煤矿井下无线多媒体传感器网络中的区分服务实现方法与流程

本发明涉及无线多媒体传感器网络技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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，本发明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停计数的值继续开始计数；

当所述语音节点的退避时间计数器减小到0时，所述语音节点通过无线多媒体传感器网络的信道向簇头节点传输语音业务，所述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，所述视频节点的退避时间计数器从上次暂停计数的值继续开始计数，当所述视频节点的退避时间计数器减小到0时，所述视频节点通过无线多媒体传感器网络的信道向簇头节点传输视频业务。

进一步地，所述的方法还包括：

假设ps,i表示第i类业务在一个时隙内成功传输数据包的概率,e(li)表示第i类业务传输数据包的平均有效载荷，则传感数据业务、语音业务和视频业务在一个时隙内传输的有效负载si可以表示为：

si＝ps,ie(li)

式中，e(li)取决于传感数据业务、语音业务和视频业务数据包的大小，ps,i等于只有一个第i类节点发送数据包，其他节点都不发送数据包的概率之和，即

第i类业务成功传输数据包的平均持续时间ts,i由下式表示：

ts,i＝th+te(li)+sifs+tack+difs

式中，th表示传输物理层头文件和mac层头文件的持续时间，te(li)表示第i类业务数据包传输的平均持续时间，sifs表示等待短帧间间隔持续时间，tack表示传输ack的持续时间，difs表示等待分布式帧间间隙持续时间；

信道冲突的平均持续时间tc由下式表示

tc＝th+te(l*)+sifs+tack+difs

式中，te(l*)表示冲突中最长数据包传输的平均持续时间。

进一步地，所述的方法还包括：

煤矿井下无线多媒体传感器网络中的传感数据业务、语音业务和视频业务mac层的接入时延为数据包从开始竞争信道到成功被发送或达到最大重传次数而被放弃发送的时间，包括wmsns信道空闲时退避时间计数器经历退避时隙的时间，wmsns信道忙时退避时间计数器被冻结的时间，以及发送数据包失败经历的时间；

第i类业务在第j次重传完成数据包被成功发送的概率pi,j表示为：

用随机变量xi表示在不考虑退避时间计数器被冻结的情况下第i类业务成功发送数据包前所经历的时隙数，则随机变量xi的数学期望e(xi)用第i类业务每次重传所经历平均时隙数的和表示，有：

随机变量bi表示第i类业务在退避过程中退避时间计数器被冻结的次数，则随机变量bi的数学期望e(bi)用e(xi)与每次退避可能遇到冻结概率的乘积表示，即：

用e(ni)表示第i类业务数据包被重传的平均次数，则：

用随机变量to表示传输数据包冲突后等待下一次竞争的时间，则：

to＝sifs+tack_timeout

其中，tack—timeout表示ack超时的持续时间；

用随机变量di表示第i类业务mac层接入时延，则随机变量di的数学期望e(di)表示为：

其中，e(xi)δ为第i类业务信道空闲时退避时间计数器经历退避时隙所用的时间，为第i类业务信道忙时退避时间计数器被冻结的时间，e(ni)(tc+to)为第i类节点发送数据包失败经历的时间。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明通过为传感数据业务、语音业务和视频业务设计不同的竞争窗口，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。建立三种业务退避级数和退避时间计数器的markov链模型，并分析区分服务的qos-mac协议的饱和吞吐量和接入时延方面的性能。仿真实验结果表明，在低负载状态下和高负载状态下，所提出的煤矿井下区分服务的qos-mac协议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。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种煤矿井下wmsns体系结构结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种煤矿井下wmsns区分服务的qos-mac协议的设计原理示意图；

图3为本发明实施例提供的一种第i类业务的二维离散时间markov链状态转移图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

无线多媒体传感器网络对实现煤矿井下多媒体监测具有重要的价值。为保障煤矿井下wmsns传感数据业务、语音业务和视频业务对网络服务质量不同的要求，提出了一种煤矿井下wmsns区分服务的qos-mac协议。

