煤炭是中国重要的基础能源，工业经济的快速发展对煤炭的需求不断扩大，煤炭产量的快速增加加剧了产量需求与安全生产之间的矛盾，国家“十二五”规划提出煤矿生产应朝着自动化和少人化方向发展^[1]，而煤矿生产自动化和少人化的实现需要可靠的通信平台支持^[2-3]。

目前，煤矿主要通过电力载波通信并基于传统的无线局域网来实现综采机电装备工作状态的监控，但由于煤矿井下的数据传输量大、实时性要求高、环境复杂多变等特点，使得现有方法不能满足煤矿生产的使用要求^[4-5]。此外，随着综采自动化的不断发展，各机电装备之间的数据实时交互需求日益明显。因此，亟需设计新的通信方式用于综采工作面各机电装备之间的数据交互和状态监控。

将无线网络用作综采工作面机电装备之间的通信平台是一种有益的尝试。但是，直接将传统的无线网络用于综采工作面时存在以下问题：1)综采工作面空间狭小、金属装备多、且生产时粉尘大，数据传输效果差；2)数据的实时传输能力有限，特别是在煤矿井下的复杂环境中，大量数据的实时传输更加显得困难；3)传统无线网络的点对点传输特性，决定了只要网络中有一个节点出现故障，则整个无线网络不能正常工作^[6-7]。

针对上述问题，笔者采用基于Mesh的无线网络通信方法构建综采工作面通信平台。通过设置多信道和双天线，合理利用有限的带宽资源，增加网络容量，满足大量数据的实时传输需求；采用多径路由协议使得无线Mesh网络中的任意两个节点之间可以建立多条通信链路，并能够根据实际情况选择最优路径进行数据传输；自组织路由协议的应用使得无线Mesh网络能够适应综采工作面设备的动态变化；对影响综采工作面无线Mesh网络性能的因素进行分析，合理布置Mesh网络节点，使其达到较为理想的通信效果。

1 基于Mesh技术的双天线传输方法 1.1 Mesh技术的原理

无线Mesh网络主要由多个Mesh节点组成，节点与节点之间通过无线链路进行通信，并通过终端节点接入有线网络。与传统无线网络相比，无线Mesh网络扩展了帧格式定义，增加了多跳Action管理帧^[8]。增加的Action帧格式如表 1所示。

Mesh节点通过Mesh网络配置文件接入无线网络，Mesh网络配置文件主要由Mesh标志、Mesh网络路径协议标志和Mesh网络路径开销标志组成。

Mesh节点通过发送Probe Request帧或者侦听Beacon帧收集邻居节点信息，Probe Request帧和Beacon帧中包含Mesh ID号、Mesh配置等信息。Mesh节点从接收到的Beacon帧中解析出发射端Mesh节点的网络配置文件信息并与自身的网络配置文件信息进行匹配，当网络配置文件信息相匹配时，双方建立通信。

1.2 双天线数据传输

无线Mesh网络中，数据分解成数据包后经过天线向外发送，对于单天线通信，天线同时作为发送和接收节点，数据的发送和接收不能同时进行，这就导致了多节点数据传输过程中出现带宽衰减现象^[9]。单天线出现带宽衰减现象的原因如下。

设节点1向节点5传送3个数据包，且：

T₁-T₀=T₂-T₁=T₃-T₂=T₄-T₃=Δt。其中，Δt为任意两个节点之间传送一个数据包所需时间，则有时间-动作如表 2所示。

由表 2可知，节点1以Δt/packet速率向节点5传送3个数据包需要时间为7Δt，数据包传输途中各个节点的带宽利用率分别为：37.5%、75%、75%、75%、37.5%，带宽利用率为37.5%的节点为网络中的传输瓶颈，浪费了有限的带宽资源。

而采用双天线可有效避免带宽衰减问题。双天线配置允许同一无线网络节点通过其中一根天线发送数据，通过另外一根天线接收数据，采用双天线配置方法完成多节点之间的数据传输时间动作如表 3所示。

由表 3可知，节点1以Δt/packet速率向节点5传送3个数据包需要时间为5Δt，数据包传输途中各个节点的带宽利用率分别为：50%、66.7%、66.7%、66.7%、50%，采用双天线通信方式可以减少数据传输时间，提高网络可用带宽的瓶颈值，且传输任务越多，带宽利用率越高。

