基于ZigBee监测高速铁路基础设施监测的无线传感器网络研究与应用

本文根据对高速铁路基础设施状态监测的需求,设计和实现了一种监测高速铁路基础设施的无线传感器网络.采用JN5148 ZigBee模块和GPRS模块沿铁路沿线组建一个链状的无线监测网络完成数据采集、汇聚和远程传输的功能.本文首先阐述了网络节点硬件结构;然后根据节点能量有限的条件,设计了时间同步休眠的ZigBee网络节能策略和基于阈值的传感器采集节能策略,提高设备的生存周期;最后测试了该网络的传输性能,结果表明该无线监测网络可以对传感器信息进行准确采集、数据汇集和远程通信.     

铁路沿线线性无线传感器网络路由协议研究

针对铁路沿线环境监测对象种类繁多、位置分散的特点,设计一种无线传感器网络用于将传感器采集信息传输至监测中心,该无线传感器网络由传感器节点、轨边汇聚节点、机房汇聚节点及中继节点组成,重点研究提出轨边汇聚节点与机房汇聚节点之间线性无线传感器网络路由协议。鉴于铁路沿线传感器节点采集信息的重要程度不同,该路由协议根据信息重要程度对数据包进行优先级排序。综合考虑网络寿命和信息重要程度,以网络生命周期内传输数据包数量最大化为目标,建立数据包转发模型和数据包排队模型。在网络能耗均衡的前提下,采用减少优先级高的数据包的转发次数和减少优先级高的数据包在轨边汇聚节点的排队时延两种方式,减少优先级高的数据包的总传输时延。仿真结果表明,该路由协议可以显著减少高优先级数据包的传输时延,均衡使用网络能量,最大化网络寿命。     

高速铁路基础设施检测传感器网络物理拓扑优化方法

高速铁路基础设施的状态关系到列车运行安全,传感器网络技术为高速铁路基础设施状态的实时、全天候检测提供了可能。根据高速铁路基础设施检测传感器网络的应用需求,建立由检测节点(ED)、信息转发节点(RP)、网络接入节点(AP)构成的3层网络通信模型。在确定检测区域所需ED节点类型和个数的基础上,建立网络通信节点带宽利用率最大的整数规划模型,将传感器网络物理拓扑优化问题转化为多次整数规划问题;针对研究区域无传感器网络资源和已有若干传感器网络资源的2种实际应用情况,给出基于粒子群优化算法的求解步骤。对包含60个ED节点的检测应用实例,利用给出的算法通过50次迭代得到了这2种情况下的最优网络节点个数及各通信节点的ED节点组合策略。对实例求解的结果表明,所提出的传感器网络通信模型、物理拓扑优化方法及算法能够解决高速铁路基础设施检测传感器网络物理拓扑的优化问题,可有效降低传感器网络的成本及确定最优的网络通信链路。     

铁路沿线线型无线传感器网络高效路由协议

为防止网络“热区”现象，针对铁路沿线无线传感器网络多呈线型分布的结构特点，提出一种基于服务质量的能耗均衡分簇路由协议（ECRPQ）。首先，部署网络节点，计算节点能量消耗，建立能耗均衡的非均匀节点部署模型并进行网络分簇。然后，设计路由协议，在簇首选举时引入节点动态剩余能量和节点担任簇首轮次的影响因素，在通信阶段采用TDMA机制和CDMA机制相结合的方式，在进行时间同步校准时严格保证簇内节点时间同步。最后，通过MATLAB进行仿真实验，从网络生命周期、网络吞吐量和节点平均时延3个方面将ECRPQ与LEACH、LEACH-C这2种经典协议进行对比。结果表明：当网络节点总数为200个时，ECRPQ的网络生命周期明显更长，达到600 s;ECRPQ的网络吞吐量更大，分别比LEACH和LEACH-C提高128.7%和84.6%;ECRPQ的节点平均时延更低，分别比LEACH和LEACH-C降低52.8%和43.2%。     

