本發(fā)明涉及無線多媒體傳感器網(wǎng)絡技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種煤礦井下無線多媒體傳感器網(wǎng)絡中的區(qū)分服務實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

煤礦安全生產(chǎn)對環(huán)境監(jiān)測、無線語音通信和無線視頻監(jiān)視有迫切的需求。wmsns(wirelessmultimediasensornetworks，無線多媒體傳感器網(wǎng)絡)是在傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡基礎(chǔ)上引入了音頻、圖像、視頻等多媒體應用的新型傳感器網(wǎng)絡。wmsns具有快捷方便的無線接入、靈活多變的拓撲結(jié)構(gòu)和豐富的多媒體感知能力。因此，可以在煤礦井下構(gòu)建wmsns，以進一步提高煤礦井下環(huán)境監(jiān)測、無線語音通信和無線視頻監(jiān)視能力，保障煤礦井下安全生產(chǎn)。

煤礦井下wmsns集環(huán)境監(jiān)測、無線語音通信和無線視頻監(jiān)視為一體。環(huán)境監(jiān)測信息、音頻信息和視頻信息的業(yè)務流量特性、突發(fā)性、實時性和重要級別不同，對wmsnsqos(qualityofservice，服務質(zhì)量)的保障要求也不同。mac(mdiumaccesscontrol，媒體訪問控制)協(xié)議處于wmsns協(xié)議棧的底層部分，直接決定著數(shù)據(jù)報文和控制消息對無線信道的訪問，在很大程度上影響著wmsns中業(yè)務的性能和服務質(zhì)量。因此，需要提出區(qū)分服務的mac協(xié)議以使煤礦井下wmsns支持不同qos保障的業(yè)務。

現(xiàn)有的wmsns區(qū)分服務mac協(xié)議，業(yè)務一般也被分為視頻業(yè)務、非實時業(yè)務和盡力而為業(yè)務。視頻業(yè)務被設(shè)置為高優(yōu)先級業(yè)務，擁有最小的競爭窗口和最大的占空比，在吞吐量和時延方面的性能被優(yōu)先保障。非實時業(yè)務被設(shè)置為中等優(yōu)先級業(yè)務，擁有中等大小的競爭窗口和占空比，在吞吐量和時延方面的性能僅次于視頻業(yè)務。盡力而為業(yè)務被設(shè)置為低優(yōu)先級業(yè)務，擁有最大的競爭窗口和最小的占空比，在吞吐量和時延方面的性能遠不如視頻業(yè)務和非實時業(yè)務。

目前，wmsns采用的mac協(xié)議大多數(shù)是基于時分多址(tdma)機制或基于帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問(csma/ca)機制。煤礦井下環(huán)境監(jiān)測節(jié)點集一氧化碳、甲烷、溫度、濕度、氣壓、風速、粉塵濃度和煙霧濃度等多種類型傳感器為一體，一般只在關(guān)鍵的監(jiān)測區(qū)域進行少量的布置。語音節(jié)點為井下作業(yè)人員隨身攜帶的礦用防爆型手機，一般在同一監(jiān)測區(qū)域只有部分的井下作業(yè)人員隨身攜帶。視頻節(jié)點為布置在煤礦井下的礦用防爆型攝像機，一般只對監(jiān)測區(qū)域的關(guān)鍵目標進行視頻監(jiān)視，布置的數(shù)量也比較少。

在煤礦井下wmsns中環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點的數(shù)量一般都比較少。在節(jié)點數(shù)量較少的wmsns中應用csma/ca機制的mac協(xié)議，可以使網(wǎng)絡具有更高的吞吐量和更低的時延特性?，F(xiàn)有應用csma/ca機制的mac協(xié)議在節(jié)點數(shù)量較少的wmsns技術(shù)應用中，通常優(yōu)先保證視頻業(yè)務和語音業(yè)務，而對傳感數(shù)據(jù)業(yè)務的服務質(zhì)量保障較差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例提供了一種煤礦井下無線多媒體傳感器網(wǎng)絡中的區(qū)分服務實現(xiàn)方法，以實現(xiàn)了對環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音通信節(jié)點和視頻節(jié)點三種不同通信業(yè)務的區(qū)分服務，保障了煤礦井下wmsns三種不同通信業(yè)務的qos需求。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。

一種煤礦井下無線多媒體傳感器網(wǎng)絡中的區(qū)分服務實現(xiàn)方法，包括：

在煤礦井下無線多媒體傳感器網(wǎng)絡中設(shè)置環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點、視頻節(jié)點，所述環(huán)境監(jiān)測節(jié)點通過傳感器采集環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，形成傳感數(shù)據(jù)業(yè)務，所述語音節(jié)點采集語音數(shù)據(jù)，形成語音數(shù)據(jù)業(yè)務，所述視頻節(jié)點采集視頻數(shù)據(jù)，形成視頻數(shù)據(jù)業(yè)務；

根據(jù)所述傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務不同的服務質(zhì)量要求，給所述傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務分別設(shè)計不同的競爭窗口；

所述環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點、視頻節(jié)點分別基于各種的競爭窗口按照設(shè)定的業(yè)務傳輸競爭策略，通過無線多媒體傳感器網(wǎng)絡的信道向地面監(jiān)控中心傳輸傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音數(shù)據(jù)業(yè)務和視頻數(shù)據(jù)業(yè)務。

進一步地，所述的在煤礦井下無線多媒體傳感器網(wǎng)絡中設(shè)置環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點、視頻節(jié)點，包括：

構(gòu)建煤礦井下無線多媒體傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)包括地面監(jiān)控中心、有線光纖骨干網(wǎng)和部署在煤礦井下的無線多媒體傳感器網(wǎng)絡，煤礦井下的無線多媒體傳感器網(wǎng)絡包含環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點、視頻節(jié)點、簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點，所述簇頭節(jié)點為環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點提供無線接入服務，并以單跳或多跳中繼的方式將匯集的多媒體信息傳遞至匯聚節(jié)點，所述匯聚節(jié)點通過有線光纖骨干網(wǎng)將匯集的多媒體信息傳遞至地面監(jiān)控中心。

