于井下安全监测无线传感网。基于IEEE 802.11ah的井下安全监测无线传感网如图3所示，井下密集部署了大量类型不同、位置相对固定的传感器节点，如温度传感器、压力传感器等，节点与AP间采用IEEE 802.11ah网络协议通信。原本由于遮挡、分布范围过大、设备接入数量过大等限制因素导致需接入不同AP的节点，在基于IEEE 802.11ah的井下安全监测无线传感网中可直接接入同一IEEE 802.11ah AP节点；AP通信范围内大量密集部署的传感器节点与该AP通过单跳的方式直接建立连接并上传监测数据，无需中间节点，任何节点的故障失效都不会对其他节点的传输造成影响，网络抗毁性强，且新加入的节点也只要直接与AP建立连接即可进行数据上传；AP通过与井下无线网关连接，将众多井下传感器节点采集到的煤矿安全监测信息上传；网关通过光纤与地面监控中心以有线方式连接，最终将传感器监测信息传至地面监控中心。
图3 基于IEEE 802.11ah的井下安全监测无线传感网
Fig.3 Underground safety monitoring wireless sensor network based on IEEE 802.11ah
IEEE 802.11ah通信范围广、允许接入同一AP的节点数目多，井下传感器密集部署的大范围区域只需安置少量AP就可以完成组网，无需大量组网设备，网络拓扑结构简单，从而降低了井下安全监测传感网的布设难度和成本，增强了监测网络的可靠性和抗毁性；特有的RAW机制通过对信道接入时间和节点分别进行分组，减少同时竞争信道的节点数，很好地协调了大量密集部署的传感器节点庞大上传数据对信道的需求，保证井下安全监测传感网的传输性能；多种降低网络传输能耗的节能机制，延长了井下传感器节点的使用寿命；工作频段较低，在1 GHz以下，由于通信信号在低频段的传输性好、穿透性强，在复杂、障碍物多、高频信号易被吸收的井下环境中不易被遮挡或吸收，从而可实现更长的传输距离。
井下煤仓、采区回风巷等处部署的本安甲烷传感器、机电硐室等处部署的本安温度传感器、通风机等设备部署的本安开停传感器等上电启动后，主动发送探测请求，通过收到的回复确定其所在区域可连接到的IEEE 802.11ah AP节点；传感节点根据该AP的认证管理机制确定当前是否可向其发送认证请求，若可以则发送认证请求以进行后续连接，若不可以则需等待一个信标帧间隔，再次进行上述是否允许认证的判定，以避免大量节点同时竞争信道产生的碰撞问题；当前可进行认证的传感器节点向该AP发送认证请求，得到回复则向该AP发送关联请求，若收到连接请求回复证明已成功接入该AP节点，完成基于IEEE 802.11ah的井下无线监测传感网组网，就可进行后续监测数据传输。
3 性能分析
利用NS-3仿真平台[6-8]对煤矿安全监测无线传感网的应用场景进行仿真，验证IEEE 802.11ah相较于传统IEEE 802.11系列协议应用于井下安全监测无线传感网的性能优势。
3.1 传输距离对比
IEEE 802.11ah协议相较于传统IEEE 802.11协议可以获得更大的覆盖范围。随着传输距离的增加，不同WiFi模型(WiFi模型用于描述网络的物理信道速率和信道带宽)下，IEEE 802.11ah与IEEE 802.11ac、IEEE 802.11b的丢包率如图4所示。丢包率为1时，说明传输距离超过通信范围。
图4 传输距离对比
Fig.4 Comparison of transmission distance
从图4可看出，IEEE 802.11ac在传输距离接近60 m时丢包率已经为1；IEEE 802.11b在传输距离接近100 m时丢包率已经为1；WiFi模型MCS7,2 MHz(物理层信道数据传输速率为6.5 Mbit/s，带宽为2 MHz)的IEEE 802.11ah MCS7,2在传输距离为130 m时丢包率为0，在传输距离为135 m时丢包率才开始上升，在传输距离约为150 m时丢包率达到1；WiFi模型MCS7,1 MHz(物理层信道数据传输速率为3 Mbit/s，带宽为1 MHz)的IEEE 802.11ah MCS7,1在传输距离为200 m时丢包率为0，在传输距离为230 m之后丢包率才开始急剧上升，在传输距离约为260 m时丢包率为1；WiFi模型MCS4,1 MHz(物理层信道数据传输速率为1.8 Mbit/s，带宽为1 MHz)的IEEE 802.11ah MCS4,1在传输距离为250 m时丢包率为0，之后丢包率骤升，在传输距离约为285 m时丢包率为1；WiFi模型MCS0,1 MHz(物理层信道数据传输速率为300 kbit/s，带宽为1 MHz)的IEEE 802.11ah MCS0,1在传输距离为600 m时丢包率仍为0，传输距离710 m之后丢包率才为1。证明IEEE 802.11ah的传输距离远大于传统IEEE 802.11系列协议。
