基于MB-OFDM-UWB的煤矿井下无线多媒体传感器网络若干关键技术研究

According to the urgent requirements for wireless video surveillance, voice communication, environmental monitoring and target localization by mine security monitoring, early warning and disaster relief, a wireless multimedia sensor network for underground coal mine is proposed which is based on the multi-band orthogonal-frequency-division-multiplexing ultra-wideband (MB-OFDM-UWB). It will provide strong support for mine security monitoring, early warning and disaster relief, and also enhance the abilities of them greatly. Models of multimedia monitoring of the wireless multimedia sensor network for underground coal mine will be established which will lay the foundations for the study of key technologies of the network. Proposed technologies of network coverage and topology control to optimize network coverage under the premise of guaranteed QoS. Proposed the MAC protocol and routing protocol according to QoS guarantee of different service to ensure the efficient operation of the network. Establish the interaction mechanism between different layers of protocol stack with the method of cross layer design to provide better QoS guarantee. Put forward the method of cooperative target localization through the perception of multi-nodes according to the characteristics of underground coal mine monitoring scene. Lay a foundation for the future theoretical and technical development of wireless multimedia sensor networks of underground coal mine, and improve the wireless monitoring theory and technology for underground coal mine in our country.

针对煤矿井下安全监测、预警与抢险救灾对无线视频监视、无线语音通信、环境监测与目标定位的迫切需求，基于MB-OFDM-UWB超宽带无线传感器网络技术，构建集煤矿井下无线视频监视、语音通信、环境监测为一体的煤矿井下无线多媒体传感器网络，为煤矿安全监测、预警与抢险救灾提供强有利的手段，促进煤矿安全监测、预警与抢险救灾能力的提高。建立煤矿井下无线多媒体传感器网络多媒体监测的业务模型，为网络关键技术的研究打下基础；提出网络的覆盖与拓扑控制技术，实现保证QoS 前提下网络覆盖的优化；提出基于不同业务QoS保障的MAC协议与路由协议，保障网络的高效运行；采用跨层设计的方式，建立协议栈不同层之间的交互机制，为网络提供良好的QoS保障；提出针对煤矿井下监控场景特点的多节点感知的协作目标定位方法；为未来新型煤矿井下无线多媒体传感器网络的研发打下理论与技术基础，拓展、深化和发展我国煤矿井下无线监测理论与技术。

针对煤矿井下安全监测、预警与抢险救灾对无线视频监视、无线语音通信、环境监测与目标定位的迫切需求，提出基于MB-OFDM-UWB超宽带无线传感器网络技术，构建集煤矿井下无线视频监视、语音通信、环境监测为一体的煤矿井下无线多媒体传感器网络，研究其中所涉及的煤矿井下无线多媒体传感器网络多媒体监测的业务模型、网络的覆盖与拓扑控制技术、基于不同业务QoS保障的MAC协议与路由协议、多节点感知的协作目标定位方法等关键技术，为煤矿安全监测、预警与抢险救灾提供强有利的手段，促进煤矿安全监测、预警与抢险救灾能力的提高。课题建立了煤矿井下传感数据业务、语音业务和视频业务的多媒体业务模型；针对煤矿巷道中无线信道多径衰落严重的问题，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，显著提高了网络中信道状况较差节点的误码率性能；针对WMSNs区域覆盖中目标区域为带状的场景，提出了基于改进虚拟势场的区域覆盖增强算法，实现了高效的区域覆盖；针对区域覆盖增强问题，提出了一种基于改进粒子群优化的区域覆盖增强算法，显著提高了区域覆盖增强效果；基于煤矿井下无线多媒体监测业务模型，提出了一种煤矿井下WMSNs区分服务的QoS-MAC协议，实现了多媒体业务的区分服务；针对煤矿井下多媒体业务对不同服务质量的需求，提出了一种煤矿井下WMSNs区分服务的路由协议，实现了煤矿井下多媒体业务的区分服务,保障了QoS；针对异构WMSNs的拓扑控制，提出了一种基于“双阶段簇头选举”机制的分布式高能效分簇协议，使WMSNs能够实现更为均衡的能耗负载；针对煤矿井下巷道狭长的特点，提出了一种WMSNs单摄像机视频定位算法，可有效对井下作业人员进行定位；针对煤矿井下分岔结构，提出了一种WMSNs矿灯多节点视频协作定位算法，可有效对井下作业人员进行定位与跟踪。课题的上述工作为未来新型煤矿井下无线多媒体传感器网络的研发打下了理论与技术基础，拓展、深化和发展了我国煤矿井下无线监测理论与技术。