進一步地，所述的根據(jù)所述傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務不同的服務質(zhì)量要求，給所述傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務分別設(shè)計不同的競爭窗口，包括：

為傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務分別設(shè)計了最小、中等和最大的競爭窗口，所述環(huán)境監(jiān)測節(jié)點在傳感數(shù)據(jù)業(yè)務對應的競爭窗口中選擇最小的退避時間計數(shù)器的值，所述語音節(jié)點在語音業(yè)務對應的競爭窗口中選擇中等的退避時間計數(shù)器的值，所述視頻節(jié)點在視頻業(yè)務對應的競爭窗口中選擇最大的退避時間計數(shù)器的值。

進一步地，所述的根據(jù)所述傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務不同的服務質(zhì)量要求，給所述傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務分別設(shè)計不同的競爭窗口，包括：

用第i類業(yè)務分別表示傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務，用第i類節(jié)點分別表示環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點，i＝1,2,3，對第i類節(jié)點發(fā)送第i類業(yè)務所設(shè)計的退避時間計數(shù)器為：

ti,backoff＝random(cwi)×aslottimecwi∈[wi,0,wi,max]

式中，ti,backoff為第i類業(yè)務退避時間計數(shù)器的取值，cwi為第i類業(yè)務的競爭窗口，random(cwi)為第i類業(yè)務在競爭窗口[0，cwi)內(nèi)隨機選取的整數(shù)，aslottime為無線多媒體傳感器網(wǎng)絡的信道的時隙長度，wi,0和wi,max分別為第i類業(yè)務的最小競爭窗口和最大競爭窗口。

進一步地，設(shè)計第i類業(yè)務競爭窗口cwi為：

式中，wi,j為第i類業(yè)務在第j個退避級數(shù)時的競爭窗口，mi表示第i類業(yè)務的最大退避級數(shù)，當?shù)趇類業(yè)務達到最大退避級數(shù)mi時，第i類業(yè)務的窗口為最大競爭窗口，即li表示第i類業(yè)務的最大重傳次數(shù)，li的值大于最大退避級數(shù)mi的值。

進一步地，所述的環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點、視頻節(jié)點分別基于各種的競爭窗口按照設(shè)定的業(yè)務傳輸競爭策略，通過無線多媒體傳感器網(wǎng)絡的信道向地面監(jiān)控中心傳輸傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音數(shù)據(jù)業(yè)務和視頻數(shù)據(jù)業(yè)務，包括：

環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點在發(fā)送傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務之前對無線多媒體傳感器網(wǎng)絡的信道進行監(jiān)聽，當監(jiān)聽到無線多媒體傳感器網(wǎng)絡的信道的空閑時間長于分布式幀間間隙時，所述環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點分別在各自競爭窗口內(nèi)隨機選取一個退避時間計數(shù)器；

當所述環(huán)境監(jiān)測節(jié)點的退避時間計數(shù)器減小到0時，所述環(huán)境監(jiān)測節(jié)點通過無線多媒體傳感器網(wǎng)絡的信道向簇頭節(jié)點傳輸傳感數(shù)據(jù)業(yè)務，所述語音節(jié)點和視頻節(jié)點的退避時間計數(shù)器暫停計數(shù)，所述簇頭節(jié)點接收到來自環(huán)境監(jiān)測節(jié)點發(fā)送的傳感數(shù)據(jù)業(yè)務數(shù)據(jù)包后，向所有節(jié)點發(fā)送確認接收應答包；

所述環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點接收到來自簇頭節(jié)點發(fā)送的確認接收應答包后，重新開始監(jiān)聽無線多媒體傳感器網(wǎng)絡的信道，當監(jiān)聽到無線多媒體傳感器網(wǎng)絡的信道的空閑時間長于分布式幀間間隙時，所述語音節(jié)點和視頻節(jié)點的退避時間計數(shù)器從上次暫停計數(shù)的值繼續(xù)開始計數(shù)；

當所述語音節(jié)點的退避時間計數(shù)器減小到0時，所述語音節(jié)點通過無線多媒體傳感器網(wǎng)絡的信道向簇頭節(jié)點傳輸語音業(yè)務，所述視頻節(jié)點的退避時間計數(shù)器暫停計數(shù)，所述簇頭節(jié)點接收到來自環(huán)境監(jiān)測節(jié)點發(fā)送的傳感數(shù)據(jù)業(yè)務數(shù)據(jù)包后，向所有節(jié)點發(fā)送確認接收應答包；

所述環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點接收到來自簇頭節(jié)點發(fā)送的確認接收應答包后，重新開始監(jiān)聽無線多媒體傳感器網(wǎng)絡的信道，當監(jiān)聽到無線多媒體傳感器網(wǎng)絡的信道的空閑時間長于分布式幀間間隙時，所述視頻節(jié)點的退避時間計數(shù)器從上次暫停計數(shù)的值繼續(xù)開始計數(shù)，當所述視頻節(jié)點的退避時間計數(shù)器減小到0時，所述視頻節(jié)點通過無線多媒體傳感器網(wǎng)絡的信道向簇頭節(jié)點傳輸視頻業(yè)務。

進一步地，所述的方法還包括：

假設(shè)ps,i表示第i類業(yè)務在一個時隙內(nèi)成功傳輸數(shù)據(jù)包的概率,e(li)表示第i類業(yè)務傳輸數(shù)據(jù)包的平均有效載荷，則傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務在一個時隙內(nèi)傳輸?shù)挠行ж撦dsi可以表示為：

si＝ps,ie(li)

式中，e(li)取決于傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務數(shù)據(jù)包的大小，ps,i等于只有一個第i類節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，其他節(jié)點都不發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率之和，即

第i類業(yè)務成功傳輸數(shù)據(jù)包的平均持續(xù)時間ts,i由下式表示：

ts,i＝th+te(li)+sifs+tack+difs

式中，th表示傳輸物理層頭文件和mac層頭文件的持續(xù)時間，te(li)表示第i類業(yè)務數(shù)據(jù)包傳輸?shù)钠骄掷m(xù)時間，sifs表示等待短幀間間隔持續(xù)時間，tack表示傳輸ack的持續(xù)時間，difs表示等待分布式幀間間隙持續(xù)時間；