1.3 信道分配与干扰抑制

双天线收发机制的实现需要为不同天线在同一频段下分配不同的信道，笔者使用了一种基于干扰感知的动态信道分配方法^[10]。无线Mesh网络中的每个Mesh节点通过这种感知方法对其和相邻节点之间的干扰程度进行测量，根据测量结果选择合适的通信信道。多信道条件下的信号干扰模型如图 1所示。

图 1(a)中，A，B，C为两两相邻的3个节点，每个节点配置两根天线，当图 1(a)中两节点之间对应的边可能发生干扰时，则在图 1(b)中的两点之间以1条线连接，图 1(b)中的节点为图 1(a)中的链路，图 1(b)中的连线为对链路的干扰。

在多信道干扰模型基础上，对信道进行分配。在分配信道时，主要考虑的因素为信道使用程度和信道干扰程度^[11]。Mesh网络中的每个节点周期性地检测所有的信道，得出结果后按照一定的规则对这两个因素进行计算，并将计算结果发送至信道分配服务器。信道分配服务器按照公式1对每个信道的当前状态进行计算：

$ {R_c} = \frac{{\sum\nolimits_{i = 1}^n {{\rm{Rank}}_i^c} }}{n}。$

(1)

式中：n为网络中mesh节点的个数；Rank^c为节点i对信道c的干扰估计，根据计算结果，选择R_c值最小的信道为当前节点i使用的信道。本方法从全局网络范围内考虑了干扰对多信道信号传输的影响，能够在不同干扰条件下提高无线Mesh网络的通信质量。

2 无线Mesh网络链路管理 2.1 自组织网络路由协议

综采设备随着工作面的推进处于动态运行状态，无线Mesh节点也因此处于动态变化状态，对于每个节点和相邻节点的无线链路而言，其链路通信质量也在不断发生变化。为了适应井下Mesh节点的动态变化，解决通信过程中处于变化状态的无线链路不稳定问题，采用高吞吐率路由协议来降低变化链路的丢包率，解决由链路失效导致的数据包丢失问题等^[12]。高吞吐率路由协议采取了传输功率控制、连续尝试、忽略链路失效等技术对路由协议进行优化，减少了链路临时变化对数据传输的影响。在路径判据的使用方面，高吞吐率路由协议采用了数据包成功传送至邻居节点的时间(ETT)作为判据，ETT的计算方法如下：

$ {\rm{ETT}} = \frac{1}{{{P_{{\rm{ack}}}}{r_i}}}。$

(2)

式中：P_ack为由于探测帧丢失所引起的确认字符在反向链路上的发送概率；r_i为不同速率的前向发送数据是预期的广播包的吞吐量。

移动自组织网络路由协议将链路质量作为网络质量的主要判据，链路质量的评价指标为延时判据和信道差异判据。设某一链路的加权累计传输时间为WCETT_{delay_time}，则有：

$ {\rm{WCET}}{{\rm{T}}_{{\rm{delay}}\_{\rm{time}}}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{\rm{ET}}{{\rm{T}}_i}} 。$

(3)

式中：ETT_i为第i跳路径的传输时间期望值；n为该链路上的跳数。

设数据包在第j个信道上传输的时间累计为T_j，则：

$ {T_j} = \sum\limits_{{\rm{channel}}\_j} {{\rm{ET}}{{\rm{T}}_i}} 。$

(4)

数据通过不同信道进行传输时，数据累计传输时间最长的信道成为传输的瓶颈，某一条路径上使用的信道较多时，信道差异较大，传输时间较少：

$ {\rm{WCET}}{{\rm{T}}_{{\rm{channel}}\_{\rm{dif}}}} = \mathop {\min }\limits_{1 \le j \le k} {T_j}。$

(5)

综合延时判据和信道差异判据，得出一种基于加权方法的路由选择标准：

$ \begin{array}{l} {\rm{WCETT}} = \alpha {\rm{WCET}}{{\rm{T}}_{{\rm{channel}}\_{\rm{dif}}}} + \\ \left( {1 - \alpha } \right){\rm{WCET}}{{\rm{T}}_{{\rm{delay}}\_{\rm{time}}}}。\end{array} $

(6)