本发明实施例基于csma/ca机制的mac协议，提出了一种煤矿井下wmsns区分服务的qos-mac协议。所提出的mac协议通过为环境监测节点、语音节点和视频节点的三种不同通信业务设计不同的竞争窗口，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。

煤矿井下wmsns业务qos保障需求与现有的wmsns业务qos保障需求存在很大的差别。煤矿井下环境监测无线传感器节点所监测的环境参数为传感数据业务，业务对无线传输的带宽需求一般较低。但是，传感数据业务直接关系到煤矿安全，对传输时延要求很高，需要被设置为高优先级业务。为保障地面监控中心与井下作业人员之间语音通话的实时性，语音业务一般设为中等优先级业务。煤矿井下视频业务主要源于对井下作业情况的视频监控，视频业务存在一定时延通常不会对煤矿井下安全生产产生影响。煤矿井下视频业务以视频帧为传输单位，数据量相对较大，但视频业务只需设为低优先级。可见，为确保煤矿井下wmsns为不同业务提供qos保障，需基于煤矿井下wmsns传感数据业务、语音业务和视频业务的重要性、发生频率、单向或双向传输的业务流特性，归纳出煤矿井下wmsns业务的基本模型。

煤矿井下wmsns体系结构如图1所示，体系结构主要由地面监控中心部、有线光纤骨干网和部署在煤矿井下的wmsns等3层体系结构组成。煤矿井下wmsns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。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。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。通过这种方式，地面监控中心可以实时监测煤矿井下重要的环境参数，与井下作业人员实时语音通信，并对井下作业情况进行视频监控。

传感数据业务

传感数据业务由部署在煤矿井下的环境监测节点产生，是煤矿井下wmsns的基本业务。每个环境监测节点集成多种类型的传感器，可同时采集多种类型的环境监测数据。环境监测节点对采集的各种环境监测数据进行整理和封装，形成传感数据业务，然后通过wmsns上传到地面监控中心。

传感数据业务的传输方向是从煤矿井下向地面监控中心单向传输。传感数据业务的业务量与环境监测节点的数量、单个环境监测节点集成传感器的数目以及传感器采集环境监测数据的频率有关。煤矿井下一般需要监测一氧化碳、甲烷、温度、湿度、气压、风速、粉尘浓度和烟雾浓度等8种类型的重要环境参数。若每种传感器采集环境监测数据的频率为1s一次，每次环境监测数据的大小为512bits，则每种传感器的数据速率约为0.5kbps，这样一个集成8种类型传感器的环境监测节点产生的传感数据业务的数据速率约为4kbps。煤矿井下一个wmsns一般布置2～6个环境监测节点，传感数据业务的数据速率约为8kbps～24kbps。可见，煤矿井下wmsns传感数据业务的带宽需求较低。但是，为确保地面监控中心能够实时监测煤矿井下的环境信息，传感数据业务对传输的实时性要求较高。

语音业务

语音业务主要是煤矿井下wmsns内的语音节点与地面监控中心之间语音调度通信产生的业务。煤矿井下语音调度通信一般单次通话时长较短，但语音调度通信具有频率较高、突发性较强的特点。奈奎斯特原理规定语音的采样频率为每秒8000次，每次8比特，因此语音通信的基带带宽为64kbps。为提高语音通信的传输效率和可靠性，可采用g.711音频编码方式对语音通信带宽进行压缩，压缩后的传输带宽为90.4kbps。煤矿井下一个wmsns语音节点的数量一般为1～3个，语音业务的数据速率约为90.4kbps～271.2kbps。为保证通话声音的可辨识性，语音通信端到端的时延一般不超过150ms。因此，对煤矿井下wmsns语音业务端到端的传输时延要求不能超过150ms。

