面向铁路环境监测的无线传感器网络通信性能分析

doi:10.11959/j.issn.1000-0801.2019091

电信科学 ›› 2019, Vol. 35 ›› Issue (5): 70-77.doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2019091

面向铁路环境监测的无线传感器网络通信性能分析

陈瑞凤¹,倪明²,徐春婕¹,胡昊¹

¹ 中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京 100081
² 中国铁路哈尔滨局集团有限公司，黑龙江哈尔滨 150001

修回日期:2019-05-06 出版日期:2019-05-20 发布日期:2019-05-21
作者简介:陈瑞凤（1989- ），女，博士，中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所助理研究员，主要研究方向为高速铁路运行环境监测无线传感器网络、物联网等。|倪明（1984- ），男，中国铁路哈尔滨局集团有限公司高级工程师，主要研究方向为铁路旅客运输、铁路客运站车建设及信息化。|徐春婕（1976- ），女，博士，中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所副研究员，主要研究方向为高速铁路运行环境监测系统。|胡昊（1991- ），男，中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所工程师，主要研究方向为交通信息工程及控制-模式识别与智能系统。
基金资助:
中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2017X006-C);中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2017X001-H);中国工程院咨询研究项目(2018-ZD-05)

Communication performance analysis of wireless sensor network for railway environmental monitoring

Ruifeng CHEN¹,Ming NI²,Chunjie XU¹,Hao HU¹

¹ Institute of Computing Technology,China Academy of Railway Sciences Co.,Ltd.,Beijing 100081,China
² China Railway Harbin Group Co.,Ltd.,Harbin 150001,China

Revised:2019-05-06 Online:2019-05-20 Published:2019-05-21
Supported by:
China Railway Corporation Science and Technology Research and Development Project(2017X006-C);China Railway Corporation Science and Technology Research and Development Project(2017X001-H);China Engineering Academy Consulting Research Project(2018-ZD-05)

摘要/Abstract

摘要：

部署在铁路沿线的无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）用于铁路运行环境监测中，为延长WSN的寿命周期，有必要引入节点休眠机制。因此，首先采用随机过程理论建立了基于节点休眠机制的铁路沿线WSN通信性能分析模型，揭示了铁路沿线不同系统因素对WSN接收性能的影响机理，并得到了最优工作节点比例与其他系统参数之间的关系，搭建仿真平台分别模拟铁路沿线较为安全区域和灾害高发区域的WSN接收性能，最后通过实际案例论证了基于休眠机制的部署方案，可以为铁路沿线WSN的实际部署提供理论指导。

关键词: 铁路环境监测, 无线传感器网络, 通信性能, 节点休眠机制, 最优工作节点比例

Abstract:

Wireless sensor network (WSN) deployed along the railway can be commonly applied to environmental monitoring.In order to lengthen the lifetime of WSN,it is essential to introduce the node sleeping mechanism.Therefore,firstly the stochastic process theory was adopted and an analytical framework was proposed to study the communication performance of WSN in railway scenarios based on the node sleeping mechanism.Furthermore,the impacts of different system factors on the reception performance of WSN were analyzed under railway scenarios,and then the relation between the optimal ratio of active nodes and other system factors could be obtained.A simulation platform was established to verify the reception performance of WSN in safety areas and hazards-prone sections respectively.Finally,practical case was presented to verify the deployment scheme based on node sleeping mechanism.The analytical results could provide the guidelines for practical deployment of WSN under railway scenarios.

Key words: railway environmental monitoring, wireless sensor network, communication performance, node dormancy mechanism, optimal ratio of active node

中图分类号:

U268.6

陈瑞凤,倪明,徐春婕,胡昊. 面向铁路环境监测的无线传感器网络通信性能分析[J]. 电信科学, 2019, 35(5): 70-77.

Ruifeng CHEN,Ming NI,Chunjie XU,Hao HU. Communication performance analysis of wireless sensor network for railway environmental monitoring[J]. Telecommunications Science, 2019, 35(5): 70-77.

图/表 9

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

表1

铁路沿线WSN的实际部署方案"

	工作节点	$p_{a}^{*}$	网络能耗	寿命周期	节点部署特性
基于休眠机制	55个	$\frac{11}{14}$	较低	较长	部署灵活，只需部分节点工作
未考虑休眠机制	70个	1	较高	略短	所有节点都工作，损耗较大

表1

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面向铁路环境监测的无线传感器网络通信性能分析

Communication performance analysis of wireless sensor network for railway environmental monitoring

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