式中α为权重因子，调节信道差异判据和延时判据在决定路由选择标准中的比重大小。

2.2 多径路由控制协议

综采工作面无线Mesh节点的位置随着机电装备位置的变化不断发生变化，无线链路质量也随之变化，变化过程中不断有链路失效和建立新的链路。如果数据都依赖某单一链路进行传输，则可能导致该条链路负载过重，从而导致丢包等问题。因此，无线Mesh网络通过多路径对数据进行传输。多径路由控制协议的主要组成部分包括路径发现及其维护和通信负载平衡控制两个方面^[13]。

设无线Mesh网络中两条通信链路分别为R_a、R_b，负载按照一定的比例a：b分配在不同的链路上，则定义不同链路之间的干扰指数可表示为

$ \varepsilon \left( {a,b} \right) = \mathop {\min }\limits_{1 \le j \le {m_{ab}}} {T_j}\left( {a,b} \right), $

(7)

其中

$ {T_j}\left( {a,b} \right) = \frac{{a{t_{aj}} + b{t_{bj}}}}{{a + b}},j \in {\rm{SR}}\left( {{P_a}} \right) \cup {\rm{SR}}\left( {{P_b}} \right)。$

(8)

式中：t_kj为同一链路上使用信道j传输数据的累计时间；SR(P)表示路径P上的信道集合。干扰指数即为信道使用的平均累计时间，ε表示了某一信道的繁忙程度，ε值越大，说明其越容易受到干扰。

考虑到无线Mesh网络中的负载分配需求，按照WCETT方法对两条链路中的独立链路权重进行计算得出：

$ \delta \left( {a,b} \right) = \frac{{a{\rm{WCETT}}\left( {{P_a}} \right) + b{\rm{WCETT}}\left( {{P_b}} \right)}}{{a + b}}。$

(9)

综上，对于无线Mesh网络的多径路由判据CAM计算如下：

$ {\rm{CAM}} = \beta \varepsilon + \left( {1 - \beta } \right)\delta 。$

(10)

实际使用过程中应根据不同的无线链路负载分布情况，合理计算多径路由判据，以实现较好的网络通信性能。

3 无线Mesh网络性能影响因素分析 3.1 节点安装距离

无线Mesh节点安装在综采工作面采煤机机身和液压支架上，综采工作面空间狭小，电磁波传输过程中，会遇到各种各样的反射界面，实际应用中，无线Mesh节点接收到的信号往往不是由信号源直接发射出来的信号，是若干经过一次或几次反射后信号的叠加。下面以最简单的两径传播模型为例，分析煤矿井下综采工作面电磁波传播过程中的反射效应。

如图 2所示，A、B为处于同一通信范围内的两个无线节点设备。

节点A以发射功率P_s向节点B发射电磁波，一部分电磁波直接发射到节点B，还有一部分电磁波经过一次反射发送至节点B，设节点B天线的信号接收功率为P_r，则有

$ {P_{\rm{r}}} = 4{P_{\rm{s}}}{\left( {\frac{\lambda }{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}d}}} \right)^2}{\sin ^2}\left( {\frac{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}{l_1}{l_2}}}{{\lambda d}}} \right)。$

(11)

式中：λ为电磁波波长；d为两天线之间的距离；l₁、l₂分别为两天线到反射截面所在平面的垂直距离。由公式可知，无线信号的信号强度与距离的平方成反比关系，距离越远，信号衰减越大。

3.2 动态过程中的无线信号传输

综采工作面运行过程中，两相邻交换机之间的直射波会被障碍物阻挡，如采煤机、支架立柱、支架护帮等。障碍物的存在引起无线传输过程中的绕射损耗^[14]。用绕射参数v表征无线传输过程中的绕射损耗，则有

$ v = r\sqrt {\frac{{2\left( {{d_1} + {d_2}} \right)}}{{\lambda {d_1}{d_2}}}} 。$

(12)

式中：r为障碍物顶点距离直射波所在直线距离，称为菲涅尔余隙；d₁为发射端距离障碍物顶点所在直线的垂直距离；d₂为接收端距离障碍物顶点所在直线的垂直距离。由式(12)可知，当障碍物与无线接收端之间的距离d₂趋向于无限小时，发射端与接收端之间的无线传输绕射损耗接近无穷大，接收端接收不到来自发射端的信号。