视频业务

视频业务由煤矿井下wmsns内的视频监视节点产生。视频监视节点采集的视频信息通过wmsns上传到地面监控中心，为地面监控中心提供井下作业直观的视频信息。视频监视节点可接收地面监控中心的控制指令，根据控制指令调整监视视角，满足地面监控中心的观察需求。

视频业务以视频帧为传输单位，数据量相对较大，具体的传输速率与采用的视频压缩标准有关。h.264视频压缩标准由itu-t和iso/iec共同开发，压缩效率较高，且对信道时延具有较强的适应性。同时，h.264视频压缩标准加强了对误码和丢包的处理，提高了解码器的差错恢复能力，十分适用于煤矿井下视频监控。h.264视频压缩标准的压缩速率为32kbps～2mbps。煤矿井下一个wmsns一般布置1～3个视频节点，视频业务的数据速率约为32kbps～6mbps。

与传感数据业务和语音业务相比，煤矿井下wmsns视频业务对实时性的要求相对较低。原因是视频业务主要是帮助地面监控中心直观地了解煤矿井下作业情况，并不直接涉及到煤矿井下作业环境安全参数。为保证井下视频画面质量，视频业务对网络传输的稳定性具有较高的要求。

表1从业务状态、带宽需求、实时性、方向性等方面对煤矿井下wmsns业务的特点进行了归纳。

表1煤矿井下wmsns业务的特点

wmsns区分服务的qos-mac协议的算法描述

从上面对煤矿井下wmsns多媒体业务需求的分析可以看出，煤矿井下传感数据业务、语音业务和视频业务存在不同的流量特性和qos保障需求。为此，提出了一种煤矿井下wmsns区分服务的qos-mac协议。所提出区分服务的qos-mac协议通过为传感数据业务、语音业务和视频业务设计不同的竞争窗口，合理退避，实现了三种业务的区分服务，保障了不同业务的qos需求。根据表1煤矿井下wmsns业务的特点，将传感数据业务、语音业务和视频业务的优先级分别设置为高级、中级和低级。

图2示意了所提出的煤矿井下wmsns区分服务的qos-mac协议的设计原理示意图。在图2中，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要对wmsns信道进行监听。当煤矿井下wmsns信道空闲时间长于difs(distributedinter-framespacing，分布式帧间间隙)时，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。当某个节点的退避时间计数器减小到0时，该节点就开始发送数据包。针对传感数据业务、语音业务和视频业务的不同优先级，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。这样环境监测节点、语音节点和视频节点在竞争窗口内随机选取的退避时间计数器的值也就分别最小、中等和最大。由于传感数据业务退避时间计数器通常最小，所以环境监测节点的退避时间计数器一般最先减小到0，即最先完成退避过程，并开始发送数据包，如图2中的第一个竞争期后的竖线所示。此时语音节点和视频节点的退避时间计数器同时暂停计数，延迟接入wmsns信道。簇头节点成功接收来自环境监测节点发送的传感数据业务数据包，等待一个短帧间间隔(sifs)时间从接收状态转化为发送状态，并向所有节点发送确认接收应答包(ack)，告知所有节点簇头节点已经成功接收数据包。

wmsns的所有节点接收来自簇头节点发送的ack后，重新开始监听wmsns信道。当信道空闲时间长于difs时，语音节点和视频节点的退避时间计数器从上次暂停计数的值继续开始计数。这样上次竞争中失败的语音节点和视频节点在下次竞争时的退避时间就较短，从而避免了优先级低的业务一直竞争不到wmsns信道的情况。由于语音业务的退避时间计数器小于视频业务，所以语音节点的退避时间计数器先减小到0，即其次完成退避过程，并开始发送数据包，如图2中的第二个竞争期后的竖线所示。此时视频节点的退避时间计数器暂停计数，延迟接入wmsns信道，如果环境监测节点也在竞争接入wmsns信道，那么环境监测节点也暂停。同样的，簇头节点成功接收来自语音节点发送的语音业务数据包，等待一个sifs时间从接收状态转化为发送状态，并向所有节点发送确认接收应答包(ack)，告知所有节点簇头节点已经成功接收数据包。