信道沖突的平均持續(xù)時間tc由下式表示

tc＝th+te(l*)+sifs+tack+difs

式中，te(l*)表示沖突中最長數(shù)據(jù)包傳輸?shù)钠骄掷m(xù)時間。

進一步地，所述的方法還包括：

煤礦井下無線多媒體傳感器網(wǎng)絡中的傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務mac層的接入時延為數(shù)據(jù)包從開始競爭信道到成功被發(fā)送或達到最大重傳次數(shù)而被放棄發(fā)送的時間，包括wmsns信道空閑時退避時間計數(shù)器經(jīng)歷退避時隙的時間，wmsns信道忙時退避時間計數(shù)器被凍結(jié)的時間，以及發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗經(jīng)歷的時間；

第i類業(yè)務在第j次重傳完成數(shù)據(jù)包被成功發(fā)送的概率pi,j表示為：

用隨機變量xi表示在不考慮退避時間計數(shù)器被凍結(jié)的情況下第i類業(yè)務成功發(fā)送數(shù)據(jù)包前所經(jīng)歷的時隙數(shù)，則隨機變量xi的數(shù)學期望e(xi)用第i類業(yè)務每次重傳所經(jīng)歷平均時隙數(shù)的和表示，有：

隨機變量bi表示第i類業(yè)務在退避過程中退避時間計數(shù)器被凍結(jié)的次數(shù)，則隨機變量bi的數(shù)學期望e(bi)用e(xi)與每次退避可能遇到凍結(jié)概率的乘積表示，即：

用e(ni)表示第i類業(yè)務數(shù)據(jù)包被重傳的平均次數(shù)，則：

用隨機變量to表示傳輸數(shù)據(jù)包沖突后等待下一次競爭的時間，則：

to＝sifs+tack_timeout

其中，tack—timeout表示ack超時的持續(xù)時間；

用隨機變量di表示第i類業(yè)務mac層接入時延，則隨機變量di的數(shù)學期望e(di)表示為：

其中，e(xi)δ為第i類業(yè)務信道空閑時退避時間計數(shù)器經(jīng)歷退避時隙所用的時間，為第i類業(yè)務信道忙時退避時間計數(shù)器被凍結(jié)的時間，e(ni)(tc+to)為第i類節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗經(jīng)歷的時間。

由上述本發(fā)明的實施例提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明通過為傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務設(shè)計不同的競爭窗口，實現(xiàn)三種業(yè)務的區(qū)分服務，以保障三種業(yè)務不同的服務質(zhì)量需求。建立三種業(yè)務退避級數(shù)和退避時間計數(shù)器的markov鏈模型，并分析區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議的飽和吞吐量和接入時延方面的性能。仿真實驗結(jié)果表明，在低負載狀態(tài)下和高負載狀態(tài)下，所提出的煤礦井下區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議可以通過減小視頻業(yè)務的吞吐量來增加傳感數(shù)據(jù)業(yè)務和語音業(yè)務的吞吐量，通過增大視頻業(yè)務的時延來減小傳感數(shù)據(jù)業(yè)務和語音業(yè)務的時延。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種煤礦井下wmsns體系結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種煤礦井下wmsns區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議的設(shè)計原理示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的一種第i類業(yè)務的二維離散時間markov鏈狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個”、“所述”和“該”也可包括復數(shù)形式。應該進一步理解的是，本發(fā)明的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應該理解，當我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個或更多個相關(guān)聯(lián)的列出項的任一單元和全部組合。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

為便于對本發(fā)明實施例的理解，下面將結(jié)合附圖以幾個具體實施例為例做進一步的解釋說明，且各個實施例并不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定。

無線多媒體傳感器網(wǎng)絡對實現(xiàn)煤礦井下多媒體監(jiān)測具有重要的價值。為保障煤礦井下wmsns傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務對網(wǎng)絡服務質(zhì)量不同的要求，提出了一種煤礦井下wmsns區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議。

本發(fā)明實施例基于csma/ca機制的mac協(xié)議，提出了一種煤礦井下wmsns區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議。所提出的mac協(xié)議通過為環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點的三種不同通信業(yè)務設(shè)計不同的競爭窗口，實現(xiàn)了對環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音通信節(jié)點和視頻節(jié)點三種不同通信業(yè)務的區(qū)分服務，保障了煤礦井下wmsns三種不同通信業(yè)務的qos需求。

煤礦井下wmsns業(yè)務qos保障需求與現(xiàn)有的wmsns業(yè)務qos保障需求存在很大的差別。煤礦井下環(huán)境監(jiān)測無線傳感器節(jié)點所監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)為傳感數(shù)據(jù)業(yè)務，業(yè)務對無線傳輸?shù)膸捫枨笠话爿^低。但是，傳感數(shù)據(jù)業(yè)務直接關(guān)系到煤礦安全，對傳輸時延要求很高，需要被設(shè)置為高優(yōu)先級業(yè)務。為保障地面監(jiān)控中心與井下作業(yè)人員之間語音通話的實時性，語音業(yè)務一般設(shè)為中等優(yōu)先級業(yè)務。煤礦井下視頻業(yè)務主要源于對井下作業(yè)情況的視頻監(jiān)控，視頻業(yè)務存在一定時延通常不會對煤礦井下安全生產(chǎn)產(chǎn)生影響。煤礦井下視頻業(yè)務以視頻幀為傳輸單位，數(shù)據(jù)量相對較大，但視頻業(yè)務只需設(shè)為低優(yōu)先級?？梢?，為確保煤礦井下wmsns為不同業(yè)務提供qos保障，需基于煤礦井下wmsns傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務的重要性、發(fā)生頻率、單向或雙向傳輸?shù)臉I(yè)務流特性，歸納出煤礦井下wmsns業(yè)務的基本模型。

