本發(fā)明涉及鐵路無線通信領(lǐng)域，具體涉及一種鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法及裝置。

背景技術(shù)：

面向鐵路環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在鐵路沿線的若干傳感器節(jié)點組成的分布式無線通信網(wǎng)絡(luò)，可以實時感知和監(jiān)測高速鐵路沿線的環(huán)境信息，并通過無線通信的方式，將采集到的環(huán)境信息通過多跳通信方式傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點進(jìn)一步傳輸?shù)杰囕d監(jiān)測系統(tǒng)和地面監(jiān)控中心，實時、有效地監(jiān)測鐵路沿線的自然災(zāi)害信息(例如泥石流、山體滑坡等)，全面系統(tǒng)地保障列車安全運營。

在鐵路復(fù)雜環(huán)境下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信性能的分析和評估是網(wǎng)絡(luò)實施部署的基礎(chǔ)。通過分析不同鐵路系統(tǒng)因素對通信性能的具體影響，有助于根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的通信需求合理設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在鐵路沿線的部署提供理論指導(dǎo)。

在既有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能分析工作中，多數(shù)都基于較為簡單的大尺度衰落與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型展開研究，而由多徑傳輸導(dǎo)致的小尺度衰落特性通常容易被忽略。在鐵路沿線的復(fù)雜傳播環(huán)境下，無線信號的多徑傳播通常導(dǎo)致信道呈現(xiàn)劇烈的小尺度衰落，接收信號包絡(luò)出現(xiàn)快速劇烈的波動，這將嚴(yán)重影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的接收性能。

發(fā)明人在實施本發(fā)明的過程中發(fā)現(xiàn)，為了準(zhǔn)確分析鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信性能，在信道建模工作中，需要建立準(zhǔn)確合理的無線信道模型來刻畫信道的小尺度衰落特性。

此外，節(jié)點工作狀態(tài)對鐵路沿線的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能也具有重要的影響。為提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命周期與能耗有效性，有必要在網(wǎng)絡(luò)工作模式中引入休眠機制，這意味著網(wǎng)絡(luò)中的一部分節(jié)點會在空閑時段處于休眠狀態(tài)。當(dāng)特定事件發(fā)生時，休眠節(jié)點將被喚醒，從而進(jìn)入工作狀態(tài)。直觀而言，如果無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在很大比例的休眠節(jié)點，那么網(wǎng)絡(luò)整體的通信性能將顯著降低。這表明了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的工作節(jié)點比例越高，網(wǎng)絡(luò)通信性能更佳，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在大量工作節(jié)點時，如果其中一部分工作節(jié)點同時進(jìn)行廣播數(shù)據(jù)傳輸，它們將可能作為“隱藏終端”節(jié)點對接收端信號帶來干擾，反而降低了系統(tǒng)的接收性能。

綜上所述，目前缺乏一種既充分考慮鐵路沿線的無線電波傳播特性，又結(jié)合節(jié)點休眠機制開展的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足和缺陷，本發(fā)明提供一種鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法及裝置。

一方面，本發(fā)明實施例提出一種鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法，包括：

S1、根據(jù)成功接收概率p_c與工作節(jié)點比例p_a的關(guān)系式確定出工作節(jié)點比例p_a，其中，所述關(guān)系式為λ為位于鐵路沿線的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的節(jié)點分布參數(shù)，p_t為任意一個節(jié)點在某一時隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄怕?，?sub>s為主信號的平均接收功率，θ為信干噪比的接收閾值，ω為每個干擾信號的平均接收功率，N₀為鐵路場景下無線信道的噪聲功率；

S2、根據(jù)所述工作節(jié)點比例p_a對鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行休眠機制的參數(shù)設(shè)置。

可選地，所述S1，包括：

根據(jù)成功接收概率p_c與工作節(jié)點比例p_a的關(guān)系式確定出最優(yōu)工作節(jié)點比例其中，所述關(guān)系式為

當(dāng)

上式中表示平均信干比

可選地，所述根據(jù)成功接收概率p_c與工作節(jié)點比例p_a的關(guān)系式確定出最優(yōu)工作節(jié)點比例包括：

根據(jù)工作節(jié)點比例與成功接收概率之間的數(shù)值關(guān)系，基于最優(yōu)化理論，得到使得鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收性能達(dá)到最佳的最優(yōu)工作節(jié)點比例的閉合表達(dá)式；