wmsns的所有节点接收来自簇头节点发送的ack后，重新开始监听wmsns信道。当等待信道空闲时间长于difs时，视频业务的退避时间计数器从与语音业务竞争中暂停计数的值继续开始计数。当视频节点的退避时间计数器减小到0，即最后完成退避过程，并开始发送数据包，如图2中的第三个竞争期后的竖线所示。在上述环境监测节点、语音节点和视频节点发送数据包的过程中，各种业务退避时间计数器的取值和竞争窗口的大小直接影响mac协议区分服务的性能。下面对煤矿井下wmsns区分服务的qos-mac协议的退避时间计数器和竞争窗口的参数进行优化设计。

假设用第i(i＝1,2,3)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(i＝1,2,3)类节点分别表示环境监测节点、语音节点和视频节点。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](1)

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。在公式1中可以通过选取传感数据业务、语音业务和视频业务不同的竞争窗口，来调节退避时间计数器的值以满足不同业务的接入需求。

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。这里假设第i类业务最大重传次数li的值大于最大退避级数mi的值。

由公式2可知，第i类业务竞争窗口cwi的取值与业务发生碰撞的次数、最小竞争窗口wi,0和最大竞争窗口wi,max有关。第i类业务竞争窗口cwi的初值为最小竞争窗口wi,0。当第i类节点发送第i类业务发生碰撞时，业务的退避级数加1，竞争窗口cwi增加1倍。当第i类业务达到最大退避级数时，业务的竞争窗口cwi保持为最大竞争窗口wi,max不变，直到完成第i类业务的传输或达到最大重传次数不再重新尝试发送。

由于传感数据业务直接关系到煤矿安全，所以设计传感数据业务的竞争窗口始终保持小于语音业务和视频业务。设计语音业务的最小竞争窗口与传感数据业务的最大竞争窗口相同，保持语音业务的优先级仅次于传感数据业务。设计视频业务的最小竞争窗口是语音业务最小竞争窗口的2倍，使得视频业务接入wmsns信道的优先级最低。同时，设计传感数据业务、语音业务和视频业务的最大退避级数mi皆为2，即环境监测节点、语音节点和视频节点传输数据包发生冲突后，退避两次达到最大竞争窗口。综上所述，表2给出了煤矿井下wmsns区分服务的qos-mac协议三种业务不同的最小竞争窗口wi,0和最大竞争窗口wi,max的设计参数。

表2wmsns区分服务的qos-mac协议wi,0和wi,max的设计参数

如表2所示，在所提出的煤矿井下wmsns区分服务的qos-mac协议中，传感器业务、语音业务和视频业务的竞争窗口依次增大，用户优先级高的业务拥有更小的竞争窗口，始终保持更高等级的传输优先级。

3.2系统模型

煤矿井下wmsns环境监测节点、语音节点和视频节点自身内部只存在一种业务，节点内不存在不同业务的竞争。传感数据业务为周期性业务，语音业务为突发性业务，视频业务为连续性业务。当三种业务负载流量较低或在某段时间内没有语音业务时，是否采用区分服务的qos-mac协议对wmsns多媒体业务qos保障区别不大。但在三种业务负载流量高的饱和状态下，区分服务的qos-mac协议对wmsns多媒体业务qos保障则十分重要。假设处于饱和工作状态下的环境监测节点、语音节点和视频节点的数量分别为n1、n2和n3，记为(n1,n2,n3)。当环境监测节点、视频节点工作在稳定的饱和状态下时，发送数据的节奏是不变的，而语音节点发送数据的节奏虽然是随机突发的，但在较长一段时间内其随机突发的统计概率是不变的。这样可假设环境监测节点、语音节点和视频节点每次发送数据包的概率为不同的常数，记为τi。