3.2 吞吐量、时延、能耗对比
依据煤矿安全监测系统的实际应用场景，鉴于IEEE 802.11ac传输距离较小，本仿真仅选取IEEE 802.11b与IEEE 802.11ah进行对比。由于IEEE 802.11b传输距离限制，设定节点随机分布在半径为90 m的圆形范围内、接入点AP位于圆心的固定网络拓扑。本文考虑实际场景中传感网一般包含不同种类传感器，以含2种不同传感器节点的传感网为例，设定传感网中进行信息采集的传感器节点的发包间隔和发包大小情况：以0.5 s的发包间隔周期性向AP发送大小为256 byte的数据包和以0.2 s 的发包间隔发送大小为64 byte的数据包。鉴于井下安全监测无线传感网中上行数据量远大于下行数据，本文只针对用于信息采集的传感器节点周期传输的上行数据进行研究，验证IEEE 802.11ah由于RAW机制的设置，随着节点数的增加，在吞吐量、时延、能耗三方面表现出的性能优势。仿真参数设置见表1。为在各自所支持的DataMode范围内尽量保持仿真参数设置一致，DataMode选择分别为DsssRate5_5 Mbit/s(IEEE 802.11b)、MCS7,2 MHz(IEEE 802.11ah)。
表1 仿真参数
Table 1 Simulation parameters
吞吐量特性对比如图5所示，图中NRAW为RAW的分组数。从图5可看出，当节点数较少、网络未饱和时，节点竞争信道冲突和碰撞情况并不严重，IEEE 802.11ah的RAW机制优势不明显，IEEE 802.11ah和IEEE 802.11b吞吐量相近；当接入节点数为128时，吞吐量达到峰值，网络达到饱和；之后，随着接入节点数的增加，IEEE 802.11ah吞吐量略有下降，下降幅度小且渐趋稳定，而IEEE 802.11b吞吐量持续急剧下降。
时延特性对比如图6所示。从图6可看出，当节点数较少、网络未饱和时，节点竞争信道冲突和碰撞情况并不严重，IEEE 802.11ah的RAW机制优势不明显，IEEE 802.11ah和IEEE 802.11b时延相近，甚至由于分组原因导致IEEE 802.11ah时延略高于IEEE 802.11b；当接入节点数为128时，网络达到饱和；之后，随着接入节点数的增加，虽时延都有所上升，但IEEE 802.11ah的时延增幅明显低于IEEE 802.11b，且节点数越多，增幅差距越明显。
图5 吞吐量特性对比
Fig.5 Comparison of throughput characteristics
图6 时延特性对比
Fig.6 Comparison of delay time characteristics
网络总能耗特性对比如图7所示。从图7可看出，当节点数较少、网络未饱和时，节点竞争信道冲突和碰撞情况并不严重，IEEE 802.11ah的RAW机制优势不明显，IEEE 802.11ah能耗优势表现虽不明显，但由于其设置多种节能机制，能耗一直比IEEE 802.11b低；当接入节点数为128时，网络达到饱和；之后，随着接入节点数的增加，IEEE 802.11ah能耗优势越来越明显，虽都有所上升，但IEEE 802.11ah增幅明显低于IEEE 802.11b。
图7 能耗特性对比
Fig.7 Comparison of energy consumption characteristics
通过以上分析可知，随着节点数的增加，IEEE 802.11ah在吞吐量、时延、能耗方面的特性较IEEE 802.11b优势明显，另外，随着RAW分组数的增大，IEEE 802.11ah网络吞吐量和能耗性能也有所提升，时延特性略有下降。IEEE 802.11ah网络上行链路数据传输性能与RAW参数的选取有关，准确选取RAW参数可以更好地发挥基于IEEE 802.11ah的煤矿安全监测无线传感网的性能优势。
4 结论
(1) 提出将IEEE 802.11ah协议应用于煤矿安全监测无线传感网，并通过仿真对其性能进行了分析。结果表明，IEEE 802.11ah的传输距离远大于传统IEEE 802.11系列协议，随着网络中节点数的增加，其吞吐量、时延、能耗性能优势越来越明显。
(2) 目前针对IEEE 802.11ah的研究还在不断开展，随着研究的深入，IEEE 802.11ah的性能优势将得到更好发挥，基于IEEE 802.11ah的井下安全监测无线传感网性能也将进一步得到优化。
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