煤礦井下wmsns體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，體系結(jié)構(gòu)主要由地面監(jiān)控中心部、有線光纖骨干網(wǎng)和部署在煤礦井下的wmsns等3層體系結(jié)構(gòu)組成。煤礦井下wmsns包含環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點、視頻節(jié)點、簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點。簇頭節(jié)點為環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點提供無線接入服務，并以單跳或多跳中繼的方式將匯集的多媒體信息傳遞至匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點通過有線光纖骨干網(wǎng)將匯集的多媒體信息傳遞至地面監(jiān)控中心。通過這種方式，地面監(jiān)控中心可以實時監(jiān)測煤礦井下重要的環(huán)境參數(shù)，與井下作業(yè)人員實時語音通信，并對井下作業(yè)情況進行視頻監(jiān)控。

傳感數(shù)據(jù)業(yè)務

傳感數(shù)據(jù)業(yè)務由部署在煤礦井下的環(huán)境監(jiān)測節(jié)點產(chǎn)生，是煤礦井下wmsns的基本業(yè)務。每個環(huán)境監(jiān)測節(jié)點集成多種類型的傳感器，可同時采集多種類型的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。環(huán)境監(jiān)測節(jié)點對采集的各種環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理和封裝，形成傳感數(shù)據(jù)業(yè)務，然后通過wmsns上傳到地面監(jiān)控中心。

傳感數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸方向是從煤礦井下向地面監(jiān)控中心單向傳輸。傳感數(shù)據(jù)業(yè)務的業(yè)務量與環(huán)境監(jiān)測節(jié)點的數(shù)量、單個環(huán)境監(jiān)測節(jié)點集成傳感器的數(shù)目以及傳感器采集環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的頻率有關(guān)。煤礦井下一般需要監(jiān)測一氧化碳、甲烷、溫度、濕度、氣壓、風速、粉塵濃度和煙霧濃度等8種類型的重要環(huán)境參數(shù)。若每種傳感器采集環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的頻率為1s一次，每次環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的大小為512bits，則每種傳感器的數(shù)據(jù)速率約為0.5kbps，這樣一個集成8種類型傳感器的環(huán)境監(jiān)測節(jié)點產(chǎn)生的傳感數(shù)據(jù)業(yè)務的數(shù)據(jù)速率約為4kbps。煤礦井下一個wmsns一般布置2～6個環(huán)境監(jiān)測節(jié)點，傳感數(shù)據(jù)業(yè)務的數(shù)據(jù)速率約為8kbps～24kbps。可見，煤礦井下wmsns傳感數(shù)據(jù)業(yè)務的帶寬需求較低。但是，為確保地面監(jiān)控中心能夠?qū)崟r監(jiān)測煤礦井下的環(huán)境信息，傳感數(shù)據(jù)業(yè)務對傳輸?shù)膶崟r性要求較高。

語音業(yè)務

語音業(yè)務主要是煤礦井下wmsns內(nèi)的語音節(jié)點與地面監(jiān)控中心之間語音調(diào)度通信產(chǎn)生的業(yè)務。煤礦井下語音調(diào)度通信一般單次通話時長較短，但語音調(diào)度通信具有頻率較高、突發(fā)性較強的特點。奈奎斯特原理規(guī)定語音的采樣頻率為每秒8000次，每次8比特，因此語音通信的基帶帶寬為64kbps。為提高語音通信的傳輸效率和可靠性，可采用g.711音頻編碼方式對語音通信帶寬進行壓縮，壓縮后的傳輸帶寬為90.4kbps。煤礦井下一個wmsns語音節(jié)點的數(shù)量一般為1～3個，語音業(yè)務的數(shù)據(jù)速率約為90.4kbps～271.2kbps。為保證通話聲音的可辨識性，語音通信端到端的時延一般不超過150ms。因此，對煤礦井下wmsns語音業(yè)務端到端的傳輸時延要求不能超過150ms。

視頻業(yè)務

視頻業(yè)務由煤礦井下wmsns內(nèi)的視頻監(jiān)視節(jié)點產(chǎn)生。視頻監(jiān)視節(jié)點采集的視頻信息通過wmsns上傳到地面監(jiān)控中心，為地面監(jiān)控中心提供井下作業(yè)直觀的視頻信息。視頻監(jiān)視節(jié)點可接收地面監(jiān)控中心的控制指令，根據(jù)控制指令調(diào)整監(jiān)視視角，滿足地面監(jiān)控中心的觀察需求。

視頻業(yè)務以視頻幀為傳輸單位，數(shù)據(jù)量相對較大，具體的傳輸速率與采用的視頻壓縮標準有關(guān)。h.264視頻壓縮標準由itu-t和iso/iec共同開發(fā)，壓縮效率較高，且對信道時延具有較強的適應性。同時，h.264視頻壓縮標準加強了對誤碼和丟包的處理，提高了解碼器的差錯恢復能力，十分適用于煤礦井下視頻監(jiān)控。h.264視頻壓縮標準的壓縮速率為32kbps～2mbps。煤礦井下一個wmsns一般布置1～3個視頻節(jié)點，視頻業(yè)務的數(shù)據(jù)速率約為32kbps～6mbps。

與傳感數(shù)據(jù)業(yè)務和語音業(yè)務相比，煤礦井下wmsns視頻業(yè)務對實時性的要求相對較低。原因是視頻業(yè)務主要是幫助地面監(jiān)控中心直觀地了解煤礦井下作業(yè)情況，并不直接涉及到煤礦井下作業(yè)環(huán)境安全參數(shù)。為保證井下視頻畫面質(zhì)量，視頻業(yè)務對網(wǎng)絡傳輸?shù)姆€(wěn)定性具有較高的要求。

表1從業(yè)務狀態(tài)、帶寬需求、實時性、方向性等方面對煤礦井下wmsns業(yè)務的特點進行了歸納。

表1煤礦井下wmsns業(yè)務的特點

wmsns區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議的算法描述

從上面對煤礦井下wmsns多媒體業(yè)務需求的分析可以看出，煤礦井下傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務存在不同的流量特性和qos保障需求。為此，提出了一種煤礦井下wmsns區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議。所提出區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議通過為傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務設(shè)計不同的競爭窗口，合理退避，實現(xiàn)了三種業(yè)務的區(qū)分服務，保障了不同業(yè)務的qos需求。根據(jù)表1煤礦井下wmsns業(yè)務的特點，將傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務的優(yōu)先級分別設(shè)置為高級、中級和低級。

