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1、精品论文推荐适应于矿井无线传输的认知无线电技术张申，刘岩，陈红，陈丽华 中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 (221008) E-mail: yefan2222摘要：为保证安全生产，需要对煤矿井下各种设备及其周围环境进行基于网络的控制，但是目前以光纤作为数据传输媒体的工业以太网的扩展性和流动性受到很大的限制。随着无线 通信技术的发展，什么样的无线通信技术可以适用于井下已经成为越来越被关注的问题。由于认知无线电技术是一种新的智能无线通信技术，它可以感知到无线电传输的环境特征，本文首先分析了矿井隧道的特点以及井下环境对无线通信网络的要求，并在此基础上分析了基 于 Ad hoc 网络拓扑结构的
2、认知无线电技术应用于矿井中的优势。最后总结了研究的关键问 题以及未来研究方向。关键词：矿井隧道；Ad hoc 网络；认知无线电；拓扑结构1.矿井隧道和工作面的特点为保证安全生产，需要对煤矿井下各种设备进行基于网络的控制，同时也需要对隧道的 周围环境参数进行监测监控，因此，监测监控系统中的一项重要指标就是数据的可靠传输。 监测监控系统的数据通信主要有有线和无线两种，目前我国煤矿井下通信基本上是用有线装 置，依靠电缆传输信息。由于井下采煤作业的实际环境所限，地面潮湿、电缆腐蚀严重、平 时信号不好，尤其是采掘工作面，电缆砸断后会严重影响到监测监控的实时性与连续性1-3。 因此，工作面监测监控问题一直
3、成为影响煤矿安全生产的重大难题。如果将无线网络应用于 井下监测系统，正好可以解决这种困难。目前的无线网络大体可以分为人为组织网络和自组织网络两大类4：人为组织网络包括 GSM、CDMA、3G、Beyond3G、4G、WLAN、WMAN 等，然而，这些传统的无线移动通 信网络需要架设基站作为控制中心，来控制整个网络的工作，这同样带来了有线网络中井下 电缆铺设的问题。因此，包括 Ad hoc、无线传感器网络（WSN, Wireless Senior Network）、 认知无线电网络（CR, Cognitive Radio）等的无线自组织网络便成为了构建矿井无线网络的 最好选择。2.Ad hoc
4、网络Ad hoc 网络由一系列移动节点组成，是由一组带有无线收发器移动节点所形成的一个 无固定基站的多跳的临时自治网络系统，不依赖于任何已有的网络基础设施。网络中的节点 动态且任意分布，节点之间通过无线方式互联，在网络拓扑发生变化时，具有自恢复连接能 力。但是移动 Ad hoc 网络缺乏中心控制部件，所以必须采用分布式协议来保障网络的运行 56。又由于其具有自组织和自适应性，这就意味着网络可以随时组成或解体，而不需要任 何系统管理设备。2.1 Ad hoc 网络的拓扑结构分析：从节点的作用和职责来分，Ad hoc 网络的拓扑结构具有一下几种形式7：（1）全对称环境网络：所有节点具有相同的能力和
5、职责。（2）对称能力网络：各个节点在信号传输距离、电池寿命、信息处理能力、移动速度 等方面均有可能不同。- 4 -（3）非对称职责网络：即分层结构，网络中只有一部分节点有能力对分组信息进行路由选择，另一些则不能。对于采用簇结构形式的网络，一部分节点还要充当一些相邻节点的 簇头。这种结构的应用范围比较广，有以下几种形式：A 单挑星型结构 这种结构最大特征就是设计相当的简单，无线传感器网络（WSN）用的就是单跳星状拓扑类型。在这种类型中每一个节点直接向网关发送数据，如图 1 所示。网络节点之间的相 关性降到最低。然而这种网络拓扑的缺陷就是缺少健壮性和可测量性，如果在一个较大区域 内节点离网关较远时
6、将导致无线链路的传输质量很低。因此这种拓扑结构不适合井下隧道这 种长直的环境B 平面多跳网络结构 这种结构适合面积较大区域的网络中，多跳的路由是必需的。网络的节点可以组成如图2 中的通信图，这种结构同样不适合于具有长直结构特性的井下隧道。 C 两层簇状结构 因为单个节点距离有限，在每一簇内部的通信可以是单跳也可以是多跳通信，如图 3。一旦信息到达了簇头，信息将被传往上级网络。上级网络可以利用更高的传输带宽，或者可 以将上级网络直接连接到一个有线网络上。这种分层结构的结构使用最广，目前应用于井下的人员定位系统，无线数据采集系统， 以及井下检测系统等，都是基于这种拓扑结构的改进。图 1 单挑星型结
