铁路无线传感器网络部署方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种铁路无线传感器网络部署方法及装置，在开展无线传感器网络部署时能够既充分考虑铁路沿线的无线电波传播特性，又结合节点休眠机制，从而能够有效优化铁路沿线无线传感器网络的通信性能。该方法包括：S1、根据成功接收概率p

【技术实现步骤摘要】
铁路无线传感器网络部署方法及装置
本专利技术涉及铁路无线通信领域，具体涉及一种铁路无线传感器网络部署方法及装置。
技术介绍
面向铁路环境监测的无线传感器网络是由部署在铁路沿线的若干传感器节点组成的分布式无线通信网络，可以实时感知和监测高速铁路沿线的环境信息，并通过无线通信的方式，将采集到的环境信息通过多跳通信方式传输到汇聚节点，再由汇聚节点进一步传输到车载监测系统和地面监控中心，实时、有效地监测铁路沿线的自然灾害信息(例如泥石流、山体滑坡等)，全面系统地保障列车安全运营。在铁路复杂环境下，无线传感器网络通信性能的分析和评估是网络实施部署的基础。通过分析不同铁路系统因素对通信性能的具体影响，有助于根据网络的通信需求合理设置系统参数，为无线传感器网络在铁路沿线的部署提供理论指导。在既有无线传感器网络的性能分析工作中，多数都基于较为简单的大尺度衰落与对数正态阴影衰落模型展开研究，而由多径传输导致的小尺度衰落特性通常容易被忽略。在铁路沿线的复杂传播环境下，无线信号的多径传播通常导致信道呈现剧烈的小尺度衰落，接收信号包络出现快速剧烈的波动，这将严重影响无线传感器网络的接收性能。专利技术人在实施本专利技术的过程中发现，为了准确分析铁路沿线无线传感器网络的通信性能，在信道建模工作中，需要建立准确合理的无线信道模型来刻画信道的小尺度衰落特性。此外，节点工作状态对铁路沿线的无线传感器网络性能也具有重要的影响。为提高无线传感器网络的寿命周期与能耗有效性，有必要在网络工作模式中引入休眠机制，这意味着网络中的一部分节点会在空闲时段处于休眠状态。当特定事件发生时，休眠节点将被唤醒，从而进入工作状态。直观而言，如果无线传感器网络中存在很大比例的休眠节点，那么网络整体的通信性能将显著降低。这表明了无线传感器网络中的工作节点比例越高，网络通信性能更佳，但是当网络中存在大量工作节点时，如果其中一部分工作节点同时进行广播数据传输，它们将可能作为“隐藏终端”节点对接收端信号带来干扰，反而降低了系统的接收性能。综上所述，目前缺乏一种既充分考虑铁路沿线的无线电波传播特性，又结合节点休眠机制开展的无线传感器网络部署方法。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足和缺陷，本专利技术提供一种铁路无线传感器网络部署方法及装置。一方面，本专利技术实施例提出一种铁路无线传感器网络部署方法，包括：S1、根据成功接收概率pc与工作节点比例pa的关系式确定出工作节点比例pa，其中，所述关系式为λ为位于铁路沿线的无线传感器网络节点的节点分布参数，pt为任意一个节点在某一时隙进行数据传输的平均概率，ωs为主信号的平均接收功率，θ为信干噪比的接收阈值，ω为每个干扰信号的平均接收功率，N0为铁路场景下无线信道的噪声功率；S2、根据所述工作节点比例pa对铁路无线传感器网络节点进行休眠机制的参数设置。可选地，所述S1，包括：根据成功接收概率pc与工作节点比例pa的关系式确定出最优工作节点比例其中，所述关系式为当上式中表示平均信干比可选地，所述根据成功接收概率pc与工作节点比例pa的关系式确定出最优工作节点比例包括：根据工作节点比例与成功接收概率之间的数值关系，基于最优化理论，得到使得铁路无线传感器网络接收性能达到最佳的最优工作节点比例的闭合表达式；根据对数函数的极限性质，得到当平均信干比较小时的最优工作节点比例的近似表达；根据所述近似表达确定出所述最优工作节点比例可选地，在所述S1之前，还包括：S3、基于随机过程建立基于节点休眠机制的铁路沿线无线传感器网络模型；S4、基于Rayleigh小尺度衰落信道和所述铁路沿线无线传感器网络模型推导出无线传感器成功接收性能的闭合表达式；S5、基于优化理论和所述闭合表达式得到铁路无线传感器网络最优工作节点比例的闭合表达式。可选地，所述S3，包括：建立基于无线传感器网络的铁路环境监测系统架构，基于所述铁路环境监测系统架构建立铁路沿线无线传感器网络的多跳传输模型；根据铁路沿线无线传感器节点休眠机制和节点状态分布特性，基于随机过程理论和所述多跳传输模型建立铁路沿线无线传感器的干扰源随机分布模型。可选地，所述S4，包括：采用Rayleigh分布描述铁路沿线环境中存在大量反、散射多径分量时无线信道的小尺度衰落特性，得到主信号功率的随机分布特性和总干扰信号功率的随机分布特性；选取信干噪比作为判决接收端是否成功接收信息的度量，并根据所述干扰源随机分布模型、所述主信号功率的随机分布特性和总干扰信号功率的随机分布特性推导得到铁路沿线无线传感器网络的成功接收概率的闭合表达式。另一方面，本专利技术实施例提出一种铁路无线传感器网络部署装置，包括：计算单元，用于根据成功接收概率pc与工作节点比例pa的关系式确定出工作节点比例pa，其中，所述关系式为λ为位于铁路沿线的无线传感器网络节点的节点分布参数，pt为任意一个节点在某一时隙进行数据传输的平均概率，ωs为主信号的平均接收功率，θ为信干噪比的接收阈值，ω为每个干扰信号的平均接收功率，N0为铁路场景下无线信道的噪声功率；设置单元，用于根据所述工作节点比例pa对铁路无线传感器网络节点进行休眠机制的参数设置。