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原文传递高速列车运行环境监测无线传感器网络路由协议研究

论文题名：	高速列车运行环境监测无线传感器网络路由协议研究
关键词：	高速列车;运行环境;监测节点部署;无线传感器网络;路由协议
摘要：	随着高速铁路网的迅速发展，列车运行里程不断增加，运行时速不断提高，对高速列车在复杂环境下的安全运行提出了更高要求。目前，我国大部分列车线路位于山川和高原等偏远地区，而且运行环境监测目标种类繁多、需求量大，使用现有的传统有线监测网络对高速列车运行环境监测时，会存在网络建设成本高、网络节点部署复杂、后期维护难度大等问题。无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）技术的成熟发展和广泛应用将为铁路环境监测提供更加可靠高效的技术支撑。WSN具有低功耗、鲁棒性强、自组织性、可扩展性等特点，可以实现对铁路沿线目标区域进行大范围部署，能够保证数据采集的广度和精度，降低监测网络建设成本，降低网络部署和后期维护的难度，能有效满足高速铁路沿线重点区域和偏远地区大规模部署和长期在线监测的需求。　　本文以高速列车交通环境监测为应用目标，研究了部署在铁路环境中的无线传感器网络，基于WSN基础知识和节点拓扑理论，针对线型WSN特殊的“能量空洞”现象，设计了一种能耗均衡的非均匀部署策略，并在此基础上提出了一种适用于铁路沿线线型WSN路由协议。通过与已有的铁路环境下WSN节点部署策略和路由协议进行比较，在网络生命周期，网络节点时延和网络能耗均衡等方面都有较好优势。　　论文主要研究内容如下：　　（1）分析了高速列车运行环境监测的现状及其业务需求，针对铁路环境的特点，建立相应的WSN节点非均匀部署模型。该网络不仅要满足监测区域完全覆盖的标准，而且还必须满足结构简单和鲁棒性高的标准。　　（2）通过深入研究WSN拓扑结构，针对铁路沿线线型WSN的“能量空洞”现象，提出一种能耗均衡的非均匀部署优化策略，采用等腰三角形分区覆盖部署方式，根据网络规模和能量消耗模型计算出分簇距离和簇内节点密度，对网络均匀分区并部署不同密度的传感器节点，同时对节点设置休眠/唤醒机制，达到能耗均衡的目的。　　（3）提出一种铁路沿线线型WSN高效路由协议，该路由协议是以能耗均衡的非均匀部署优化策略为基础。在簇首选举阶段对LEACH路由协议的簇首选举算法进行了改进，通信阶段采用时分多址机制和码分多址机制相结合的方式，较好地解决了通信低时延和信道冲突干扰问题，并对簇内节点进行时间同步，保证了无线传感器网络的服务质量。　　（4）使用MATLAB对本文所提出节点部署优化策略和高效路由协议进行实验仿真。仿真结果表明，本文所提出的节点部署优化策略相比于其他部署策略，有更高的网络能量利用率，可以有效延长网络生命周期并具有良好扩展性。本文所提出的高效路由协议相比于其他两种协议，在网络生命周期方面分别延长了50%和38.5%，在网络吞吐量方面分别提高了128.7%和84.6%，在数据传输时延方面分别降低了52.8%和43.2%。
作者：	王建明
专业：	检测技术与自动化装置
导师：	孟建军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022