7、构图 2 平面多跳网络结构图 3 两层簇状结构3.基于 Ad hoc 网络技术的认知无线电网络3.1 适应于矿井的无线网络拓扑结构由于井下特殊的线性带分支的结构特征，其无线网络的布置与地面的无线网络的布置完 全不一样，井下所有的节点都分布在一条狭长的隧道中，这种结构是不可能改变的，只能通 过优化的拓扑控制来提高网络的性能。因此，对需要应用于矿井的无线网络系统而言，最有 吸引力的结构就是 Ad hoc 网络的分层簇状拓扑结构了。它具有在同一局部区域内多个节点 向不同的簇头报告信息的特点，而且在不同类型的设备中，特别是当簇头具有强大的计算或 者通信能力时，这种结构更具有吸引力。隧道空间的分布特点导
8、致认知节点的信息流向是不均匀的线状形式，仅靠单独的分布式 认知无线电网络结构不够稳定，工作模式也不太可靠。我们可以采用集中式和分布式计算结 合的方式。集中式认知无线电网络具有相对稳定、可靠的工作模式，能对网络中的认知用户 进行有效的管理。将分布在井下隧道壁上的认知无线电节点采用集中式计算，其工作原理类 似 Internet 接入，通过建立专有信道来收集大量的来自移动节点的信息并将其传输到管理系统中。采用分布式计算的节点可以使用 Ad hoc 网络的分层簇状拓扑结构，没有固定的网络基础设施，网络节点能动态、随意和频繁地进入和离开网络，但不会破坏网络中其他节点的 通信，网络扩展性强。2 U2 U
9、无线网关认知无线电节点 簇首节点图 5 井下分层簇状拓扑结构3.2适应于矿井隧道的其它工作参数另外存在的一个问题是 Ad hoc 通信网络由于所使用的频率、调制方式、带宽等参数相 对固定，由固定参数构成的通信系统可能比较适合井下隧道中某一段的通信，而煤矿井下是 一种纵向有弯道和分支的有限空间，不同煤矿中隧道的横截面和形状有所不同，即使在同一 隧道中，不同区域的隧道也会呈现多样性，研究表明，隧道的形状、横截面、拐弯、分支和 倾斜等特性对电磁波的传输产生很大影响89，是选择系统工作频率的主要依据之一。因此， 由固定参数构成的通信系统很难适应上述隧道中的各种因素的变化，而具有感知能力的认知 无线电网
10、络技术便可以很好地解决这个问题。目前地面上认知无线电研究的节点协同工作协议要主要解决节点间的互干扰问题以及 共享频谱的冲突问题。但是，隧道空间各节点抢夺频谱的几率很小，隧道空间的结构比较复 杂，隧道中某些节点之间的信道性能严重下降时，必须及时进行频谱切换或改变基带信号处 理参数，其他节点也要随之改变参数；文献10指出：在隧道的固有传播中，绕射效应起着 重要作用。对于平直而不受阻挡的隧道而言，由于总的衰减会降低，无疑是以尽可能高的频 率为最佳的选择。但如果有拐角和岔道口存在，则最好的性能出现于 70150MHz 频段。只 要有拐角存在，有效的传播距离就很难超过 250m。因此隧道空间的认知无线电
11、系统中的各 认知用户协同工作的主要目标是自适应改变传输频率、调制方式等工作参数。4.总结和展望认知无线电网络的研究还刚刚开始，将其应用在矿井更是个相当复杂的研究课题，因此 我们还有许多工作要做。拓扑是节点间通信链路的集合，它依赖于不可控制因素(节点移动性、天气、干扰、噪 声)和可控制因素(节点发射功率、天线方向)。调整节点发射功率得到所希望的拓扑是一个很 复杂和很实用的问题。不正确的拓扑会导致减少网络容量、增加端到端的报文时延、减少节 点失败的健壮性。节点分布太密时会减少网络容量，节点分布太稀会引起网络分离而不连接 和增加时延11。网络拓扑是与网络连接性紧密相关的一个重要方面，也是今后需进一步
12、深 入进行研究的重要内容。参考文献1 Yang Wei, Cheng Shixin. Sun Jiping. The scheme study of the application of W-CDMA spectrum communication in mine mobile communication J. Journal of Coal Science and Engineering (China), 2002(2)2 Heinzalman W R, Chandrakasan A, Balarishnan H. An application-specific protocol archit
13、ecture for wireless microsensor networksJ. IEEE Trans on Wireless Commun, 2002(4)3 Akyildiz I F, Su W. A survey on sensor net works J.IEEE Commun Magazine, 2002(8) 4 李晓维. 无线传感器网络技术M.北京理工大学出版社, 20075 高云全，孔婷，邬家炜. 移动A d H o c网路由协议综述J. 科技广场, 2005, 5 6 史美林. 移动Ad Hoc路由协议综述J. 通信学报. 2001, 117 方旭明，何蓉. 短距离无线与
