基于802.11ah井下監(jiān)測傳感網的RAW重分組研究

楊俊秋， 王艷芬， 王倩玉， 陳曉晶， 劉豐禎， 孫彥景

(1.中國礦業(yè)大學 信息與控制工程學院， 江蘇 徐州 221116;2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

煤礦安全開采需要對井下溫濕度、有害氣體濃度、煤層壓力等數據進行采集與監(jiān)測。早期煤礦監(jiān)測系統(tǒng)通常采用有線通信方式，布線復雜、網絡結構相對固定且容易被破壞。無線傳感網用于井下監(jiān)測[1-3]解決了上述問題，提高了煤礦安全監(jiān)測和危險預警水平。目前井下無線傳感網通信技術雖然已初具規(guī)模，但仍存在不少缺陷，如：ZigBee技術雖具有復雜度、功耗、成本低，網絡容量大等特點，但其井下傳輸距離不到100 m，且傳輸速率較低；UWB(Ultra Wide Band，超寬帶)技術與ZigBee相比傳輸速率高，且抗干擾性好，多徑分辨能力強，但傳輸距離僅為10 m左右，多用于井下定位，不適用于煤礦環(huán)境監(jiān)測；WiFi技術雖然能提供較高的傳輸速率，但其覆蓋范圍與接入設備數量受限。

2016年12月，IEEE發(fā)布了802.11ah協(xié)議[4]。該協(xié)議采用900 MHz頻段，與傳統(tǒng)的2.4，5 GHz WiFi協(xié)議相比，其在井下的穿透能力強，有更廣的通信范圍(理論上可達1 km)。該協(xié)議支持最多8 191個設備接入、150 kbit/s～78 Mbit/s傳輸速率選擇，且功耗小，滿足井下無線傳感網對傳輸范圍、功耗、網絡容量、傳輸速率等的要求，可用于煤礦井下復雜環(huán)境監(jiān)測與預警系統(tǒng)。

IEEE 802.11ah協(xié)議在MAC層引入RAW(Restricted Access Window，限制接入窗口)機制，將無線終端節(jié)點分為多個RAW組，為每組分配1個時間窗口，在該時間窗口內只允許組內節(jié)點采用EDCA(Enhanced Distributed Channel Access，增強型分布式信道訪問)機制接入信道，其余節(jié)點不能接入，大大減少了大規(guī)模無線傳感網中節(jié)點間碰撞和干擾。然而，標準RAW機制只將AID(Assignment Identifier，關聯(lián)標志符)連續(xù)的節(jié)點分為一個RAW組，即AP(Access Point，接入點)在分組配置文件中設置每個RAW組的起始AID和終止AID，將AID位于二者之間(包含起始AID和終止AID)的節(jié)點分為一組。該分組方式不靈活。另外，通常情況下標準RAW機制依據節(jié)點關聯(lián)AP順序分配AID，而節(jié)點關聯(lián)AP的隨機性導致RAW分組具有隨機性，易導致組間負載不平衡，即一部分RAW組內流量大、負載重，而另一部分RAW組內流量小、負載輕，進而影響網絡性能。因此，有必要針對IEEE 802.11ah協(xié)議研究有效的RAW分組方法。文獻[5]引入門限判決機制，通過仿真實驗提出了RAW最優(yōu)分組方案。文獻[6-8]提出了滿足無線傳感網QoS(Quality of Service，服務質量)的RAW優(yōu)化分組方案，在時延、能量等約束的場景中建立數學模型，改善了RAW分組情況。文獻[9]提出每個RAW組持續(xù)時間應根據其所在的RAW組大小來確定，通過仿真驗證了該方法可增加上行鏈路吞吐量。文獻[10-11]提出了一種實時流量自適應RAW優(yōu)化分組算法，AP通過檢測每個節(jié)點在前一個信標內的傳輸信息，確定在下一個信標內為每個節(jié)點分配的資源量，提高了動態(tài)異構無線傳感網的上行鏈路吞吐量。但上述文獻只研究了RAW分組方法，并未考慮分組的具體實現方案。

