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基于三維礦井應急通信的脫網網關選取算法
現代意義的應急通信，一般指在出現自然的或人為的突發性緊急情況時，同時包括重要節假日、重要會議等通信需求驟增時，綜合利用各種通信資源，保障救援、緊急救助和必要通信所需的通信手段和方法，是一種具有暫時性的、為應對自然或人為緊急情況而提供的特殊通信機制。
摘要：近年來國家對礦井安全生產和井下應急通信救援重視程度越來越高，目前的井下應急救援措施往往是通過鋪設應急通信設備以接力的方式延伸至事故現場。但這種常規的救援方式的一個缺點是需要花費大量的人力、物力和時間，不能很好的適應應急通信快速處置的要求。為此，引入一種脫網直通技術，利用井下未損壞的通信設備自組織小范圍通信網絡實現互通自救，并通過建立三維礦井模型和脫網網關的選取以達到井下應急通信負載均衡和降低時延的目的。
關鍵詞：脫網網關;三維分簇算法;負載均衡;三維礦井模型
一、井下應急通信研究背景及意義
目前，隨著國家對礦井生產安全的重視程度越來越高，以及近年來頻繁曝光的各類井下礦難事故，使得如何解決在礦井中發生礦難之后建立有效的數據通信系統這一難題成為當前十分急迫的問題[1]。
煤礦井下開采范圍廣，基站部署多，當發生煤礦事故時，井下主環網容易遭到破壞，使得與井上的通信被切斷。但由于井下大部分基站仍可以進行正常工作，因此充分利用未損壞的基站進行應急通信將使得救援時間和救援成本大大減少。本文引進一種脫網直通技術，該技術是一種使基站同時具有核心網功能和基站功能的技術。通過在基站中加入核心網組件，使正常運行的基站實時備份核心網數據庫信息，以應對隨時可能發生的網絡中斷事件。當判斷網絡中斷發生后，基站中備份的核心網組件自啟動，搜索網絡狀態下可能連接的基站設備，自組織形成小范圍的應急通信網絡。其中，啟動核心網功能的基站設備稱之為脫網網關。
本文主要解決的問題是，以三維礦井應急通信為背景，在脫網網關的負載、網絡拓撲結構的制約下進行脫網網關的選取。
二、相關工作
本文通過采用脫網直通技術和分簇算法將井下可用基站以適當范圍自組織，選取脫網網關，實現互通自救。分簇的優點在于可促進網絡的分布控制，加強局部通信。井下應急通信最主要的是通信的及時性，因此延時需要盡可能地小。通過負載均衡或減小系統總負載可相應地降低時延。
目前，大規模分簇算法的研究工作已有很多。如基于負載均衡的Grid Sectoring[2]算法，考慮距離對通信影響的K-means算法[3]等。但這些算法主要是在二維空間中進行研究，很少有對符合礦井實際情況的三維環境進行研究。當礦井發生事故時，影響的不僅僅是一條巷道的通信，往往對整個系統都有影響。因此，對三維礦井分簇應急組網算法的研究是很有必要的。
三、三維礦井分簇模型
本文的井下應急網絡模型由兩部分組成：脫網網關(OG off gateways)和基站節點(BN base station node)。當發生礦難時，應急通信使用未損壞的網絡自組織成小范圍網絡區域進行及時互救。
3.1 三維礦井系統模型
因此根據實際情況，我們建立一個三維的礦井系統模型。在圖1中，黑色的點代表基站節點(BN)。令三維礦井為一個空間受限的長方體區域G(x，y，z)，三維礦井包括所有BN。BN近似均勻分布于區域G，密度為λ，數量為N。
定義BN的平均傳輸范圍為R，表示任意兩個BN的幾何距離小于R的可相互通信。
3.2 井下網絡分簇及脫網網關選擇
在發生事故后，煤礦井下可用BN構成三維大范圍網絡G。為減小網絡中通信負載和時延，將G進行分區管理并在每一區域選取一個BN作為脫網網關。其中將每一區域作為一個簇，區域中的脫網網關作為簇頭CH。簇的大小受到眾多因素的制約，若分簇較少時，將增加BN到CH的平均跳數(hops)，即簇內的負載增加;若分簇較多時，又造成簇間負載增加。因此，這里存在一個最優簇的大小使得總負載最少。
N個BN均勻分布于區域G，且密度為λ。首先將G分成大小為a×a×a的小立方體網格。由上述井下基站網絡模型建立可知，BN的平均傳輸范圍為R，為使得網格中任何兩BN間可以相互通信，定義立方體網格的對角線長度等于R，則網格的邊長a的值為，如圖2所示。由此可知，每個立方體網格中BN間數據傳輸經過的跳數為一跳。本文的目的是將網絡G分成多個立方體簇，因此每個簇由多個立方體網格構成。假設每個立方體簇的邊長為D・a，如圖2所示為三維空間的一個立方體簇。D的最大值DMAX為：