一种轨道交通新型无线传感器网络能量有效覆盖算法RTST的研究与仿真

能量有效覆盖问题是轨道交通无线传感器网络的一个重要研究方向,目的是找到一种节约能量、将网络使用寿命最大化的策略。本文提出一种基于节点的布朗圆盘模型和Voronoi图的几何算法,通过建立两棵传感器的树形结构来得到一个理想的无线传感器网络中被激活节点的拓扑结构,以延长网络的寿命。另外,我们采用了非均匀节点密度的抛撒方法,以达到最佳的能量和业务的匹配,尽量使整个网络各个节点能量能够同时耗尽。通过仿真对比,该算法相比传统的GPRS、GAF、Spin算法等,延长了传感器网络的使用寿命,提高了网络的整体性能。     

多跳超宽带无线传感器网络的能耗与网络容量分析

能量消耗、能量效率和网络容量是衡量传感器网络性能的重要指标。本文在分析基于超宽带技术的无线传感器网络节点能耗的基础上,对采用多跳通信方式的传感器节点进行建模与分析,并得出使得数据传输能耗最小的最优传感器节点间间距。最后本文针对超宽带技术提出了网络容量分析模型。仿真结果表明,在多跳通信方式下网络业务负载模式和传感器节点分布密度对传感器节点的能耗和能量效率都有着较大的影响且网络容量并非随着并行通信的传感器节点对数的增大而线性增大。     

WSN在高速列车运营环境监测中的应用框架研究

无线传感器网络(WSN)在高速列车运营环境监测中的应用尚处于起步阶段,介绍无线传感器网络在高速列车运营环境监测的应用,从统筹规划的角度构建应用框架以及不同场景的应用模型。通过研究基于无线传感器网络的高速列车运营环境监测理论与应用现状,分析列车运营环境监测的需求,搭建基于无线传感器网络的高速列车运营环境监测系统总体框架,并分别建立地面、车载、车地以及车站无线传感器网络架构。提出研究基于无线传感器网络的高速铁路运营环境监测系统关键问题,为进一步研究无线传感器网络在高速列车运营环境监测中的应用起到指导性的作用。     

城市轨道交通的无线传感器网络模型

在分析无线传感器网络的基础技术及基本功能的基础上,针对城市轨道交通工程的实际应用需求,构建了无线传感网络的具体模型.阐述了无线传感器网络在城市轨道交通中的具体应用,包括应用背景,需求分析,主要技术,网络模型,现状和前景等.无线传感器在城市轨道交通中的应用存在着大量待研究的新领域.     

铁路监测WSN网络的非均匀优化分簇算法

针对铁路沿线无线传感器网络(WSN)线性部署导致的"能量空洞"问题,提出一种节点非均匀优化分簇算法。在所需监测的铁路沿线等距部署WSN节点,以均衡簇头(CH)节点单位时间能耗为优化目标,对铁路直线轨道、弧线轨道监测区域内的簇成员节点进行非均匀分簇;建立CH节点能耗、CH节点数目和簇成员节点数目之间的函数关系,结合CH节点能耗波动、CH负载均衡度和CH能耗平衡度这3个性能指标,构建优化的WSN分簇部署模型;基于该模型,对比分析了本文算法、簇头固定的非均匀分簇算法、均匀分簇和组数据传输算法的性能。仿真数据表明:提出的节点优化部署模型和算法在降低及均衡CH节点能耗,延长CH节点寿命和提高网络通信效率方面性能较优。     

无线Mesh网络路由器节点业务量建模与性能分析

路由器节点承载WMNs(Wireless Mesh Networks)的主要业务,决定网络的整体性能,其业务性能建模与分析是当前研究的热点内容.本文基于802.11 OFDM物理层计算的分组平均服务时间,采用排队论分析WMN路由器节点业务性能的理论模型,给出节点业务性能的计算方法,通过理论分析与仿真验证模型的准确性,并给出使用归一化的模型参数的简化计算方法.分析表明,在相对稳定的网络环境中,路由器节点的性能与业务到达模型相关,需要采用不同的模型和方法分析VBR(Variable Bit Rate)和CBR(Constant Bit Rate)业务的性能;在动态的网络中,节点性能与业务到达过程无关,采用泊松到达可以准确地分析不同业务的性能.本文建模的基础是分组平均服务时间,使分析模型与实际的网络形态无关;基于归一化参数的算法也增大了模型的适应性,使其可以应用在网络规划设计、业务接入控制和分组调度等诸多方面.