煤矿井下无线多媒体传感器网络中的区分服务实现方法技术

本发明专利技术提供了一种煤矿井下无线多媒体传感器网络中的区分服务实现方法。该方法主要包括：在煤矿井下无线多媒体传感器网络中设置环境监测节点、语音节点、视频节点，根据传感数据业务、语音业务和视频业务不同的服务质量要求，给传感数据业务、语音业务和视频业务分别设计不同的竞争窗口；环境监测节点、语音节点、视频节点分别基于各种的竞争窗口按照设定的业务传输竞争策略，通过无线多媒体传感器网络的信道向地面监控中心传输数据业务。本发明专利技术实现三种业务的区分服务，以保障三种业务不同的服务质量需求，可以通过减小视频业务的吞吐量来增加传感数据业务和语音业务的吞吐量，通过增大视频业务的时延来减小传感数据业务和语音业务的时延。

Implementation of differentiated services in wireless multimedia sensor networks in underground coal mines

The invention provides a differentiated service implementation method in a coal mine underground wireless multimedia sensor network. The method mainly includes: environmental monitoring node, node, node set video voice in the underground wireless multimedia sensor network, according to the sensing data services, voice and video services with different quality of service requirements, for sensing data services, voice and video services were designed for different competition window; environment monitoring node, voice node video, the competition of the various nodes respectively according to the transmission window based on competitive strategy set, through the channel of wireless multimedia sensor networks to the ground monitoring center for data service. To achieve the three operations of the invention of the differentiated services, in order to ensure the quality of service requirement of three different services, can reduce the video throughput to increase the sensing data and voice business throughput, delay the delay of video service to reduce sensor data service and voice service.