根據(jù)對數(shù)函數(shù)的極限性質(zhì)，得到當(dāng)平均信干比較小時的最優(yōu)工作節(jié)點比例的近似表達(dá)；

根據(jù)所述近似表達(dá)確定出所述最優(yōu)工作節(jié)點比例

可選地，在所述S1之前，還包括：

S3、基于隨機過程建立基于節(jié)點休眠機制的鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型；

S4、基于Rayleigh小尺度衰落信道和所述鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型推導(dǎo)出無線傳感器成功接收性能的閉合表達(dá)式；

S5、基于優(yōu)化理論和所述閉合表達(dá)式得到鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)工作節(jié)點比例的閉合表達(dá)式。

可選地，所述S3，包括：

建立基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鐵路環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，基于所述鐵路環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)建立鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多跳傳輸模型；

根據(jù)鐵路沿線無線傳感器節(jié)點休眠機制和節(jié)點狀態(tài)分布特性，基于隨機過程理論和所述多跳傳輸模型建立鐵路沿線無線傳感器的干擾源隨機分布模型。

可選地，所述S4，包括：

采用Rayleigh分布描述鐵路沿線環(huán)境中存在大量反、散射多徑分量時無線信道的小尺度衰落特性，得到主信號功率的隨機分布特性和總干擾信號功率的隨機分布特性；

選取信干噪比作為判決接收端是否成功接收信息的度量，并根據(jù)所述干擾源隨機分布模型、所述主信號功率的隨機分布特性和總干擾信號功率的隨機分布特性推導(dǎo)得到鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成功接收概率的閉合表達(dá)式。

另一方面，本發(fā)明實施例提出一種鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署裝置，包括：

計算單元，用于根據(jù)成功接收概率p_c與工作節(jié)點比例p_a的關(guān)系式確定出工作節(jié)點比例p_a，其中，所述關(guān)系式為λ為位于鐵路沿線的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的節(jié)點分布參數(shù)，p_t為任意一個節(jié)點在某一時隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄怕剩?sub>s為主信號的平均接收功率，θ為信干噪比的接收閾值，ω為每個干擾信號的平均接收功率，N₀為鐵路場景下無線信道的噪聲功率；

設(shè)置單元，用于根據(jù)所述工作節(jié)點比例p_a對鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行休眠機制的參數(shù)設(shè)置。

可選地，所述計算單元，具體用于：

根據(jù)成功接收概率p_c與工作節(jié)點比例p_a的關(guān)系式確定出最優(yōu)工作節(jié)點比例其中，所述關(guān)系式為

當(dāng)

上式中表示平均信干比

可選地，所述計算單元，包括：

第一表達(dá)式確定子單元，用于根據(jù)工作節(jié)點比例與成功接收概率之間的數(shù)值關(guān)系，基于最優(yōu)化理論，得到使得鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收性能達(dá)到最佳的最優(yōu)工作節(jié)點比例的閉合表達(dá)式；

第二表達(dá)式確定子單元，用于根據(jù)對數(shù)函數(shù)的極限性質(zhì)，得到當(dāng)平均信干比較小時的最優(yōu)工作節(jié)點比例的近似表達(dá)；

計算子單元，用于根據(jù)所述近似表達(dá)確定出所述最優(yōu)工作節(jié)點比例

可選地，所述裝置還包括：

建立單元，用于在所述計算單元工作之前，基于隨機過程建立基于節(jié)點休眠機制的鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型；

推導(dǎo)單元，用于基于Rayleigh小尺度衰落信道和所述鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型推導(dǎo)出無線傳感器成功接收性能的閉合表達(dá)式；

確定單元，用于基于優(yōu)化理論和所述閉合表達(dá)式得到鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)工作節(jié)點比例的閉合表達(dá)式。