14、移动通信网络M. 人民邮电出版社, 20048 孙继平. 矿井无线传输的特点J. 煤矿设计, 1999(4)9 Y. Hwang eal. Ray-optical prediction of radio-wave propagation characteristics in tunnel environments. 1. Theory. IEEE Trans on Antennas and Propagation, 1998, 46(9), pp:13281336.10 DERYCK L. Natural propagation of electromagnetic waves in tunn
15、els J. IEEE Trans on Vehicular Techno,1978,27(3), pp:145-150.11 C. Elliott and B. Heile, Self-Organizing, Self-Healing Wireless Networks, Proc. 2000 IEEE Intern. Conf. onPersonal Wireless Comm., pp. 355-362.The Cognitive Radio Technology for WirelessCommunication in MineZhang Shen, Liu Yan, Chen Hon
16、g, Chen LihuaSchool of Communication & Electronic Engineering CUMT, Jiangsu, Xuzhou (221008)AbstractIn order to ensure safe production, a variety of coal mine equipment and its surrounding environment should be controlled, which is based on web, but the expansion and liquidity of Ethernet, which use
17、sfiber as its data transmission media, is much more restricted. With the development of wireless communication technology, what kind of wireless communication technology can be applied to coal mine environment have become more and more attention. Since the cognitive radio technology is a new intelli
18、gent wireless communications technology, it can be perceived environmental characteristics of the radio transmission, this paper analyzes the characteristics of the mine tunnel, as well as itsrequirement for the wireless communications network. This paper also describes the features of Ad hocnetwork
19、 topology and analysis the advantage of using cognitive radio technology which is based on the Ad hoc network topology in mine. Finally it summed up the study of key issues and future research directions.Keywords: mine tunnels; Ad hoc network; cognitive radio; topology作者简介：张申，男，出生于 1957 年，江苏兴化人，中国矿业大学信息与电气工程学院，工学博士、 教授、博士生导师；刘岩，女，出生于 1983 年，江苏徐州人，中国矿业大学信电学院 2006 级研究生；陈红，女，出生于 1981 年，辽宁抚顺人，中国矿业大学信电学院 2006 级研究生； 陈丽华，女，中国矿业大学信电学院 2006 级研究生。