本文針對基于802.11ah井下監(jiān)測傳感網的周期性監(jiān)測數據，提出了一種基于時延優(yōu)化的RAW重分組方法，通過3次分組解決標準RAW機制存在的組間負載不平衡問題。為實現RAW重分組，提出了AID分組重分配方法，使得監(jiān)測傳感網能夠根據網絡環(huán)境靈活調整RAW分組，提高了RAW重分組過程中的網絡性能。

1 網絡模型

本文研究的井下監(jiān)測傳感網模型如圖1所示。該網絡中存在N個不同類型(I,II,III)的傳感節(jié)點，如有害氣體濃度傳感節(jié)點、震動傳感節(jié)點、壓力傳感節(jié)點等。所有節(jié)點支持IEEE 802.11ah協(xié)議。假設各類傳感節(jié)點采樣間隔不同，采樣數據包大小相同，且周期性地向AP發(fā)送采樣數據包。AP匯聚數據包后通過網關傳送給地面監(jiān)控設備。網絡中傳感節(jié)點位置固定，采用單AP負責處理一定范圍內傳感節(jié)點數據。

圖1 井下監(jiān)測傳感網模型

AP與傳感節(jié)點間采用基礎架構模式進行單跳組網，并通過RAW機制管理信道資源。AP在初始分組配置文件中將所有傳感節(jié)點劃分為K個RAW組gk(k=1,2，…，K)，并為每個組分配1個RAW，設為Wk。每個RAW組內節(jié)點按DCF(Distributed Coordination Function)機制競爭使用信道。AP周期性廣播攜帶RAW分組信息RPS(RAW Parameter Set，RAW參數集)的信標，傳感節(jié)點接收信標幀，并根據幀中RPS判斷其對應的RAW組及RAW組持續(xù)時間。傳感節(jié)點僅在已分配的RAW組持續(xù)時間內醒來，與同組節(jié)點競爭使用信道上傳數據包，其余RAW組的節(jié)點在該時間段內保持睡眠狀態(tài)。

2 RAW重分組方法

在進行重分組時，需要確定新的RAW組數、持續(xù)時間及各組節(jié)點信息。本文提出一種基于時延優(yōu)化的RAW重分組方法，通過分析數據包預計傳輸時間，將所有傳感節(jié)點重新分組，并設計3次分組以減少節(jié)點間碰撞、降低時延。該方法原理如圖2所示，具體步驟如下。

圖2 RAW重分組方法原理

tx=Tpkt+TACK+TDIFS+TSIFS

(1)

式中：Tpkt為數據包傳輸時間，由數據包大小和調制編碼方式決定；TACK為傳輸確認信息的傳輸時間；TDIFS，TSIFS分別為IEEE 802.11ah協(xié)議的幀間間隔和短幀間隔。

根據每個數據包傳輸開始時刻和結束時刻，可得到每個數據包預計傳輸時間。將所有數據包預計傳輸時間投影到AP調度時間軸上。

(2) 根據各數據包預計傳輸時間計算相鄰2個數據包的預計傳輸時間間隔：

(2)

式中tp為2個傳輸數據包之間的保護間隔。

(6) 第2次分組完成后，檢查碰撞棧中是否還存在碰撞數據包，若有則開始第3次分組。根據預計傳輸時間計算每個RAW組經2次分組后可用空閑時間Δi-1，將Δi-1>1的RAW組按可用空閑時間大小降序排序，依次從碰撞棧中隨機獲取碰撞數據包(如圖2中數據包b)并安排分組，直至RAW組可用空閑時間用完，不夠安排1個數據包傳輸。此時信道已飽和，將碰撞棧中仍存在的數據包丟棄。隨機選擇傳輸碰撞數據包可避免在信道飽和情況下個別節(jié)點的數據包始終無法傳輸。