圖2示意了所提出的煤礦井下wmsns區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議的設(shè)計原理示意圖。在圖2中，環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點在發(fā)送傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務之前要對wmsns信道進行監(jiān)聽。當煤礦井下wmsns信道空閑時間長于difs(distributedinter-framespacing，分布式幀間間隙)時，環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點分別在各自競爭窗口內(nèi)隨機選取一個退避時間計數(shù)器。當某個節(jié)點的退避時間計數(shù)器減小到0時，該節(jié)點就開始發(fā)送數(shù)據(jù)包。針對傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務的不同優(yōu)先級，為傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務分別設(shè)計了最小、中等和最大的競爭窗口。這樣環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點在競爭窗口內(nèi)隨機選取的退避時間計數(shù)器的值也就分別最小、中等和最大。由于傳感數(shù)據(jù)業(yè)務退避時間計數(shù)器通常最小，所以環(huán)境監(jiān)測節(jié)點的退避時間計數(shù)器一般最先減小到0，即最先完成退避過程，并開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，如圖2中的第一個競爭期后的豎線所示。此時語音節(jié)點和視頻節(jié)點的退避時間計數(shù)器同時暫停計數(shù)，延遲接入wmsns信道。簇頭節(jié)點成功接收來自環(huán)境監(jiān)測節(jié)點發(fā)送的傳感數(shù)據(jù)業(yè)務數(shù)據(jù)包，等待一個短幀間間隔(sifs)時間從接收狀態(tài)轉(zhuǎn)化為發(fā)送狀態(tài)，并向所有節(jié)點發(fā)送確認接收應答包(ack)，告知所有節(jié)點簇頭節(jié)點已經(jīng)成功接收數(shù)據(jù)包。

wmsns的所有節(jié)點接收來自簇頭節(jié)點發(fā)送的ack后，重新開始監(jiān)聽wmsns信道。當信道空閑時間長于difs時，語音節(jié)點和視頻節(jié)點的退避時間計數(shù)器從上次暫停計數(shù)的值繼續(xù)開始計數(shù)。這樣上次競爭中失敗的語音節(jié)點和視頻節(jié)點在下次競爭時的退避時間就較短，從而避免了優(yōu)先級低的業(yè)務一直競爭不到wmsns信道的情況。由于語音業(yè)務的退避時間計數(shù)器小于視頻業(yè)務，所以語音節(jié)點的退避時間計數(shù)器先減小到0，即其次完成退避過程，并開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，如圖2中的第二個競爭期后的豎線所示。此時視頻節(jié)點的退避時間計數(shù)器暫停計數(shù)，延遲接入wmsns信道，如果環(huán)境監(jiān)測節(jié)點也在競爭接入wmsns信道，那么環(huán)境監(jiān)測節(jié)點也暫停。同樣的，簇頭節(jié)點成功接收來自語音節(jié)點發(fā)送的語音業(yè)務數(shù)據(jù)包，等待一個sifs時間從接收狀態(tài)轉(zhuǎn)化為發(fā)送狀態(tài)，并向所有節(jié)點發(fā)送確認接收應答包(ack)，告知所有節(jié)點簇頭節(jié)點已經(jīng)成功接收數(shù)據(jù)包。

wmsns的所有節(jié)點接收來自簇頭節(jié)點發(fā)送的ack后，重新開始監(jiān)聽wmsns信道。當?shù)却诺揽臻e時間長于difs時，視頻業(yè)務的退避時間計數(shù)器從與語音業(yè)務競爭中暫停計數(shù)的值繼續(xù)開始計數(shù)。當視頻節(jié)點的退避時間計數(shù)器減小到0，即最后完成退避過程，并開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，如圖2中的第三個競爭期后的豎線所示。在上述環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程中，各種業(yè)務退避時間計數(shù)器的取值和競爭窗口的大小直接影響mac協(xié)議區(qū)分服務的性能。下面對煤礦井下wmsns區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議的退避時間計數(shù)器和競爭窗口的參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

假設(shè)用第i(i＝1,2,3)類業(yè)務分別表示傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務，用第i(i＝1,2,3)類節(jié)點分別表示環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點。對第i類節(jié)點發(fā)送第i類業(yè)務所設(shè)計的退避時間計數(shù)器為：

ti,backoff＝random(cwi)×aslottimecwi∈[wi,0,wi,max](1)

式中，ti,backoff為第i類業(yè)務退避時間計數(shù)器的取值，cwi為第i類業(yè)務的競爭窗口，random(cwi)為第i類業(yè)務在競爭窗口[0，cwi)內(nèi)隨機選取的整數(shù)，aslottime為時隙長度，wi,0和wi,max分別為第i類業(yè)務的最小競爭窗口和最大競爭窗口。在公式1中可以通過選取傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務不同的競爭窗口，來調(diào)節(jié)退避時間計數(shù)器的值以滿足不同業(yè)務的接入需求。

設(shè)計第i類業(yè)務競爭窗口cwi為：

式中，wi,j為第i類業(yè)務在第j個退避級數(shù)時的競爭窗口，mi表示第i類業(yè)務的最大退避級數(shù)，當?shù)趇類業(yè)務達到最大退避級數(shù)mi時，第i類業(yè)務的窗口為最大競爭窗口，即li表示第i類業(yè)務的最大重傳次數(shù)。這里假設(shè)第i類業(yè)務最大重傳次數(shù)li的值大于最大退避級數(shù)mi的值。

由公式2可知，第i類業(yè)務競爭窗口cwi的取值與業(yè)務發(fā)生碰撞的次數(shù)、最小競爭窗口wi,0和最大競爭窗口wi,max有關(guān)。第i類業(yè)務競爭窗口cwi的初值為最小競爭窗口wi,0。當?shù)趇類節(jié)點發(fā)送第i類業(yè)務發(fā)生碰撞時，業(yè)務的退避級數(shù)加1，競爭窗口cwi增加1倍。當?shù)趇類業(yè)務達到最大退避級數(shù)時，業(yè)務的競爭窗口cwi保持為最大競爭窗口wi,max不變，直到完成第i類業(yè)務的傳輸或達到最大重傳次數(shù)不再重新嘗試發(fā)送。

