铁路设施安全监控无线传感器网络拓扑与路由研究

论文摘要

高速铁路的发展对列车行车环境安全要求日益提高,引入无线传感器网络可实现对铁路重点基础设施安全状况的实时监控,为提高铁路设施安全监控无线传感器网络中节点能量利用效率,并延长网络生存时间,本文对其中与能量相关的拓扑控制和路由协议进行了研究。为了使网络节点能量均衡消耗而延长网络生存时间,提出以能量均衡为导向的协同分簇算法。通过对节点剩余能量、节点度水平、与汇聚节点的距离值的归一化,协同地计算出节点信任度值来竞选簇头节点,簇头轮换机制将簇头负载均匀的分散到合适的节点上；而簇头节点合适的节点度和与汇聚节点的适当距离,降低了簇内节点通信代价和簇头与汇聚节点通信的能耗。达到降低与均衡网络能耗,延长网络生存时间的目的。为了提高数据转发效率和网络能量利用效率,提出一种基于同心圆路由树的路由协议。簇头节点通过距离预测使其能以最优功率与汇聚节点通信。簇头对簇内节点进行路由层级划分,通过内层节点为外层转发数据的路由规则形成以簇头节点为树根的同心圆路由树,增强数据发往簇头的导向,加快转发效率；同时簇内节点通过功率控制保证网络连通性和多路径路由,使数据在簇内进行短距离多跳传输；另外节点根据自身剩余能量多少判定是否转发其它节点数据,避免低能量节点过快死亡。实现了降低网络能耗,提高能量利用效率和延长网络寿命的目的。最后,利用OPNET仿真工具对网络中节点能量利用效率、能耗均衡性、网络生存时间进行仿真分析,验证拓扑算法与路由协议在铁路基础设施安全监控无线传感网络中的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文主要内容
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 WSN-R及拓扑与路由技术研究
• 2.1 WSN-R系统及其能耗特点分析
• 2.1.1 系统应用背景描述
• 2.1.2 WSN-R系统特点分析
• 2.1.3 WSN-R网络能耗特点
• 2.2 WSN-R拓扑控制技术研究
• 2.2.1 WSN-R拓扑控制作用与意义
• 2.2.2 拓扑控制技术分析
• 2.2.3 WSN-R拓扑控制需求
• 2.3 WSN-R路由选择方案研究
• 2.3.1 能耗均衡路由选择机制分析
• 2.3.2 路由选择方案的问题和需求
• 2.4 WSN-R拓扑与路由设计思路
• 2.5 本章小结
• 第三章 WSN-R中以能量均衡为导向的协同分簇算法
• 3.1 网络模型与能量均衡分簇算法要素
• 3.1.1 网络模型假设
• 3.1.2 能量均衡分簇算法三要素
• 3.2 以能量均衡为导向的协同分簇实现方案
• 3.2.1 基于邻居信息表的簇内信息交互
• 3.2.2 基于信任度值的簇头选择方案
• 3.2.3 位置比较的簇成员归属选择
• 3.3 算法仿真和性能分析
• 3.3.1 仿真场景与性能评判标准
• 3.3.2 三要素权值p的确定
• 3.3.3 仿真结果分析与比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 WSN-R基于同心圆路由树的路由选择协议
• 4.1 WSN-R路由选择问题描述
• 4.1.1 WSN-R路由选择特点
• 4.1.2 WSN-R中多跳路由依据
• 4.2 用于路由选择的节点功率控制
• 4.2.1 簇头节点动态功率控制
• 4.2.2 保证最优节点度的普通节点功率控制
• 4.3 基于同心圆路由树的路由选择协议实现方案
• 4.3.1 基于距离的同心圆路由层级划分与路由规则
• 4.3.2 功率控制下的能耗均衡中继选择
• 4.3.3 路由回复判据与路由树的形成
• 4.4 算法仿真和性能分析
• 4.4.1 仿真参数与性能评价指标
• 4.4.2 仿真结果分析与比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录1 图索引
• 附录2 表索引
• 致谢
• 攻读学位期间主要的论文情况和科研情况