(1)
λa3為一個立方體網格的BN數，D的值位于[1，DMAX]之間。則每個簇的BN數為λD3a3，區域G平均有個簇。
本文令CH位于簇中心的立方體網格，對于簇內傳輸為BN通過最短路徑傳輸數據到達CH，位于簇中心的立方體網格中BN離CH只有一跳的傳輸距離，在中心網格周圍下一層網格的BN離CH有兩跳的距離，則位于第三層的BN距離CH有三跳的距離，根據這樣的模式，BN在第h層到CH距離為h跳。層數或跳數h與D的取值相關且滿足。對于簇間傳輸，本文根據應急通信中需要互通自救的情況，簇間傳輸將是CH與CH間的相互通信。對于區域G中負載我們有如下定義：
定義1：簇內負載Tint ra(D)，表示簇中所有BN到達本簇的CH的總跳數。
定義2：簇間負載Tint er(D)，表示整個系統中所有CH之間相互通信的總跳數。
定義3：總負載T(D)，表示簇內負載Tint ra(D)與簇間負載Tint er(D)之和。
則分簇模型可用如下公式表示：
Min T(D)=Tint ra(D)+Tint er(D) (2)
S.t. D∈[1，DMAX]
確定其最優值D*使得總負載最小。
四、算法分析及仿真驗證
由第三章礦井模型建立可知，BN進行網絡自組織以便于井下人員在應急通信中進行互通自救。對于簇內通信，為BN與CH間的通信。根據分簇模型的建立，可知在立方體簇中，當層數取h時，D=2h-1，則第h層的網格數量為：
(2h-1)3-(2h-3)3 (3)
=24(h2-2h)+26 h≥2
由每個網格的BN數量為λa3，系統中簇的數量為，因此簇中所有BN到達CH的總跳數為：
(4)
由(4)式可知，在固定簇區域中，簇內傳輸總跳數Tintra(D)與BN數量N成正比，當N為一定值時，它隨著簇的邊長D的增加而增加。
對于簇間傳輸，為系統中CH之間的相互通信，令每個CH平均通信傳輸經過M個CH，每相鄰兩個CH間的跳數為D，則對于簇間跳數Tinter(D)的計算，有：
(5)
由(5)式可知，簇間傳輸總跳數Tinter(D)與BN數量N以及平均傳輸量M成正比，當N和M為一定值時，它隨著簇的邊長D增加而減少。
將公式(4)、(5)求和可知簇內和簇間的總跳數T(D)為：
(6)
其中λ和a是定值，令，H與M成正比。則總跳數T(D)簡化為：
(7)
解上式求最優值D*，其中D*與H的取值相關。
如圖3所示，通過一系列的H取值得到D的不同最優值。實現三維礦井應急通信中負載最小的條件。
五、結束語
本文基于脫網網關和礦井通信網絡實際部署情況，提出一種在三維礦井中脫網網關的選取方法，即三維礦井通信網絡分簇算法。該算法利用分簇模型實現脫網網關的優選以達到降低井下應急通信中通信負載和時延的目標。本文礦井模型中基站節點采用均勻分布的特點，與礦井的實際情況有一定的差別，今后將對井下基站非均勻分布模型進行研究，實現井下應急通信。
參考文獻：
[1]錢建生，李雙雙，王瑩瑩.煤礦應急通信保障系統的設計[J]. 工礦自動化，2012(02)：5-8.
[2]Thonklin A.， Suntiamorntut W. A Load Balanced Cluster Head Election for Uniform/Non-uniform Deployment over Wireless Sensor Networks [C]// IEEE， 2011：488-492
[3]Jun H， Juan L. Nodes clustering method in large-scale network [C]// Wireless Communications， Networking and Mobile Computing (WiCOM)， 2012 8th International Conference on ，IEEE 2012：1-4.
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