由于傳感數(shù)據(jù)業(yè)務直接關(guān)系到煤礦安全，所以設(shè)計傳感數(shù)據(jù)業(yè)務的競爭窗口始終保持小于語音業(yè)務和視頻業(yè)務。設(shè)計語音業(yè)務的最小競爭窗口與傳感數(shù)據(jù)業(yè)務的最大競爭窗口相同，保持語音業(yè)務的優(yōu)先級僅次于傳感數(shù)據(jù)業(yè)務。設(shè)計視頻業(yè)務的最小競爭窗口是語音業(yè)務最小競爭窗口的2倍，使得視頻業(yè)務接入wmsns信道的優(yōu)先級最低。同時，設(shè)計傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務的最大退避級數(shù)mi皆為2，即環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)包發(fā)生沖突后，退避兩次達到最大競爭窗口。綜上所述，表2給出了煤礦井下wmsns區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議三種業(yè)務不同的最小競爭窗口wi,0和最大競爭窗口wi,max的設(shè)計參數(shù)。

表2wmsns區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議wi,0和wi,max的設(shè)計參數(shù)

如表2所示，在所提出的煤礦井下wmsns區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議中，傳感器業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務的競爭窗口依次增大，用戶優(yōu)先級高的業(yè)務擁有更小的競爭窗口，始終保持更高等級的傳輸優(yōu)先級。

3.2系統(tǒng)模型

煤礦井下wmsns環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點自身內(nèi)部只存在一種業(yè)務，節(jié)點內(nèi)不存在不同業(yè)務的競爭。傳感數(shù)據(jù)業(yè)務為周期性業(yè)務，語音業(yè)務為突發(fā)性業(yè)務，視頻業(yè)務為連續(xù)性業(yè)務。當三種業(yè)務負載流量較低或在某段時間內(nèi)沒有語音業(yè)務時，是否采用區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議對wmsns多媒體業(yè)務qos保障區(qū)別不大。但在三種業(yè)務負載流量高的飽和狀態(tài)下，區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議對wmsns多媒體業(yè)務qos保障則十分重要。假設(shè)處于飽和工作狀態(tài)下的環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點的數(shù)量分別為n1、n2和n3，記為(n1,n2,n3)。當環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、視頻節(jié)點工作在穩(wěn)定的飽和狀態(tài)下時，發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)奏是不變的，而語音節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)奏雖然是隨機突發(fā)的，但在較長一段時間內(nèi)其隨機突發(fā)的統(tǒng)計概率是不變的。這樣可假設(shè)環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點每次發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率為不同的常數(shù)，記為τi。

假設(shè)煤礦井下wmsns信道沒有隱藏終端和信道捕獲，丟包僅因有兩個或兩個以上節(jié)點在同一個時隙同時發(fā)送數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞所引起。當某一環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點或視頻節(jié)點在某個時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包時，若剩余的所有節(jié)點中有其他節(jié)點在同一時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包，則會發(fā)生數(shù)據(jù)包的碰撞。那么第i類節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時發(fā)生碰撞的概率pc,i可以表示為：

式中，τi表示第i類節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率，ni表示第i類節(jié)點的數(shù)量。

煤礦井下wmsns信道忙的概率pb取決于工作的環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點的數(shù)量與它們發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率，pb應等于煤礦井下至少有一個節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率，因此有：

式中，τi表示第i類節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率，ni表示第i類節(jié)點的數(shù)量。

從圖2可以看到，環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點在發(fā)送傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務之前，需要完成各自的退避過程。在退避過程中的時刻t，假設(shè)第i類業(yè)務的退避級數(shù)和退避時間計數(shù)器分別用隨機變量s(i,t)和b(i,t)表示。那么第i類業(yè)務的退避級數(shù)和退避時間計數(shù)器{s(i,t+1),b(i,t+1)}只和前一時刻{s(i,t),b(i,t)}有關(guān)，而與{s(i,t-1),b(i,t-1)}無關(guān)。這樣就可以利用二維離散時間markov鏈建模傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務的退避過程，并得到如圖3所示退避級數(shù)和退避時間計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。這里需要說明的是，在圖3第i類業(yè)務的二維離散時間markov鏈中，傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務發(fā)送數(shù)據(jù)包時發(fā)生碰撞的概率pc,i不同，傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務的競爭窗口wi,j也不同。

圖3為第i類業(yè)務的二維離散時間markov鏈狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，從圖3第i類業(yè)務的二維離散時間markov鏈可以看出，傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務的退避過程可以被統(tǒng)一的描述為退避級數(shù)和退避時間計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務的退避級數(shù)和退避時間計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率可以由以下5個公式來描述：

式中，p{i,j,k|i,j,k+1}表示第i類業(yè)務從狀態(tài){s(i,t)＝j,b(i,t)＝k+1}轉(zhuǎn)移到狀態(tài){s(i,t+1)＝j,b(i,t+1)＝k}的轉(zhuǎn)移概率。式(5)的第1個公式表示第i類業(yè)務若檢測到信道空閑，則退避時間計數(shù)器在每個時隙的開始時刻減1。如果信道一直空閑，退避時間計數(shù)器會一直遞減為0。式(5)的第2個公式表示第i類業(yè)務若檢測到信道忙，則第i類業(yè)務的退避級數(shù)和退避時間計數(shù)器都保持在這個狀態(tài)不發(fā)生變化。當?shù)趇類業(yè)務退避時間計數(shù)器遞減為0時，開始發(fā)送數(shù)據(jù)包。若發(fā)送數(shù)據(jù)包時發(fā)生沖突，則第i類業(yè)務的退避級數(shù)加1，如式(5)的第3個公式所示。若成功發(fā)送數(shù)據(jù)包，則退避級數(shù)變?yōu)?，如式(5)的第4個公式所示。式(5)的第5個公式表示當?shù)趇類業(yè)務達到最大重傳次數(shù)時，無論發(fā)送數(shù)據(jù)包是否成功，下一刻退避級都將變?yōu)?，即使發(fā)送數(shù)據(jù)包發(fā)生沖突，第i類節(jié)點也會丟棄當前數(shù)據(jù)包放棄再次發(fā)送。

