计算机工程期刊 无线Mesh网络在矿井通信中的应用

2008年10月
October 2008
—130
— 计 算 机 工 程Computer Engineering 第34 第19期
Vol 卷.34 No.19 ·网络与通信·
文章编号：1000—3428(2008)19—0130—03
文献标识码：A
中图分类号：TP393
无线Mesh 网络在矿井通信中的应用
王 玮，郭成城，李 松
(武汉大学电子信息学院，武汉 430079)
摘 要：针对矿井的特殊环境给出一种无线Mesh 网络建网方案。

该网络支持多媒体数据传输，实现了无线IP 电话在网络层的接入和漫游。

给出矿井全覆盖无线通信网络、无线中继及无线路由的设计。

在实际环境中对实验网络进行了测试，检测网络配置参数的相互关联性，用于指导具体的矿井无线Mesh 网络设计和组网。

关键词：无线Mesh 网络；矿井通信；无线路由
Application of Wireless Mesh Network in Communication in Mine
WANG Wei, GUO Cheng-cheng, LI Song
(School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430079)
【Abstract 】A kind of wireless Mesh network is designed and applied for the special environments of underground mine. This network mainly affords wireless V oIP service and can provide video services as well. It implements call access and roaming of IP phone in network layer. By testing in practical experiments, it selects the appropriate parameters, such as setting place of nodes, the receiver sensitivity threshold of all access points.An idiographic wireless IP network in underground mine is build and configured based on these parameters. 【Key words 】wireless Mesh network; communication in mine; wireless route
1 概述
传统的矿井通信以有线通信方式为主，而随着网络技术的发展和应用需要的增加，井下无线移动通信正显示出越来越多的优越性。

目前，井下无线移动通信一般采用泄漏通 信[1]或井下小灵通PHS(Personal Handy-phone System)技 术[2]。

泄漏通信主要受布线条件的限制，无法覆盖到不具备布线条件的采掘作业面；井下小灵通主要应用于煤矿矿井，对于有干扰的环境(如运输电力机车的电弧)，其信号受到严重影响，并且PHS 的传输速率只有64 Kb/s ～128 Kb/s ，不能满足新型实时宽带通信的需求。

实时多媒体业务要求巷道通信系统必须能够提供高速的图像和数据传输速率(以1 Mb/s 为数量级)以及良好的通信性能保障[3]。

无线Mesh 网络采用无线局域网的传输标准，其中，基于802.11n 标准的网络传输速率可达108 Mb/s ，最高可达 500 Mb/s ，点到点覆盖距离可达几公里。

同时，这种多跃式网络可以设计成冗余且自动配置的模式，使网络具有“学习”和“自愈”能力[4]。

因此，探索和研究无线Mesh 网络技术在矿井通信中的应用，对于建设井下新型实时多媒体控制系统和实现矿井安全生产的科学管理有着十分重要的意义。

2 支持VoIP 的井下无线Mesh 网络设计
无线网络规划中的关键问题是访问点AP 定位覆盖、无线中继和无线路由算法，下面分别介绍本文组网规划中对这几个问题的解决方案。

2.1 井下全覆盖网络
利用有线和无线网络技术相结合的方式实现井下数据通信网络无缝覆盖，将通信网络直接扩展到挖掘作业的第一线，消除井下巷道中无布线区域(开采面)的通信盲区。

在井下的主运输巷道区域采用有线方式分布节点，而没有布线支巷道和采掘区域则通过无线方式分布节点。

每个节点既承担网络传输工作，又承担常规访问点的任务。

其中，涉及到无线分布的节点是本文要解决的关键问题，其分布方式如图1所示。

节点
图1 井下访问点设置示意图
每个涉及无线通信的节点安装2块无线网卡，其中一块
配置成Ad-Hoc 模式，负责节点间信息的传输；另外一块则配置成AP 模式，负责无线IP 电话的接入。

AP 定位覆盖遵循的原则是AP 的覆盖区域之间无间隙和 AP 之间重叠区域较小。

AP 网卡使用全向天线，Ad-Hoc 网卡使用定向天线，其信号传输距离至少2倍于全向天线。

2.2 无线中继设计
无线中继设计采用双模方案。

节点上的一块无线网卡专门用于连接无线客户端，而另外一块无线网卡专门用于进行无线回程传输，回程信道同时由接收和发送数据流共享。

无线网卡采用的都是IEEE 802.11b 协议。

基于IEEE 802.11b 的无线局域网工作频段为2 400 MHz ～2 483.5 MHz ，
作者简介：王 玮(1984－)，男，硕士研究生，主研方向：计算机网络通信技术；郭成城，教授、博士生导师；李 松，硕士研究生 收稿日期：2007-11-15 E-mail ：netccg@
总带宽为83.5 MHz。