本發(fā)明具有如下有益效果：

首先基于隨機過程理論建立了基于節(jié)點休眠機制的鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，剝離出鐵路沿線干擾源的隨機分布特性；其次基于Rayleigh小尺度衰落信道推導(dǎo)出無線傳感器成功接收性能的閉合表達(dá)式，揭示了鐵路沿線的不同系統(tǒng)因素對網(wǎng)絡(luò)性能的影響機理；最后基于優(yōu)化理論得到了鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)工作節(jié)點比例的閉合表達(dá)式，根據(jù)最優(yōu)工作節(jié)點比例的閉合表達(dá)式確定出最優(yōu)工作節(jié)點比例，根據(jù)最優(yōu)工作節(jié)點比例對鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行休眠機制的參數(shù)設(shè)置。本發(fā)明所提出的分析方法與現(xiàn)有分析模型基于簡單的無線信道假設(shè)和通信機制不同，本方法充分考慮了鐵路沿線復(fù)雜環(huán)境由于多徑傳輸導(dǎo)致的小尺度衰落特性，在建模中融入了鐵路沿線無線傳感器的節(jié)點休眠機制，提升了鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能建模和分析的準(zhǔn)確性。因本發(fā)明充分考慮了鐵路沿線復(fù)雜環(huán)境的無線電波傳播特性和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信機制，從而可以使鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署得到最大優(yōu)化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法一實施例的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鐵路環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意圖；

圖3為鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸示意圖；

圖4(a)為鐵路網(wǎng)絡(luò)中無線傳感器節(jié)點的分類關(guān)系示意圖；

圖4(b)為在鐵路沿線場景下，無線傳感器節(jié)點狀態(tài)分布的示意圖；

圖5為在Rayleigh衰落信道下，鐵路沿線較安全區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成功接收概率隨干擾功率的變化趨勢示意圖；

圖6為針對鐵路沿線災(zāi)害高發(fā)區(qū)域，當(dāng)干擾功率確定時(ω＝0.04)，鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成功接收概率隨節(jié)點分布參數(shù)的變化趨勢示意圖；

圖7為在鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平均信干比已知的情況下(當(dāng)ω_s＝1，ω＝0.04時)，基于Rayleigh信道模型的最優(yōu)工作節(jié)點比例隨著節(jié)點數(shù)目分布參數(shù)λ和平均傳輸概率p_t等系統(tǒng)參數(shù)的變化趨勢示意圖；

圖8為本發(fā)明鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署裝置一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

參看圖1，本實施例公開一種鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法，包括：

S1、根據(jù)成功接收概率p_c與工作節(jié)點比例p_a的關(guān)系式確定出工作節(jié)點比例p_a，其中，所述關(guān)系式為λ為位于鐵路沿線的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的節(jié)點分布參數(shù)，p_t為任意一個節(jié)點在某一時隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄怕?，?sub>s為主信號的平均接收功率，θ為信干噪比的接收閾值，ω為每個干擾信號的平均接收功率，N₀為鐵路場景下無線信道的噪聲功率；

S2、根據(jù)所述工作節(jié)點比例p_a對鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行休眠機制的參數(shù)設(shè)置。

下面對本發(fā)明實施例中成功接收概率p_c與工作節(jié)點比例p_a的關(guān)系式的分析確定過程進(jìn)行詳細(xì)說明，具體內(nèi)容如下：

(1)建立基于節(jié)點休眠機制的鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其動態(tài)組網(wǎng)、免布線、成本低的特點，可以廣泛應(yīng)用于鐵路沿線環(huán)境監(jiān)測中。圖2給出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鐵路環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意圖，多種傳感器可以實時采集鐵路沿線的環(huán)境數(shù)據(jù)，并無線傳輸?shù)絽R聚處理層，進(jìn)一步傳輸?shù)杰囕d監(jiān)測系統(tǒng)和地面監(jiān)控中心，實時有效地監(jiān)測鐵路沿線的自然災(zāi)害信息。

圖3給出了鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸示意圖，部署在鐵路沿線的無線傳感器節(jié)點可以實時感知和采集環(huán)境信息，并通過無線通信的方式，將采集到的環(huán)境信息通過多跳通信方式傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點進(jìn)一步傳輸?shù)杰囕d監(jiān)測系統(tǒng)和地面監(jiān)控中心。

在鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通信節(jié)點基于無線共享信道通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)方式實現(xiàn)消息的傳輸。在某一觀測時刻，網(wǎng)絡(luò)中的任意一個無線傳感器節(jié)點都會以一定的概率處于休眠模式以減小功耗、提升使用壽命，因此這部分節(jié)點定義為“休眠節(jié)點”；另一部分處于工作狀態(tài)的節(jié)點稱為“工作節(jié)點”，工作節(jié)點既可以直接完成數(shù)據(jù)傳輸，也可以作為中繼節(jié)點進(jìn)行消息的轉(zhuǎn)發(fā)，協(xié)助其相鄰節(jié)點完成數(shù)據(jù)傳輸。