RAW重分組方法根據數據包預計傳輸時間對節(jié)點重新分組。通過第1次分組確定RAW組數和持續(xù)時間，對即時傳輸數據包進行分組，并把一部分碰撞數據包按最小時延安排分組；第2次分組允許每個RAW組中只含有1個碰撞數據包，該數據包在RAW組空閑時間段傳輸，此時RAW組內無碰撞；第3次分組在網絡中負載較重時使用，以減小碰撞為目的進行分組。通過3次分組確定了新的RAW組數、各組持續(xù)時間和組內節(jié)點信息。

3 RAW重分組實現方法

為實現RAW重分組，提供一種簡單可行的AID重分配方法：AP通過重關聯(lián)為同一RAW組內節(jié)點重新分配連續(xù)AID。該方法具體步驟：① 根據RAW重分組方法確定RAW組數和各組內節(jié)點的MAC地址。② 按分組順序建立各RAW組映射表，將組內節(jié)點MAC地址映射為連續(xù)AID(即重新分配的AID)。③ AP解除與所有節(jié)點的關聯(lián)。④ 節(jié)點向AP重新發(fā)送關聯(lián)請求，AP依照RAW組映射表查找請求節(jié)點MAC所對應的AID，將其回復給請求節(jié)點。為了保證節(jié)點傳輸的公平性，避免一部分節(jié)點因競爭失敗導致關聯(lián)時間過長，設定所有節(jié)點成功關聯(lián)后才允許節(jié)點傳輸數據。

AID重分配方法可解決非連續(xù)AID分組問題，但AP需要解除與所有節(jié)點的關聯(lián)，并重新關聯(lián)。在大規(guī)模監(jiān)測傳感網中，因信道競爭嚴重，重關聯(lián)過程時間較長，導致時間開銷較大。另外，在網絡運行過程中進行AID重分配將導致所有節(jié)點在斷開關聯(lián)時間內產生的數據包無法得到及時處理而出現丟包現象，影響網絡有效性和可靠性。

圖3 AID分組重分配方法原理

(1) 在網絡初始階段，所有節(jié)點通過CDMA/CA方式與AP建立連接，AP根據關聯(lián)順序為其分配AID，按初始分組配置文件并根據AID連續(xù)性對關聯(lián)節(jié)點進行分組，得到初始RAW組集合GK={gk},gk內節(jié)點為S。

(4) 在信標間隔內擴展1個時長為tm的RAW，如圖3中Wm，tm由RAW重分組方法確定。為了合理利用剩余時間，將初始RAW組持續(xù)時間壓縮，得到第k個初始RAW組持續(xù)時間：

(3)

式中：Tk為第k個初始RAW組中剩余節(jié)點預計傳輸時間；Tbeacon為信標間隔；Toverhead為Tbeacon內傳輸控制等信息所用的時間開銷。

4 仿真及結果分析

采用NS3仿真工具對RAW重分組方法的傳輸性能進行評估[12]，并與標準RAW機制進行比較。設井下監(jiān)測傳感網中傳感節(jié)點在半徑為400 m的區(qū)域內隨機分布，AP位于區(qū)域中心。網絡中設置3種傳感器，采樣周期分別為0.5，1，2 s。仿真時間為200 s。網絡主要參數如下。

頻率/MHz

900

信道噪聲/dB

6.8

仲裁幀間間隔時間/μs

316

信標間隔/s

2

擁塞窗口

(15,1 023)