总带宽被划分成为14个子频道，每个子频道带宽为22 MHz。

在多个频道同时工作的情况下，为保证频道之间不相互干扰，要求每2个频道的中心频率间隔不低于25 MHz。

在一个蜂窝区域内，只有1,6,11这3个频道是可以在同一区域同时工作的不重叠的频道。

利用这一特点，可以对无线局域网扩容，使之支持的数据速率达到3× 11 Mb/s=33 Mb/s。

2.3 无线路由设计
路由是指如何选择一条路径将用户的无线数据回传到有线网络。

采用有线网络中普遍使用的路由协议OSPF，具体实现依靠的是软件路由器Zebra。

Zebra只通过发送很小的hello 包来维护邻居间的连接关系[5]。

将每个节点的Ad-Hoc模式网卡设置成向固定IP网段转发的默认端口，整个Mesh网络都属于该固定IP网段。

当数据包到达节点时，首先查看路由表，如果没有IP电话接入的路由信息(这个功能由parprouted来实现)，到达的数据包从Ad-Hoc模式网卡转发，交给下一跳的路由器(节点)；如果有电话接入节点，到达数据包就从本地的AP模式端口转发。

3 IP电话接入和漫游设计
从ARP列表中获取IP电话的信息以及对应的接入端口，然后利用系统命令将路由信息添加到路由表中。

由于IP电话自动接入AP的过程发生在MAC层，因此IP电话需要在网络层上接入AP和漫游，以便节点能够根据收到的ARP信息实时更新IP电话连接到节点的路由信息。

Vladimir Ivaschenko的parprouted是一个有代理ARP响应功能、基于IP层的网桥守护进程，它能够拦截所有端口的ARP请求和应答，解析这些ARP信息并进行相关的处理。

通过改写parprouted，增加了如下功能：
(1)节点的2个端口都可以接入多个设备。

(2)节点对AP的ARP请求能够实时应答。

(3)节点能根据收到的ARP应答实时更新ARP表。

(4)节点根据ARP表实时更新路由表。

当守护进程监侦听到来自守护端口的ARP请求时，如果请求的IP地址未知，就把请求转发给其他所有端口，同时根据收到的ARP应答更新内核的ARP表(/proc/net/arp)。

根据需要，例如AP接入一部或者多部电话时，该进程会自己产生一个ARP应答，起到代理ARP的效果。

该进程还可以根据收到的ARP请求解析出端口上接入设备的IP地址，并把相关路由信息写进Linux内核的IP路由表中。

当守护端口上的接入设备关闭或者离开后，该进程会自动删除掉路由表中的相关信息。

4 试验网络实现
4.1 硬件平台
硬件平台主要包括以下设备：(1)Intel IXP425高速多频带开发平台StarEast；(2)带有LV Intel Pentium III/ULV Celeron PC/104+ CPU的开发平台PCM-3370；(3)无线mini PCI网卡Intel PRO/Wireless 2200BG和Atheros AR5005G；
(4)TQJ-2400AT7天线；(5)日立无线IP电话机WIP3000。

4.2软件平台
软件平台主要包括以下备置：(1)操作系统snapgear-3.3.0(内核Linux-2.4.24)和Fedora 2 (内核Linux- 2.6.11)；(2)软件路由器ZEBRA；(3)动态识别端口接入设备模块parprouted；(4)无线网卡Intel PRO/Wireless 2200BG和atheros AR5005G，设置为Ad-Hoc和AP工作模式驱动。

4.3 试验环境
试验网络由3个节点组成：R1, R2, R3。

其中，R1是StarEast，R2和R3是PCM-3370。

因为R1连有SIP服务器，其IP地址和地理位置固定，所以采用静态路由，同时SIP服务器也把连接到R1上的IXP0端口的IP地址设为网关。

5 性能测试
实验中主要测试IP电话接入和漫游功能，测量越区切换时延，定量测试通话质量，并且测试在不同的无线信道参数的情况下时延和丢包对通话质量的影响。

5.1 评价标准
时延抖动标准见表1，语音质量的评估采用2001年由ITU 推出的P.862建议PESQ[6]，见表2。

表1 评价抖动的指标 ms
好可以接受差
<75 75～125 >125
表2 PESQ指标
级别用户满意度
很好(4.5-4.4) 很好，听得清楚，延迟很小，交流流畅
稍差(4.4-4.0) 稍差，听得清楚，延迟小，交流欠顺畅，有点杂音
还可以(4.0-3.6) 还可以，听不太清楚，有一定延迟，可以交流
勉强(3.6-2.6) 勉强，听不清楚，延迟较大，交流重复多次
极差(2.6-1.0) 极差，听不懂，延迟大，交流不通畅
5.2 实验内容及结果
实验1
在固定传输速率和网卡功率(Tx-Power)的情况下，测量IP电话离接入AP的距离和对应的信号强度(RSSI)之间的关系，以及相应的通话质量。