假设煤矿井下wmsns信道没有隐藏终端和信道捕获，丢包仅因有两个或两个以上节点在同一个时隙同时发送数据包发生碰撞所引起。当某一环境监测节点、语音节点或视频节点在某个时隙内发送数据包时，若剩余的所有节点中有其他节点在同一时隙内发送数据包，则会发生数据包的碰撞。那么第i类节点发送数据包时发生碰撞的概率pc,i可以表示为：

式中，τi表示第i类节点发送数据包的概率，ni表示第i类节点的数量。

煤矿井下wmsns信道忙的概率pb取决于工作的环境监测节点、语音节点和视频节点的数量与它们发送数据包的概率，pb应等于煤矿井下至少有一个节点在发送数据包的概率，因此有：

式中，τi表示第i类节点发送数据包的概率，ni表示第i类节点的数量。

从图2可以看到，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，需要完成各自的退避过程。在退避过程中的时刻t，假设第i类业务的退避级数和退避时间计数器分别用随机变量s(i,t)和b(i,t)表示。那么第i类业务的退避级数和退避时间计数器{s(i,t+1),b(i,t+1)}只和前一时刻{s(i,t),b(i,t)}有关，而与{s(i,t-1),b(i,t-1)}无关。这样就可以利用二维离散时间markov链建模传感数据业务、语音业务和视频业务的退避过程，并得到如图3所示退避级数和退避时间计数器的状态转移图。这里需要说明的是，在图3第i类业务的二维离散时间markov链中，传感数据业务、语音业务和视频业务发送数据包时发生碰撞的概率pc,i不同，传感数据业务、语音业务和视频业务的竞争窗口wi,j也不同。

图3为第i类业务的二维离散时间markov链状态转移图，从图3第i类业务的二维离散时间markov链可以看出，传感数据业务、语音业务和视频业务的退避过程可以被统一的描述为退避级数和退避时间计数器的状态转移概率。传感数据业务、语音业务和视频业务的退避级数和退避时间计数器的状态转移概率可以由以下5个公式来描述：

式中，p{i,j,k|i,j,k+1}表示第i类业务从状态{s(i,t)＝j,b(i,t)＝k+1}转移到状态{s(i,t+1)＝j,b(i,t+1)＝k}的转移概率。式(5)的第1个公式表示第i类业务若检测到信道空闲，则退避时间计数器在每个时隙的开始时刻减1。如果信道一直空闲，退避时间计数器会一直递减为0。式(5)的第2个公式表示第i类业务若检测到信道忙，则第i类业务的退避级数和退避时间计数器都保持在这个状态不发生变化。当第i类业务退避时间计数器递减为0时，开始发送数据包。若发送数据包时发生冲突，则第i类业务的退避级数加1，如式(5)的第3个公式所示。若成功发送数据包，则退避级数变为0，如式(5)的第4个公式所示。式(5)的第5个公式表示当第i类业务达到最大重传次数时，无论发送数据包是否成功，下一刻退避级都将变为0，即使发送数据包发生冲突，第i类节点也会丢弃当前数据包放弃再次发送。

由于二维离散时间markov链是各态遍历的，{s(i,t),b(i,t)}的平稳分布就是极限分布，有：

为{s(i,t),b(i,t)}的平稳分布。则有：

式(7)的第1个公式表示bi,j,0可以表达为bi,0,0发送数据包时碰撞j次的概率。式(7)的第2个公式表示所有bi,j,k在信道空闲条件下退避时间计数器递减到0的概率之和为bi,j,0。式(7)的第3个公式表示第i类业务的所有退避阶段取尽所有退避时间计数器值的概率之和为1。

从式(8)可以看出，第i类节点发送第i类业务数据包的概率τi取决于第i类节点发送数据包时发生碰撞的概率pc,i，第i类业务的最大重传次数li以及第i类业务在退避级数为0阶段，退避时间计数器递减为0的概率bi,0,0。其中bi,0,0可以由式(7)计算。