圖4(a)直觀顯示了鐵路網(wǎng)絡(luò)中無線傳感器節(jié)點的分類關(guān)系，根據(jù)節(jié)點狀態(tài)的不同，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點可以相應(yīng)分為“工作節(jié)點”與“休眠節(jié)點”兩大類。其中，如果一部分工作節(jié)點在觀測時刻同時進(jìn)行廣播數(shù)據(jù)傳輸，那么它們將可能成為“隱藏終端”，對接收端引入干擾信號。因此，這部分工作節(jié)點也會成為干擾源，在鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能分析中需要重點考慮。

圖4(b)描述了在鐵路沿線場景下，無線傳感器節(jié)點狀態(tài)分布的示意圖。深色節(jié)點表示休眠節(jié)點，淺色節(jié)點代表工作節(jié)點，帶有天線的淺色節(jié)點則表示在觀測時刻進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)蔫F路沿線工作節(jié)點(除發(fā)射端和接收端外，其余帶有天線的淺色節(jié)點表示干擾源)。在觀測時刻，發(fā)射端和接收端之間正在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而位于接收端附近的其他若干工作節(jié)點也同時協(xié)助各自的鄰居節(jié)點進(jìn)行消息的轉(zhuǎn)發(fā)，它們可能作為“隱藏終端”對接收端帶來較強的干擾，因此可以將這部分工作節(jié)點視為干擾源。本發(fā)明將重點研究這些干擾源對鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)性能的影響。

首先，假設(shè)位于鐵路沿線的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布服從強度為λ的均勻Poisson過程，即網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)目服從參數(shù)為λ的Poisson分布。在觀測時刻，網(wǎng)絡(luò)中的任意一個無線傳感器節(jié)點都以特定概率p_a處于工作狀態(tài)，因此，工作節(jié)點比例可以記作p_a。令p_t表示任意一個節(jié)點在某一時隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄怕?，其取值由底層通信協(xié)議所規(guī)定。如圖4(b)所示，在觀測時刻同時進(jìn)行通信的一部分工作節(jié)點將可能作為主要干擾源對接收端帶來較強的干擾，根據(jù)隨機過程理論，干擾源數(shù)目服從參數(shù)為的Poisson分布。干擾源數(shù)目記作N_I，其概率質(zhì)量函數(shù)(Probability Mass Function，PMF)可以表示為

其中，exp(·)表示負(fù)指數(shù)函數(shù)。

假設(shè)在鐵路沿線的觀測區(qū)域內(nèi)存在K個同時進(jìn)行廣播數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_源，這K個獨立的干擾源分別在接收端產(chǎn)生的干擾信號功率為即{I₁,I₂,…,I_K}，因此，干擾源在接收端所產(chǎn)生的總干擾功率I可以表示為

(2)建立鐵路沿線復(fù)雜環(huán)境的小尺度衰落信道模型

Rayleigh分布是一種常見的無線信道模型，通常用于描述當(dāng)環(huán)境中存在大量反、散射多徑分量時無線信道的小尺度衰落特性。本發(fā)明采用Rayleigh分布作為鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的衰落信道模型，將重點研究基于Rayleigh信道模型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信性能，這一假設(shè)符合鐵路構(gòu)建安全苛求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需求。基于Rayleigh信道模型，接收到的信號包絡(luò)服從Rayleigh分布，因此，在Rayleigh衰落信道下，接收端所接收到的主信號包絡(luò)S的概率密度函數(shù)(Probability Distributed Function，PDF)可以表示為

其中，ω_s表示主信號的平均接收功率。

根據(jù)公式(3)，可以得到接收端所接收到的主信號功率P服從指數(shù)分布，因此隨機變量P的PDF函數(shù)可以表示為

進(jìn)而可以得到P的互補累積分布函數(shù)(Complementary Cumulative Distributed Function，CCDF)，表示為

在Rayleigh信道下，接收端所接收到的每個干擾信號包絡(luò)都服從Rayleigh分布，當(dāng)鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在K個獨立的干擾源時，接收端將接收到K個獨立同分布的干擾信號。根據(jù)Rayleigh分布特性以及公式(4)，接收到的干擾信號功率獨立同分布，且服從指數(shù)分布。對于任意第j個干擾信號，其中j＝1,2,···,K，干擾信號功率I_j都服從參數(shù)為ω的指數(shù)分布。