综采工作面中的常见场景，如图 3所示。

图 3(a)中，两相邻无线节点之间的菲涅尔半径R_i可由式(13)计算：

$ {R_i} = 17.3\sqrt {\frac{d}{{4f}}} 。$

(13)

式中：d为发射端和接收端到障碍物中心的距离，f为天线频率，计算图 3(a)场景中菲涅尔半径R₁得：

$ {R_1} = 17.3\sqrt {\frac{d}{{4f}}} \approx 17.7{\rm{m}}。$

同理，计算图 3(b)场景中的菲涅尔半径R₂得：R₂≈3.9~25.0 m。

当r/R_i> 0.5时，绕射附加损耗为0，障碍物对直射波基本上没有影响；当r/R_i= 0时，绕射附加损耗为6 dB；当r/R_i= 0时，绕射附加损耗随R_i的减小而急剧增大。图 3(a)中，液压支架拉架后，前后支架产生错架，支架位置越靠近无线接收端，其菲涅尔余隙越小，对无线交换机的接收性能影响越大。图 3(b)中，工作面机电装备运行时，如果安装有无线交换机的支架没有收到位，则会在无线Mesh节点之间形成障碍，这样形成的菲涅尔余隙值很小，将导致采煤机机载无线交换机与支架无线交换机之间的通信受阻。因此，在综采工作面部署无线Mesh节点时，应尽量使无线Mesh节点处于自由空间位置，远离综采工作面各种机电设备，减少绕射附加损耗。

4 现场实验 4.1 无线Mesh网络信号强度

以无线Mesh网络在中平能化集团平煤股份六矿22210综采工作面的应用为例，验证笔者所提出方法的有效性。22210综采工作面全长190 m，在此长度范围内均匀布置12台无线网络交换机，其部署情况如图 4所示。

基于Linux系统开发了综采工作面无线Mesh网络管理平台，对无线Mesh网络节点进行集中管理，对无线网络资源进行统一调配，并对无线Mesh网络运行状态进行实时监控，无线Mesh网络管理平台显示主界面如图 5所示。

由图 5可知，无线Mesh网络中的Mesh节点能够与多个相邻节点之间建立通信连接，采煤机、运输系统通过无线Mesh网络加入煤矿井下主干网，移动节点在运行过程中，不断与已经建立连接的Mesh节点断开，并与新的Mesh节点建立连接，实现煤矿井下机电装备通信网络的无缝覆盖。

根据无线Mesh网络管理平台信息终端数据统计结果，综采工作面无线Mesh网络运行时各个节点接收到的信号强度如图 6所示。

图 6高亮部分为无线Mesh网络有效通信区域，有效通信区域内的信号强度保持在-41~-68 dBm范围内，信号强度能够满足全双工数据通信要求。由图 6还可看出，节点4和节点8、9为当前无线Mesh网络的薄弱节点，应适当调整节点位置和天线方向，改善通信效果，提高整个网络的运行效率。

4.2 无线Mesh网络传输速率

为了实现综采工作面机电装备的可视化管理与操作，在综采工作面上安装9路网络视频，采煤机数据、运输系统数据、网络视频数据通过无线Mesh网络与顺槽控制中心及地面控制中心进行实时交互。根据实时监控要求，各个子系统数据的传输速率要求如表 4所示：

根据无线Mesh网络管理平台信息终端数据统计结果，综采工作面无线Mesh网络运行时各个节点数据传输速率如图 7所示。

由图 7可知，无线Mesh网络通信区域内数据传输速率≥12 Mbps＞2.26 Mbps，能够满足综采工作面大量数据的实时传输需求。

5 结论

针对当前综采工作面通信中存在的问题，提出了将无线Mesh网络应用于综采工作面通信中来，并获得以下结论：

1) 设计了基于双天线和干扰感知的动态信道分配方法，有效利用了Mesh网络带宽资源，数据传输速率保持在12 Mbps及以上。

2) 采用高吞吐率路由协议和多径路由控制协议对无线网络链路进行管理，使网络具备自组织能力和数据包多径传输能力。

3) 分析了节点安装距离和菲涅尔余隙对综采工作面无线Mesh网络的影响，相邻Mesh节点之间的距离应小于25 m，并尽量安装在自由空间位置。

4) 综采工作面中的Mesh节点能够与多个相邻节点建立通信，信号强度范围为-41~-68 dBm，能够满足大量数据信号的实时传输要求。