由于二維離散時間markov鏈是各態(tài)遍歷的，{s(i,t),b(i,t)}的平穩(wěn)分布就是極限分布，有：

為{s(i,t),b(i,t)}的平穩(wěn)分布。則有：

式(7)的第1個公式表示bi,j,0可以表達為bi,0,0發(fā)送數(shù)據(jù)包時碰撞j次的概率。式(7)的第2個公式表示所有bi,j,k在信道空閑條件下退避時間計數(shù)器遞減到0的概率之和為bi,j,0。式(7)的第3個公式表示第i類業(yè)務的所有退避階段取盡所有退避時間計數(shù)器值的概率之和為1。

從式(8)可以看出，第i類節(jié)點發(fā)送第i類業(yè)務數(shù)據(jù)包的概率τi取決于第i類節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時發(fā)生碰撞的概率pc,i，第i類業(yè)務的最大重傳次數(shù)li以及第i類業(yè)務在退避級數(shù)為0階段，退避時間計數(shù)器遞減為0的概率bi,0,0。其中bi,0,0可以由式(7)計算。

從圖3第i類業(yè)務的二維離散時間markov鏈可以看出，環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點分別發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率τ1、τ2和τ3，應等于第i類節(jié)點在各個退避階段退避時間計數(shù)器遞減為0的概率之和，即：

在所提出的煤礦井下wmsns區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議退避機制中，傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務的最大退避級數(shù)mi皆為2。因此，式(9)可以展開為：

式(3)、(4)、(8)和(10)構(gòu)成一個非線性方程組，通過數(shù)值解法可以解析這個方程組的近似解，得到當環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點工作數(shù)量為(n1,n2,n3)時，煤礦井下wmsns信道忙的概率pb，第i類節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率τi以及發(fā)送數(shù)據(jù)包時發(fā)生碰撞的概率pc,i。

3.3飽和吞吐量分析

假設(shè)ps,i表示第i類業(yè)務在一個時隙內(nèi)成功傳輸數(shù)據(jù)包的概率,e(li)表示第i類業(yè)務傳輸數(shù)據(jù)包的平均有效載荷，則傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務在一個時隙內(nèi)傳輸?shù)挠行ж撦dsi可以表示為：

si＝ps,ie(li)(11)

式中，e(li)取決于傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務數(shù)據(jù)包的大小，ps,i等于只有一個第i類節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，其他節(jié)點都不發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率之和，即

一個時隙內(nèi)有業(yè)務成功發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率ps等于傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務在一個時隙內(nèi)成功發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率之和，即

一個時隙所持續(xù)的平均時間t可以用信道空閑時間、成功傳輸數(shù)據(jù)包時間和信道沖突時間以及它們的概率來表示，即

式中，δ表示一個時隙信道空閑的持續(xù)時間，1-pb表示信道空閑的概率，ts,i表示第i類業(yè)務成功傳輸數(shù)據(jù)包的平均持續(xù)時間,tc表示信道沖突的平均持續(xù)時間，pb-ps為信道忙卻沒有成功傳輸數(shù)據(jù)包的概率，即信道沖突的概率。

第i類業(yè)務成功傳輸數(shù)據(jù)包的平均持續(xù)時間ts,i由下式表示

ts,i＝th+te(li)+sifs+tack+difs(15)

式中，th表示傳輸物理層頭文件和mac層頭文件的持續(xù)時間，te(li)表示第i類業(yè)務數(shù)據(jù)包傳輸?shù)钠骄掷m(xù)時間，sifs表示等待短幀間間隔持續(xù)時間，tack表示傳輸ack的持續(xù)時間，difs表示等待分布式幀間間隙持續(xù)時間。

信道沖突的平均持續(xù)時間tc由下式表示

tc＝th+te(l*)+sifs+tack+difs(16)

式中，te(l*)表示沖突中最長數(shù)據(jù)包傳輸?shù)钠骄掷m(xù)時間。

傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務的歸一化飽和吞吐量sni為其在一個時隙內(nèi)傳輸?shù)挠行ж撦dsi與一個時隙持續(xù)平均時間t的比值，即

3.4接入時延分析

煤礦井下wmsns傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務mac層的接入時延為數(shù)據(jù)包從開始競爭信道到成功被發(fā)送或達到最大重傳次數(shù)而被放棄發(fā)送的時間，包括wmsns信道空閑時退避時間計數(shù)器經(jīng)歷退避時隙的時間，wmsns信道忙時退避時間計數(shù)器被凍結(jié)的時間，以及發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗經(jīng)歷的時間。

第i類業(yè)務在第j次重傳完成數(shù)據(jù)包被成功發(fā)送的概率pi,j可以表示為

用隨機變量xi表示在不考慮退避時間計數(shù)器被凍結(jié)的情況下第i類業(yè)務成功發(fā)送數(shù)據(jù)包前所經(jīng)歷的時隙數(shù)，則隨機變量xi的數(shù)學期望e(xi)可以用第i類業(yè)務每次重傳所經(jīng)歷平均時隙數(shù)的和表示，有：

隨機變量bi表示第i類業(yè)務在退避過程中退避時間計數(shù)器被凍結(jié)的次數(shù)，則隨機變量bi的數(shù)學期望e(bi)可以用e(xi)與每次退避可能遇到凍結(jié)概率的乘積表示，即

用e(ni)表示第i類業(yè)務數(shù)據(jù)包被重傳的平均次數(shù)，則

用隨機變量to表示傳輸數(shù)據(jù)包沖突后等待下一次競爭的時間，則

to＝sifs+tack_timeout(22)

其中，tack—timeout表示ack超時的持續(xù)時間。

用隨機變量di表示第i類業(yè)務mac層接入時延，則隨機變量di的數(shù)學期望e(di)可以表示為：

其中，e(xi)δ為第i類業(yè)務信道空閑時退避時間計數(shù)器經(jīng)歷退避時隙所用的時間，為第i類業(yè)務信道忙時退避時間計數(shù)器被凍結(jié)的時間，e(ni)(tc+to)為第i類節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗經(jīng)歷的時間。