从图3第i类业务的二维离散时间markov链可以看出，环境监测节点、语音节点和视频节点分别发送数据包的概率τ1、τ2和τ3，应等于第i类节点在各个退避阶段退避时间计数器递减为0的概率之和，即：

在所提出的煤矿井下wmsns区分服务的qos-mac协议退避机制中，传感数据业务、语音业务和视频业务的最大退避级数mi皆为2。因此，式(9)可以展开为：

式(3)、(4)、(8)和(10)构成一个非线性方程组，通过数值解法可以解析这个方程组的近似解，得到当环境监测节点、语音节点和视频节点工作数量为(n1,n2,n3)时，煤矿井下wmsns信道忙的概率pb，第i类节点发送数据包的概率τi以及发送数据包时发生碰撞的概率pc,i。

3.3饱和吞吐量分析

假设ps,i表示第i类业务在一个时隙内成功传输数据包的概率,e(li)表示第i类业务传输数据包的平均有效载荷，则传感数据业务、语音业务和视频业务在一个时隙内传输的有效负载si可以表示为：

si＝ps,ie(li)(11)

式中，e(li)取决于传感数据业务、语音业务和视频业务数据包的大小，ps,i等于只有一个第i类节点发送数据包，其他节点都不发送数据包的概率之和，即

一个时隙内有业务成功发送数据包的概率ps等于传感数据业务、语音业务和视频业务在一个时隙内成功发送数据包的概率之和，即

一个时隙所持续的平均时间t可以用信道空闲时间、成功传输数据包时间和信道冲突时间以及它们的概率来表示，即

式中，δ表示一个时隙信道空闲的持续时间，1-pb表示信道空闲的概率，ts,i表示第i类业务成功传输数据包的平均持续时间,tc表示信道冲突的平均持续时间，pb-ps为信道忙却没有成功传输数据包的概率，即信道冲突的概率。

第i类业务成功传输数据包的平均持续时间ts,i由下式表示

ts,i＝th+te(li)+sifs+tack+difs(15)

式中，th表示传输物理层头文件和mac层头文件的持续时间，te(li)表示第i类业务数据包传输的平均持续时间，sifs表示等待短帧间间隔持续时间，tack表示传输ack的持续时间，difs表示等待分布式帧间间隙持续时间。

信道冲突的平均持续时间tc由下式表示

tc＝th+te(l*)+sifs+tack+difs(16)

式中，te(l*)表示冲突中最长数据包传输的平均持续时间。

传感数据业务、语音业务和视频业务的归一化饱和吞吐量sni为其在一个时隙内传输的有效负载si与一个时隙持续平均时间t的比值，即

3.4接入时延分析

煤矿井下wmsns传感数据业务、语音业务和视频业务mac层的接入时延为数据包从开始竞争信道到成功被发送或达到最大重传次数而被放弃发送的时间，包括wmsns信道空闲时退避时间计数器经历退避时隙的时间，wmsns信道忙时退避时间计数器被冻结的时间，以及发送数据包失败经历的时间。

第i类业务在第j次重传完成数据包被成功发送的概率pi,j可以表示为

用随机变量xi表示在不考虑退避时间计数器被冻结的情况下第i类业务成功发送数据包前所经历的时隙数，则随机变量xi的数学期望e(xi)可以用第i类业务每次重传所经历平均时隙数的和表示，有：

随机变量bi表示第i类业务在退避过程中退避时间计数器被冻结的次数，则随机变量bi的数学期望e(bi)可以用e(xi)与每次退避可能遇到冻结概率的乘积表示，即

用e(ni)表示第i类业务数据包被重传的平均次数，则

用随机变量to表示传输数据包冲突后等待下一次竞争的时间，则

to＝sifs+tack_timeout(22)