RAW中slot數

1

速率控制算法

Constant

調制編碼方式

MCS0

帶寬/MHz

2

數據包/bytes

64

采用AID分組重分配方法和AID重分配方法時監(jiān)測傳感網的信道利用率(業(yè)務數據包傳輸所用時間與總信道可用時間的比值)和節(jié)點平均關聯(lián)時間分別如圖4、圖5所示。在10.5 s時對50個節(jié)點進行RAW重分組，重分組前后RAW組均為8個。從圖4可看出：AID重分配方法在RAW重分組過程中信道利用率為0，導致所有節(jié)點在該時間段內采樣數據包丟失，網絡傳輸性能嚴重下降；而AID分組重分配方法雖略微延長了RAW重分組時間，但該時間段內信道利用率僅降低10%左右，對網絡傳輸性能影響較小。從圖5可看出，AID分組重分配方法因采用分RAW組重關聯(lián)代替集中重關聯(lián)，節(jié)點關聯(lián)AP時間大幅降低，當網絡中有500個節(jié)點時，節(jié)點平均關聯(lián)時間僅為AID重分配方法的1/5左右，提高了RAW重分組過程中的網絡性能。

圖4 監(jiān)測傳感網信道利用率

從網絡時延、吞吐量和丟包率3個方面對RAW重分組方法性能進行評估，并與RAW組數為4，8，32時的標準RAW機制進行對比，結果如圖6—圖8所示。

從圖6可看出：網絡時延隨節(jié)點數增加而增大，

圖5 RAW重分組過程中節(jié)點平均關聯(lián)時間Fig.5 Average association time of nodes during RAW regrouping process

圖6 網絡時延對比Fig.6 Network time delay comparison

圖7 吞吐量對比Fig.7 Throughput comparison

圖8 丟包率對比Fig.8 Packet loss rate comparison

原因是節(jié)點數增加導致信道競爭劇烈，節(jié)點間碰撞概率增大；標準RAW機制中組數越多，網絡時延越大，原因是RAW組數過多會導致單個RAW組持續(xù)時間減小，部分數據包無法在當前RAW組內傳輸，被退避至下一個信標間隔對應的RAW組內傳輸；RAW重分組方法的網絡時延小于標準RAW機制，如存在500個節(jié)點時網絡時延降低了61.9%，原因是RAW重分組方法在1個周期內對每個數據包對應的節(jié)點進行分組，網絡時延不會超過該周期時間。

從圖7可看出：當節(jié)點不超過200個時，由于節(jié)點間數據碰撞較少，RAW重分組方法和標準RAW機制的吞吐量相差不大；對于標準RAW機制，當節(jié)點超過200個時，節(jié)點間數據碰撞嚴重，RAW組數越多則數據碰撞越少，吞吐量越高，但其增高受到一定限制，如RAW組數為8，32時吞吐量基本相等，此時RAW組數不是影響吞吐量的主要因素；當節(jié)點超過200個時，RAW重分組方法的吞吐量較標準RAW機制優(yōu)勢明顯，如400個節(jié)點情況下較RAW組數為32時提高了7.6%。

從如圖8可看出：當節(jié)點不超過200個時，RAW重分組方法和標準RAW機制的丟包率基本相等且變化不大；當節(jié)點超過200個時，丟包率因碰撞加劇而逐漸增大；對于標準RAW機制，在節(jié)點數大于200情況下，RAW組數為4時丟包率較大，原因是節(jié)點較多時，在單個RAW組內仍存在節(jié)點間數據碰撞，而RAW組數為8，32時丟包率相差不大，表明此時RAW組數對丟包率影響較?。划敼?jié)點超過200個時，RAW重分組方法的丟包率小于標準RAW機制，如400個節(jié)點情況下較RAW組數為32時降低了26.5%。

5 結語

將IEEE 802.11ah協(xié)議應用于煤礦井下無線監(jiān)測傳感網場景中，為降低環(huán)境變化對網絡性能的影響，提出了一種基于時延優(yōu)化的RAW重分組方法。仿真結果表明，與標準RAW機制相比，RAW重分組方法顯著降低了監(jiān)測傳感網傳輸時延，提高了網絡吞吐量，減小了丟包率，將其應用于井下監(jiān)測傳感網絡有利于精準、快速傳輸監(jiān)測及報警信息，從而保障礦井安全開采。