仿真模型

為了檢驗所提出的煤礦井下wmsns區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議的性能，假設(shè)在煤礦井下300m×300m的工作面上隨機部署n1個環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、n2個語音節(jié)點、n3個視頻節(jié)點和一個簇頭節(jié)點。所有多媒體節(jié)點的業(yè)務匯聚到簇頭節(jié)點并通過簇頭節(jié)點發(fā)送到地面監(jiān)控中心。

假設(shè)由井下環(huán)境監(jiān)測節(jié)點向地面監(jiān)控中心單向傳輸?shù)膫鞲袛?shù)據(jù)業(yè)務，每個節(jié)點每次傳輸數(shù)據(jù)包的時間間隔為1s，數(shù)據(jù)包的大小為512bytes，帶寬需求為4kbps。井下語音節(jié)點與地面監(jiān)控中心間雙向傳輸?shù)恼Z音業(yè)務，井下語音節(jié)點向地面監(jiān)控中心以及地面監(jiān)控中向井下語音節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)包的時間間隔都為0.02s，數(shù)據(jù)包的大小都為200bytes，雙向傳輸?shù)膸捫枨鬄?60kbps。假設(shè)視頻業(yè)務每秒鐘傳輸10幀，幀尺寸為128×120個像素，每個像素需要9bit。由井下視頻節(jié)點向地面監(jiān)控中心單向傳輸?shù)囊曨l業(yè)務，每個節(jié)點每次傳輸數(shù)據(jù)包的時間間隔為0.1s，數(shù)據(jù)包的大小為17280bytes，帶寬需求為1382kbps。為了考察所提出的煤礦井下wmsns區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議的性能，環(huán)境監(jiān)測節(jié)點n1、語音節(jié)點n2和視頻節(jié)點n3的數(shù)量取為(2,1,1)和(6,3,3)兩組，分別用于模擬低流量負載和高流量負載。表3為煤礦井下wmsns不同業(yè)務需求的描述和所部署的多媒體節(jié)點的數(shù)量。

表3煤礦井下wmsns不同業(yè)務需求和部署的多媒體節(jié)點的數(shù)量

在煤礦井下wmsns區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議仿真中，假設(shè)傳感數(shù)據(jù)業(yè)務的最小競爭窗口cw1,0為32。根據(jù)表2可以得到退避過程中傳感數(shù)據(jù)業(yè)務的最小競爭窗口和最大競爭窗口分別為32和128，語音業(yè)務的最小競爭窗口和最大競爭窗口分別為128和512，視頻業(yè)務的最小競爭窗口和最大競爭窗口分別為256和1024。仿真中還假設(shè)，井下環(huán)境監(jiān)測傳感器節(jié)點、語音節(jié)點和視頻節(jié)點的緩存大小均為125kbits，發(fā)射功率均為5mw，最大重傳次數(shù)均為4次，物理層的傳輸速率為5.5mbps，仿真實驗持續(xù)為30分鐘，如表4所示。為了考察所提出的煤礦井下wmsns區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議的性能，還在同樣的網(wǎng)絡條件下采用802.11dcf協(xié)議與所提出的協(xié)議進行了對比。802.11dcf協(xié)議所有業(yè)務的最小競爭窗口和最大競爭窗口均為32和1024。

表4煤礦井下wmsns的qos-mac協(xié)議的仿真參數(shù)

綜上所述，本發(fā)明實施例通過為傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務設(shè)計不同的競爭窗口，實現(xiàn)三種業(yè)務的區(qū)分服務，以保障三種業(yè)務不同的服務質(zhì)量需求。建立三種業(yè)務退避級數(shù)和退避時間計數(shù)器的markov鏈模型，并分析區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議的飽和吞吐量和接入時延方面的性能。仿真實驗結(jié)果表明，在低負載狀態(tài)下和高負載狀態(tài)下，所提出的煤礦井下區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議可以通過減小視頻業(yè)務的吞吐量來增加傳感數(shù)據(jù)業(yè)務和語音業(yè)務的吞吐量，通過增大視頻業(yè)務的時延來減小傳感數(shù)據(jù)業(yè)務和語音業(yè)務的時延。

本發(fā)明實施例歸納了煤礦井下傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務的帶寬、時延、方向性等特性，建立了煤礦井下wmsns通信需求的業(yè)務模型。所提出區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議通過對傳感數(shù)據(jù)業(yè)務、語音業(yè)務和視頻業(yè)務設(shè)計不同的競爭窗口，實現(xiàn)了業(yè)務優(yōu)先級的區(qū)分服務，建立了三種業(yè)務退避級數(shù)和退避時間計數(shù)器的markov鏈狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，利用markov鏈理論模型分析了區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議的飽和吞吐量和接入時延方面的性能。

仿真實驗結(jié)果表明，在低負載狀態(tài)下和高負載狀態(tài)下，所提出的煤礦井下區(qū)分服務的qos-mac協(xié)議可以通過減小視頻業(yè)務的吞吐量來增加傳感數(shù)據(jù)業(yè)務和語音業(yè)務的吞吐量，通過增大視頻業(yè)務的時延來減小傳感數(shù)據(jù)業(yè)務和語音業(yè)務的時延。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解：附圖只是一個實施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實施本發(fā)明所必須的。

通過以上的實施方式的描述可知，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到本發(fā)明可借助軟件加必需的通用硬件平臺的方式來實現(xiàn)。基于這樣的理解，本發(fā)明的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計算機軟件產(chǎn)品可以存儲在存儲介質(zhì)中，如rom/ram、磁碟、光盤等，包括若干指令用以使得一臺計算機設(shè)備(可以是個人計算機，服務器，或者網(wǎng)絡設(shè)備等)執(zhí)行本發(fā)明各個實施例或者實施例的某些部分所述的方法。

本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于裝置或系統(tǒng)實施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述得比較簡單，相關(guān)之處參見方法實施例的部分說明即可。以上所描述的裝置及系統(tǒng)實施例僅僅是示意性的，其中所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網(wǎng)絡單元上?？梢愿鶕?jù)實際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實現(xiàn)本實施例方案的目的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動的情況下，即可以理解并實施。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權(quán)利要求的保護范圍為準。