【技术实现步骤摘要】
煤矿井下无线多媒体传感器网络中的区分服务实现方法
本专利技术涉及无线多媒体传感器网络
，尤其涉及一种煤矿井下无线多媒体传感器网络中的区分服务实现方法。
技术介绍
煤矿安全生产对环境监测、无线语音通信和无线视频监视有迫切的需求。WMSNs(WirelessMultimediaSensorNetworks，无线多媒体传感器网络)是在传统无线传感器网络基础上引入了音频、图像、视频等多媒体应用的新型传感器网络。WMSNs具有快捷方便的无线接入、灵活多变的拓扑结构和丰富的多媒体感知能力。因此，可以在煤矿井下构建WMSNs，以进一步提高煤矿井下环境监测、无线语音通信和无线视频监视能力，保障煤矿井下安全生产。煤矿井下WMSNs集环境监测、无线语音通信和无线视频监视为一体。环境监测信息、音频信息和视频信息的业务流量特性、突发性、实时性和重要级别不同，对WMSNsQoS(QualityofService，服务质量)的保障要求也不同。MAC(MdiumAccessControl，媒体访问控制)协议处于WMSNs协议栈的底层部分，直接决定着数据报文和控制消息对无线信道的访问，在很大程度上影响着WMSNs中业务的性能和服务质量。因此，需要提出区分服务的MAC协议以使煤矿井下WMSNs支持不同QoS保障的业务。现有的WMSNs区分服务MAC协议，业务一般也被分为视频业务、非实时业务和尽力而为业务。视频业务被设置为高优先级业务，拥有最小的竞争窗口和最大的占空比，在吞吐量和时延方面的性能被优先保障。非实时业务被设置为中等优先级业务，拥有中等大小的竞争窗口和占空比，在吞吐量和时延方面的性能仅次于视频业务。尽力而为业务被设置为低优先级业务，拥有最大的竞争窗口和最小的占空比，在吞吐量和时延方面的性能远不如视频业务和非实时业务。目前，WMSNs采用的MAC协议大多数是基于时分多址(TDMA)机制或基于带有冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA)机制。煤矿井下环境监测节点集一氧化碳、甲烷、温度、湿度、气压、风速、粉尘浓度和烟雾浓度等多种类型传感器为一体，一般只在关键的监测区域进行少量的布置。语音节点为井下作业人员随身携带的矿用防爆型手机，一般在同一监测区域只有部分的井下作业人员随身携带。视频节点为布置在煤矿井下的矿用防爆型摄像机，一般只对监测区域的关键目标进行视频监视，布置的数量也比较少。在煤矿井下WMSNs中环境监测节点、语音节点和视频节点的数量一般都比较少。在节点数量较少的WMSNs中应用CSMA/CA机制的MAC协议，可以使网络具有更高的吞吐量和更低的时延特性。现有应用CSMA/CA机制的MAC协议在节点数量较少的WMSNs技术应用中，通常优先保证视频业务和语音业务，而对传感数据业务的服务质量保障较差。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种煤矿井下无线多媒体传感器网络中的区分服务实现方法，以实现了对环境监测节点、语音通信节点和视频节点三种不同通信业务的区分服务，保障了煤矿井下WMSNs三种不同通信业务的QoS需求。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。一种煤矿井下无线多媒体传感器网络中的区分服务实现方法，包括：在煤矿井下无线多媒体传感器网络中设置环境监测节点、语音节点、视频节点，所述环境监测节点通过传感器采集环境监测数据，形成传感数据业务，所述语音节点采集语音数据，形成语音数据业务，所述视频节点采集视频数据，形成视频数据业务；根据所述传感数据业务、语音业务和视频业务不同的服务质量要求，给所述传感数据业务、语音业务和视频业务分别设计不同的竞争窗口；所述环境监测节点、语音节点、视频节点分别基于各种的竞争窗口按照设定的业务传输竞争策略，通过无线多媒体传感器网络的信道向地面监控中心传输传感数据业务、语音数据业务和视频数据业务。进一步地，所述的在煤矿井下无线多媒体传感器网络中设置环境监测节点、语音节点、视频节点，包括：构建煤矿井下无线多媒体传感器网络的体系结构，该体系结构包括地面监控中心、有线光纤骨干网和部署在煤矿井下的无线多媒体传感器网络，煤矿井下的无线多媒体传感器网络包含环境监测节点、语音节点、视频节点、簇头节点和汇聚节点，所述簇头节点为环境监测节点、语音节点和视频节点提供无线接入服务，并以单跳或多跳中继的方式将汇集的多媒体信息传递至汇聚节点，所述汇聚节点通过有线光纤骨干网将汇集的多媒体信息传递至地面监控中心。进一步地，所述的根据所述传感数据业务、语音业务和视频业务不同的服务质量要求，给所述传感数据业务、语音业务和视频业务分别设计不同的竞争窗口，包括：为传感数据业务、语音业务和视频业务分别设计了最小、中等和最大的竞争窗口，所述环境监测节点在传感数据业务对应的竞争窗口中选择最小的退避时间计数器的值，所述语音节点在语音业务对应的竞争窗口中选择中等的退避时间计数器的值，所述视频节点在视频业务对应的竞争窗口中选择最大的退避时间计数器的值。进一步地，所述的根据所述传感数据业务、语音业务和视频业务不同的服务质量要求，给所述传感数据业务、语音业务和视频业务分别设计不同的竞争窗口，包括：用第i类业务分别表示传感数据业务、语音业务和视频业务，用第i类节点分别表示环境监测节点、语音节点和视频节点，i＝1,2,3，对第i类节点发送第i类业务所设计的退避时间计数器为：Ti,backoff＝Random(CWi)×aSlotTimeCWi∈[Wi,0,Wi,max]式中，Ti,backoff为第i类业务退避时间计数器的取值，CWi为第i类业务的竞争窗口，Random(CWi)为第i类业务在竞争窗口[0，CWi)内随机选取的整数，aSlotTime为无线多媒体传感器网络的信道的时隙长度，Wi,0和Wi,max分别为第i类业务的最小竞争窗口和最大竞争窗口。进一步地，设计第i类业务竞争窗口CWi为：式中，Wi,j为第i类业务在第j个退避级数时的竞争窗口，mi表示第i类业务的最大退避级数，当第i类业务达到最大退避级数mi时，第i类业务的窗口为最大竞争窗口，即li表示第i类业务的最大重传次数，li的值大于最大退避级数mi的值。进一步地，所述的环境监测节点、语音节点、视频节点分别基于各种的竞争窗口按照设定的业务传输竞争策略，通过无线多媒体传感器网络的信道向地面监控中心传输传感数据业务、语音数据业务和视频数据业务，包括：环境监测节点、语音节点和视频节点在发送传感数据业务、语音业务和视频业务之前对无线多媒体传感器网络的信道进行监听，当监听到无线多媒体传感器网络的信道的空闲时间长于分布式帧间间隙时，所述环境监测节点、语音节点和视频节点分别在各自竞争窗口内随机选取一个退避时间计数器；当所述环境监测节点的退避时间计数器减小到0时，所述环境监测节点通过无线多媒体传感器网络的信道向簇头节点传输传感数据业务，所述语音节点和视频节点的退避时间计数器暂停计数，所述簇头节点接收到来自环境监测节点发送的传感数据业务数据包后，向所有节点发送确认接收应答包；所述环境监测节点、语音节点和视频节点接收到来自簇头节点发送的确认接收应答包后，重新开始监听无线多媒体传感器网络的信道，当监听到无线多媒体传感器网络的信道的空闲时间长于分布式帧间间隙时，所述语音节点和视频节点的退避时间计数器从上次暂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤矿井下无线多媒体传感器网络中的区分服务实现方法，其特征在于，包括：在煤矿井下无线多媒体传感器网络中设置环境监测节点、语音节点、视频节点，所述环境监测节点通过传感器采集环境监测数据，形成传感数据业务，所述语音节点采集语音数据，形成语音数据业务，所述视频节点采集视频数据，形成视频数据业务；根据所述传感数据业务、语音业务和视频业务不同的服务质量要求，给所述传感数据业务、语音业务和视频业务分别设计不同的竞争窗口；所述环境监测节点、语音节点、视频节点分别基于各种的竞争窗口按照设定的业务传输竞争策略，通过无线多媒体传感器网络的信道向地面监控中心传输传感数据业务、语音数据业务和视频数据业务。

