基于MB-OFDM-UWB的煤矿井下无线多媒体传感器网络技术研究

摘要

针对煤矿井下监测环境复杂，无线信道多径衰落严重及传感器网络中节点能量受限等问题，为了保证煤矿安全生产的顺利进行，需要更加全面、准确的获取井下环境监测信息。为此，本文基于MB-OFDM-UWB构建了煤矿井下无线多媒体传感器网络，对其中的若干关键技术进行了研究。主要研究内容和成果如下:
　　(1)针对煤矿井下巷道带状受限空间的特性以及多媒体信息采集的需求，基于MB-OFDM-UWB构建了煤矿井下异构无线多媒体传感器网络系统，设计了网络拓扑结构与工作方式，使网络可以有效工作。
　　(2)针对煤矿井下狭长受限空间中无线信道多径衰落严重，一些位置的节点到基站的信道条件较差的问题，提出了一种煤矿井下异构无线多媒体传感器网络MB-OFDM-UWB时频编码协作传输方案。该方案实现了信道状况较好与较差节点间的协作。仿真结果表明，采用所提出的煤矿井下MB-OFDM-UWB时频编码协作传输方案，显著提高了网络中信道状况较差节点的误码率性能。
　　(3)针对煤矿井下巷道狭长结构的特点，提出了一种基于虚拟网格划分的煤矿井下异构无线多媒体传感器网络PREVG分簇算法。该算法依据网络中节点的通信半径对节点划分虚拟网格进行分簇管理，并在选取上层簇头节点过程中考量节点的剩余能量及所处位置信息。仿真结果表明，采用所提出的煤矿井下PREVG分簇算法能够有效提高网络中数据的传输效率，均衡网络中节点的能量消耗，延长网络的生命周期。
　　(4)针对煤矿井下传感器网络节点能量受限，上层簇头节点与汇聚节点一般距离较远，向汇聚节点传送数据耗能大的问题，结合PREVG分簇算法，提出了一种基于蚁群的煤矿井下异构无线多媒体传感器网络EDACA路由算法。该算法对上层簇头节点引入备选簇头节点，并在簇头节点至汇聚节点的路由选择过程中考量各簇头节点的剩余能量及节点间距离信息。仿真结果表明，采用所提出的煤矿井下EDACA路由算法能够明显减少网络中能量耗尽的节点的数目，保证数据的长效传输，延长网络的生命周期，提升网络的监测性能。
　　以上结果表明，在普通节点数据传输过程中采用所提出的MB-OFDM-UWB时频编码协作传输方案、在普通节点成簇管理过程中采用所提出的PREVG分簇算法以及在簇头节点与汇聚节点通信路径选取过程中采用所提出的EDACA路由算法，能够有效保证煤矿井下异构无线多媒体传感器网络数据传输的可靠性与节点能量有效性。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文相关技术及研究现状

1．3．1 协作通信技术

1．3．2 路由技术

1．4 本文研究内容

1．5 本文章节安排

2 煤矿井下异构无线多媒体传感器网络

2．1 网络需求分析

2．2 传统无线传感器网络

2．2．1 系统模型

2．2．2 网络拓扑结构及工作方式

2．3 煤矿井下异构无线多媒体传感器网络

2．3．1 系统模型

2．3．2 网络拓扑结构及工作方式

2．4 本章小结

3 煤矿井下传感器网络MB-OFDM-UWB时频传输

3．1．1 OFDM基本原理

3．1．2 MB-OFDM-UWB基本原理

3．1．3 MB-OFDM-UWB信号生成

3．2 超宽带无线信道模型

3．3 煤矿井下传感器网络时频编码协作方案

3．3．1 时频编码协作方案

3．3．2 源节点和协作节点信号传输

3．3．3 节点数据合并

3．4 仿真分析

3．5 本章小节

4 煤矿井下传感器网络PREVG分簇算法

4．1 煤矿井下传感器网络分簇分析

4．1．1 煤矿井下传感器网络分簇思想

4．1．2 煤矿井下传感器网络分簇特点

4．2 煤矿井下传感器网络PREVG分簇算法

4．2．1 井下分簇式路由协议

4．2．2 分簇算法的提出

4．2．3 PREVG分簇算法

4．3 仿真分析

4．4 本章小节

5 煤矿井下传感器网络EDACA路由算法

5．1 煤矿井下传感器网络簇间路由分析

5．2 基于蚁群的智能路由算法EDACA

5．2．1 自适应路由算法

5．2．2 路由算法的提出

5．2．3 智能路由算法EDACA

5．3 煤矿井下传感器网络EDACA路由算法

5．3．1 簇形成阶段

5．3．2 路由查找阶段

5．3．3 数据传输阶段

5．4 仿真分析

5．5 本章小节

6 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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