其中，tack—timeout表示ack超时的持续时间。

用随机变量di表示第i类业务mac层接入时延，则随机变量di的数学期望e(di)可以表示为：

其中，e(xi)δ为第i类业务信道空闲时退避时间计数器经历退避时隙所用的时间，为第i类业务信道忙时退避时间计数器被冻结的时间，e(ni)(tc+to)为第i类节点发送数据包失败经历的时间。

仿真模型

为了检验所提出的煤矿井下wmsns区分服务的qos-mac协议的性能，假设在煤矿井下300m×300m的工作面上随机部署n1个环境监测节点、n2个语音节点、n3个视频节点和一个簇头节点。所有多媒体节点的业务汇聚到簇头节点并通过簇头节点发送到地面监控中心。

假设由井下环境监测节点向地面监控中心单向传输的传感数据业务，每个节点每次传输数据包的时间间隔为1s，数据包的大小为512bytes，带宽需求为4kbps。井下语音节点与地面监控中心间双向传输的语音业务，井下语音节点向地面监控中心以及地面监控中向井下语音节点传输数据包的时间间隔都为0.02s，数据包的大小都为200bytes，双向传输的带宽需求为160kbps。假设视频业务每秒钟传输10帧，帧尺寸为128×120个像素，每个像素需要9bit。由井下视频节点向地面监控中心单向传输的视频业务，每个节点每次传输数据包的时间间隔为0.1s，数据包的大小为17280bytes，带宽需求为1382kbps。为了考察所提出的煤矿井下wmsns区分服务的qos-mac协议的性能，环境监测节点n1、语音节点n2和视频节点n3的数量取为(2,1,1)和(6,3,3)两组，分别用于模拟低流量负载和高流量负载。表3为煤矿井下wmsns不同业务需求的描述和所部署的多媒体节点的数量。

表3煤矿井下wmsns不同业务需求和部署的多媒体节点的数量

在煤矿井下wmsns区分服务的qos-mac协议仿真中，假设传感数据业务的最小竞争窗口cw1,0为32。根据表2可以得到退避过程中传感数据业务的最小竞争窗口和最大竞争窗口分别为32和128，语音业务的最小竞争窗口和最大竞争窗口分别为128和512，视频业务的最小竞争窗口和最大竞争窗口分别为256和1024。仿真中还假设，井下环境监测传感器节点、语音节点和视频节点的缓存大小均为125kbits，发射功率均为5mw，最大重传次数均为4次，物理层的传输速率为5.5mbps，仿真实验持续为30分钟，如表4所示。为了考察所提出的煤矿井下wmsns区分服务的qos-mac协议的性能，还在同样的网络条件下采用802.11dcf协议与所提出的协议进行了对比。802.11dcf协议所有业务的最小竞争窗口和最大竞争窗口均为32和1024。

表4煤矿井下wmsns的qos-mac协议的仿真参数

综上所述，本发明实施例通过为传感数据业务、语音业务和视频业务设计不同的竞争窗口，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。建立三种业务退避级数和退避时间计数器的markov链模型，并分析区分服务的qos-mac协议的饱和吞吐量和接入时延方面的性能。仿真实验结果表明，在低负载状态下和高负载状态下，所提出的煤矿井下区分服务的qos-mac协议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。

本发明实施例归纳了煤矿井下传感数据业务、语音业务和视频业务的带宽、时延、方向性等特性，建立了煤矿井下wmsns通信需求的业务模型。所提出区分服务的qos-mac协议通过对传感数据业务、语音业务和视频业务设计不同的竞争窗口，实现了业务优先级的区分服务，建立了三种业务退避级数和退避时间计数器的markov链状态转移图，利用markov链理论模型分析了区分服务的qos-mac协议的饱和吞吐量和接入时延方面的性能。

仿真实验结果表明，在低负载状态下和高负载状态下，所提出的煤矿井下区分服务的qos-mac协议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。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。