基于三维矿井应急通信的脱网网关选取算摘要：近年来国家对矿井安全生产和井下应急通信救援重视程度越来越高，目前的井下应急救援措施往往是通过铺设应急通信设备以接力的方式延伸至事故现场。但这种常规的救援方式的一个缺点是需要花费大量的人力、物力和时间，不能很好的适应应急通信快速处置的要求。为此，引入一种脱网直通技术，利用井下未损坏的通信设备自组织小范围通信网络实现互通自救，并通过建立三维矿井模型和脱网网关的选取以迗到井下应急通信负载均衡和降低时延的目的关键词：脱网网关；三维矿井模型；三维分簇算法；负载均衡DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.1761井下应急通信研究背景及意义目前，随着国家对矿井生产安全的重视程度越来越高，以及近年来频繁曝光的各类井下矿难事故，使得如何解决在矿井中发生矿难之后建立有效的数据通信系统这一难题成为当前十分急迫的问题［1］。煤矿井下开采范围广，基站部署多，当发生煤矿事故时，井下主环网容易遭到破坏，使得与井上的通信被切断。但由于井下大部分基站仍可以进行正常工作，因此充分利用未损坏的基站进行应急通信将使得救援时间和救援成本大大减少。本文引进一种脱网直通技术，该技术是一种使基站同时具有核心网功能和基站功能的技术。通过在基站中加入核心网组件，使正常运行的基站实时备份核心网数据库信息，以应对随时可能发生的网络中断事件。当判断网络中断发生后，基站中备份的核心网组件自启动，搜索网络状态下可能连接的基站设备，自组织形成小范围的应急通信网络。其中，启动核心网功能的基站设备称之为脱网网关。本文主要解决的问题是，以三维矿井应急通信为背景，在脱网网关的负载、网络拓扑结构的制约下进行脱网网关的选取。2相关工作本文通过采用脱网直通技术和分簇算法将井下可用基站以适当范围自组织，选取脱网网关，实现互通自救。分簇的优点在于可促进网络的分布控制，加强局部通信。井下应急通信最主要的是通信的及时性，因此延时需要尽可能地小。通过负载均衡或减小系统总负载可相应地降低时延。目前，大规模分簇算法的研究工作已有很多。如基于负载均衡的GridSectoring［2］算法，考虑距离对通信影响的K-means算法［3］等。但这些算法主要是在二维空间中进行研究，很少有对符合矿井实际情况的三维环境进行研究。当矿井发生事故时，影响的不仅仅是一条巷道的通信，往往对整个系统都有影响。因此，对三维矿井分簇应急组网算法的研究是很有必要的。3三维矿井分簇模型本文的井下应急网络模型由两部分组成：脱网网关（0Goffgateways）和基站节点（BNbasestationnode）。当发生矿难时，应急通信使用未损坏的网络自组织成小范围网络区域进行及时互救。3.1三维矿井系统模型因此根据实际情况，我们建立一个三维的矿井系统模型。在图1中，黑色的点代表基站节点（BN）。令三维矿井为一个空间受限的长方体区域G（X，y，z），三维矿井包括所有BN。BN近似均匀分布于区域G，密度为A，数量为N。定义BN的平均传输范围为R，表示任意两个BN的几何距离小于R的可相互通信。3.2井下网络分簇及脱网网关选择在发生事故后，煤矿井下可用BN构成三维大范围网络G。为减小网络中通信负载和时延，将G进行分区管理并在每一区域选取一个BN作为脱网网关。其中将每一区域作为一个簇，区域中的脱网网关作为簇头CH。簇的大小受到众多因素的制约，若分簇较少时，将增加BN到CH的平均跳数（hops），即簇内的负载增加；若分簇较多时，又造成簇间负载增加。因此，这里存在一个最优簇的大小使得总负载最少。N个BN均匀分布于区域G，且密度为A。首先将G分成大小为aXaXa的小立方体网格。由上述井下基站网络模型建立可知，BN的平均传输范围为R，为使得网格中任何两BN间可以相互通信，定义立方体网格的对角线长度等于R，则网格的边长a的值为，如图2所示。由此可知，每个立方体网格中BN间数据传输经过的跳数为一跳。本文的目的是将网络G分成多个立方体簇，因此每个簇由多个立方体网格构成。假设每个立方体簇的边长为D•a，如图2所示为三维空间的一个立方体簇。D的最大值DMAX为：(1)入a3为一个立方体网格的BN数，D的值位于[1，DMAX]之...