测量时，设置RS门限为-50 dBm，AP功率(Tx-power)为-9 dBm，AP的信道为11，数据传输速率为54 Mb/s。

首先，测量IP电话离AP的距离和RSSI之间的关系，实验中只用一部电话，利用无线工具iwconfig来测量RSSI。

测试结果如图2所示。

其次，测量IP电话离AP的距离与通话质量的关系。

使用2部电话，测量方法是将其中的一部电话放置在AP 附近，另外一部电话则逐渐远离AP并进行通话。

通话质量采取PESQ评价指标。

测量结果如图3所示。

从图2、图3可以看出，IP电话的通话质量与RSSI成正比。

12345678910
-60
-50
-40
-30
-20
-10
R
S
S
I
/
d
B
m
距离/m
图2 IP电话到AP
距离及RSSI之间的关系
12345678910
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
通
话
质
量
距离/m
图3 IP电话到AP距离与通话质量的关系
—131—
实验2
测试RS(Receiver Sensitivity)门限对无线网络的影响。

利用无线工具iwconfig ，在固定传输速率和网卡功率时，测量RS 与切换时延以及通话质量的关系。

测量时，设定传输速率为54 Mb/s ，AP 功率为-4 dBm ，Ad Hoc 网卡功率为14 dBm ，AP 的信道是11，Ad Hoc 的信道是1。

首先测量RS 门限和IP 电话切换延时的关系。

测量方法是将2台带有TP-Link 无线网卡的笔记本分别接入2个AP ，2台笔记本一直相互发送ping 的数据包，然后一个笔记本匀速朝另一个移动，从任何一端ping 不通的时候开始计时，到两端都ping 通时结束计时，这个时间差就是切换延迟。

测试结果如图4所示。

-90-85-80-75-70-65-60-55-50-451.0
1.5
2.02.5
3.03.5
4.0切换时间/s
Rx Sensitivity /dBm
4.5-95-40
0.0
图4 RS 门限和切换延迟的关系
然后，测量通话质量与RS 门限的关系。

测量方法是 2部电话分别接入2个AP ，AP 间只有一跳，并且电话放置在信号最强的地方进行通话。

然后，改变RS 门限值，得到不同的通话质量。

测试结果见图5。

降低RS 门限意味着AP 覆盖范围增加，AP 间的重叠覆盖区域增大。

从实验结果可以看出，当门限低于某个值，即AP 覆盖范围大于某个值，通话质量基本上保持不变，但随着RS 的降低，STA 的切换延迟也相应增加；而RS 门限过高，即AP 覆盖范围过小时，会使IP 电话的通话质量降低。

-90-85-80-75-70-65-60-55-50-451.0
1.5
2.02.5
3.03.5
4.0通话质量
Rx Sensitivity /dBm
4.5-95-40
0.0
图5 通话质量与RS 门限的关系
6 结束语
本文给出了一种支持VoIP 的井下无线Mesh 网络设计方案。

该方案采用从ARP 请求提取路由信息的方式，实现了IP 电话在网络层接入AP 和在 AP 间“漫游”。

通过对实验网络
的测试，得出了关于越区切换时延和RS 门限值设置的关系。

在实际应用中，还必须考虑矿井环境的特定因素，如防水门、弯道等狭窄处会因机车的通过(阻塞)造成无线通信信号极不稳定，此时，应首先考虑信号的重叠覆盖问题。

这些区域中节点位置的设置和相关参数的设定需实地测试后方能确定。

参考文献
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（上接第108页）
0.0
0.5
1.01.5
2.02.5
3.03.5
4.0123
456789
数据点序号
误差/m
图2 定位误差比较
5 结束语
本文在概率分布基础上对基于信号强度的WLAN 匹配定位算法进行了分析，对其在线定位阶段的算法进行了改进，提出了利用概率较大的若干点进行定位的算法。

与传统的定位算法进行了对比实验，可以得出，改进的算法明显改善了定位精度，具有很大的实用价值。

参考文献
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