【技术特征摘要】
1.一种煤矿井下无线多媒体传感器网络中的区分服务实现方法，其特征在于，包括：在煤矿井下无线多媒体传感器网络中设置环境监测节点、语音节点、视频节点，所述环境监测节点通过传感器采集环境监测数据，形成传感数据业务，所述语音节点采集语音数据，形成语音数据业务，所述视频节点采集视频数据，形成视频数据业务；根据所述传感数据业务、语音业务和视频业务不同的服务质量要求，给所述传感数据业务、语音业务和视频业务分别设计不同的竞争窗口；所述环境监测节点、语音节点、视频节点分别基于各种的竞争窗口按照设定的业务传输竞争策略，通过无线多媒体传感器网络的信道向地面监控中心传输传感数据业务、语音数据业务和视频数据业务。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的在煤矿井下无线多媒体传感器网络中设置环境监测节点、语音节点、视频节点，包括：构建煤矿井下无线多媒体传感器网络的体系结构，该体系结构包括地面监控中心、有线光纤骨干网和部署在煤矿井下的无线多媒体传感器网络，煤矿井下的无线多媒体传感器网络包含环境监测节点、语音节点、视频节点、簇头节点和汇聚节点，所述簇头节点为环境监测节点、语音节点和视频节点提供无线接入服务，并以单跳或多跳中继的方式将汇集的多媒体信息传递至汇聚节点，所述汇聚节点通过有线光纤骨干网将汇集的多媒体信息传递至地面监控中心。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的根据所述传感数据业务、语音业务和视频业务不同的服务质量要求，给所述传感数据业务、语音业务和视频业务分别设计不同的竞争窗口，包括：为传感数据业务、语音业务和视频业务分别设计了最小、中等和最大的竞争窗口，所述环境监测节点在传感数据业务对应的竞争窗口中选择最小的退避时间计数器的值，所述语音节点在语音业务对应的竞争窗口中选择中等的退避时间计数器的值，所述视频节点在视频业务对应的竞争窗口中选择最大的退避时间计数器的值。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的根据所述传感数据业务、语音业务和视频业务不同的服务质量要求，给所述传感数据业务、语音业务和视频业务分别设计不同的竞争窗口，包括：用第i类业务分别表示传感数据业务、语音业务和视频业务，用第i类节点分别表示环境监测节点、语音节点和视频节点，i＝1,2,3，对第i类节点发送第i类业务所设计的退避时间计数器为：Ti,backoff＝Random(CWi)×aSlotTimeCWi∈[Wi,0,Wi,max]式中，Ti,backoff为第i类业务退避时间计数器的取值，CWi为第i类业务的竞争窗口，Random(CWi)为第i类业务在竞争窗口[0，CWi)内随机选取的整数，aSlotTime为无线多媒体传感器网络的信道的时隙长度，Wi,0和Wi,max分别为第i类业务的最小竞争窗口和最大竞争窗口。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，设计第i类业务竞争窗口CWi为：1式中，Wi,j为第i类业务在第j个退避级数时的竞争窗口，mi表示第i类业务的最大退避级数，当第i类业务达到最大退避级数mi时，第i类业务的窗口为最大竞争窗口，即li表示第i类业务的最大重传次数，li的值大于最大退避级数mi的值。6.根据权利要求2至5任一项所述的方法，其特征在于，所述的环境监测节点、语音节点、视频节点分别基于各种的竞争窗口按照设定的业务传输竞争策略，通过无线多媒体传感器网络的信道向地面监控中心传输传感数据业务、语音数据业务和视频数据业务，包括：环境监测节点、语音节点和视频节点在发送传感数据业务、语音业务和视频业务之前对无线多媒体传感器网络的信道进行监听，当监听到无线多媒体传感器网络的信道的空闲时间长于分布式帧间间隙时，所述环境监测节点、语音节点和视频节点分别在各自竞争窗口内随机选取一个退避时间计数器；当所述环境监测节点的退避时间计数器减小到0时，所述环境监测节点通过无线多媒体传感器网络的信道向簇头节点传输传感数据业务，所述语音节点和视频节点的退避时间计数器暂停计数，所述簇头节点接收到来自环境监测节点发送的传感数据业务数据包后，向所有节点发送确认接收应答包；所述环境监测节点、语音节点和视频节点接收到来自簇头节点发送的确认接收应答包后，重新开始监听无线多媒体传感器网络的信道，当监听到无线多媒体传感器网络的信道的空闲时间长于分布式帧间间...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤凯明，杨维，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11