可选地，所述计算单元，具体用于：根据成功接收概率pc与工作节点比例pa的关系式确定出最优工作节点比例其中，所述关系式为当上式中表示平均信干比可选地，所述计算单元，包括：第一表达式确定子单元，用于根据工作节点比例与成功接收概率之间的数值关系，基于最优化理论，得到使得铁路无线传感器网络接收性能达到最佳的最优工作节点比例的闭合表达式；第二表达式确定子单元，用于根据对数函数的极限性质，得到当平均信干比较小时的最优工作节点比例的近似表达；计算子单元，用于根据所述近似表达确定出所述最优工作节点比例可选地，所述装置还包括：建立单元，用于在所述计算单元工作之前，基于随机过程建立基于节点休眠机制的铁路沿线无线传感器网络模型；推导单元，用于基于Rayleigh小尺度衰落信道和所述铁路沿线无线传感器网络模型推导出无线传感器成功接收性能的闭合表达式；确定单元，用于基于优化理论和所述闭合表达式得到铁路无线传感器网络最优工作节点比例的闭合表达式。本专利技术具有如下有益效果：首先基于随机过程理论建立了基于节点休眠机制的铁路沿线无线传感器网络模型，剥离出铁路沿线干扰源的随机分布特性；其次基于Rayleigh小尺度衰落信道推导出无线传感器成功接收性能的闭合表达式，揭示了铁路沿线的不同系统因素对网络性能的影响机理；最后基于优化理论得到了铁路无线传感器网络最优工作节点比例的闭合表达式，根据最优工作节点比例的闭合表达式确定出最优工作节点比例，根据最优工作节点比例对铁路无线传感器网络节点进行休眠机制的参数设置。本专利技术所提出的分析方法与现有分析模型基于简单的无线信道假设和通信机制不同，本方法充分考虑了铁路沿线复杂环境由于多径传输导致的小尺度衰落特性，在建模中融入了铁路沿线无线传感器的节点休眠机制，提升了铁路沿线无线传感器网络性能建模和分析的准确性。因本专利技术充分考虑了铁路沿线复杂环境的无线电波传播特性和无线传感器网络的通信机制，从而可以使铁路无线传感器网络的部署得到最大优化。附图说明图1为本专利技术铁路无线传感器网络部署方法一实施例的流程示意图；图2为本专利技术基于无线传感器网络的铁路环境本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁路无线传感器网络部署方法，其特征在于，包括：S1、根据成功接收概率p

【技术特征摘要】
1.一种铁路无线传感器网络部署方法，其特征在于，包括：S1、根据成功接收概率pc与工作节点比例pa的关系式确定出工作节点比例pa，其中，所述关系式为λ为位于铁路沿线的无线传感器网络节点的节点分布参数，pt为任意一个节点在某一时隙进行数据传输的平均概率，ωs为主信号的平均接收功率，θ为信干噪比的接收阈值，ω为每个干扰信号的平均接收功率，N0为铁路场景下无线信道的噪声功率；S2、根据所述工作节点比例pa对铁路无线传感器网络节点进行休眠机制的参数设置。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1，包括：根据成功接收概率pc与工作节点比例pa的关系式确定出最优工作节点比例其中，所述关系式为当上式中表示平均信干比3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据成功接收概率pc与工作节点比例pa的关系式确定出最优工作节点比例包括：根据工作节点比例与成功接收概率之间的数值关系，基于最优化理论，得到使得铁路无线传感器网络接收性能达到最佳的最优工作节点比例的闭合表达式；根据对数函数的极限性质，得到当平均信干比较小时的最优工作节点比例的近似表达；根据所述近似表达确定出所述最优工作节点比例4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述S1之前，还包括：S3、基于随机过程建立基于节点休眠机制的铁路沿线无线传感器网络模型；S4、基于Rayleigh小尺度衰落信道和所述铁路沿线无线传感器网络模型推导出无线传感器成功接收性能的闭合表达式；S5、基于优化理论和所述闭合表达式得到铁路无线传感器网络最优工作节点比例的闭合表达式。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S3，包括：建立基于无线传感器网络的铁路环境监测系统架构，基于所述铁路环境监测系统架构建立铁路沿线无线传感器网络的多跳传输模型；根据铁路沿线无线传感器节点休眠机制和节点状态分布特性，基于随机过程理论和所述多跳传输模型建立铁路沿线无线传感器的干扰源随机分布模型。6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S4，包括：采用Rayleigh分布描述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈瑞凤，史天运，吕晓军，姜利，陈咏梅，王小书，端嘉盈，王忠英，白伟，李君，周栋，韩宗源，李健，李建玉，
申请(专利权)人：中国铁道科学研究院电子计算技术研究所，北京经纬信息技术公司，中国铁道科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11