根據(jù)指數(shù)分布與Gamma分布的特性，當(dāng)接收端接收到K個獨立同分布的干擾信號、且每個干擾信號的功率都服從參數(shù)為ω的指數(shù)分布，則總干擾功率I是一個隨機變量，且服從參數(shù)為K與ω的Gamma分布，因此隨機變量I的PDF函數(shù)可以表示為

其中，Γ(·)表示Gamma函數(shù)，具體定義為

值得注意的是，當(dāng)K是整數(shù)時，Gamma函數(shù)可以計算為

Γ(K)＝(K-1)！ (8)(3)建立鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收性能分析模型

本發(fā)明將選取信干噪比Υ(Signal-to-Interference-and-Noise Ratio，SINR)作為判決接收端是否成功接收信息的度量，假設(shè)鐵路場景下無線信道的噪聲功率為N₀，那么可以得到接收到的信干噪比Υ為

本發(fā)明定義信干噪比的接收閾值為θ，如果在接收端所接收到的信干噪比Υ大于等于閾值θ，那么所傳輸?shù)男畔⒖梢员唤邮斩顺晒邮?。因此，本發(fā)明定義鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成功接收概率為接收端所接收到的信干噪比Υ不小于接收閾值θ的概率。根據(jù)全概率公式，基于Rayleigh衰落信道模型的成功接收概率可以計算為當(dāng)鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在K個干擾源的條件接收概率之和，并對K的所有可能取值進(jìn)行遍歷，那么，成功接收概率可以表示為

通過觀察公式(10)，可以推導(dǎo)出當(dāng)鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在K個獨立同分布的干擾源時，接收端依然能成功接收信息的條件接收概率Pr{γ≥θ|N_I＝K}。首先，聯(lián)立公式(4)與(5)，條件接收概率可以計算為

基于Gamma函數(shù)的性質(zhì)，公式(11)中的積分部分可以計算為

進(jìn)而可以化簡得到條件接收概率為

將上式中條件接收概率的閉合表達(dá)式與公式(1)代入公式(10)中，便可求出基于Rayleigh信道模型的鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成功接收概率，表示為

因此，本發(fā)明得到了在Rayleigh衰落信道下，鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于節(jié)點休眠機制的成功接收概率的閉合表達(dá)式。公式(14)建立了鐵路場景下工作節(jié)點比例和其他系統(tǒng)參數(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信性能之間的理論關(guān)系。

為驗證分析結(jié)果，本發(fā)明采用MATLAB軟件搭建了基于Rayleigh衰落信道模型的仿真平臺，分別模擬了鐵路沿線較為安全區(qū)域與事故易發(fā)區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信性能，其中參照鐵路通信的實際情況，各仿真參數(shù)設(shè)置為λ＝50,70,110,150，ω_s＝1，ω＝0.01,0.04，p_t＝0.05，N₀＝0.01，θ＝3dB。為減小仿真過程中由于樣本生成的隨機性導(dǎo)致的誤差，本發(fā)明針對每組系統(tǒng)參數(shù)的組合情況，都將仿真次數(shù)設(shè)置為10⁴次，具體實施步驟如下：

步驟1：設(shè)置主信號的平均接收功率ω_s、每個干擾信號的平均接收功率ω、噪聲功率N₀、信干噪比的接收閾值為θ以及平均傳輸概率p_t。

步驟2：設(shè)置無線傳感器節(jié)點數(shù)目的分布參數(shù)λ以及工作節(jié)點比例p_a的取值范圍和步長。

步驟3：設(shè)置確定的分布參數(shù)λ和工作節(jié)點比例p_a的取值，求解式(14)中的鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成功接收概率。

步驟4：求解式(15)中的最優(yōu)工作節(jié)點比例

步驟5：判定λ和工作節(jié)點比例p_a是否達(dá)到各自取值上限，如果遍歷了預(yù)先設(shè)定的取值范圍，則求解終止，否則，繼續(xù)增加λ和p_a的數(shù)值并重復(fù)步驟3-4。

步驟6：采用蒙特卡羅仿真方法，仿真次數(shù)設(shè)置為10⁴。在每一次獨立的仿真中，根據(jù)主信號功率、干擾源數(shù)目和干擾信號功率的分布特性，隨機生成主信號功率、干擾源個數(shù)和干擾信號功率。

步驟7：計算得到信干噪比，統(tǒng)計信干噪比不小于接收閾值的次數(shù)，求得成功接收概率的蒙特卡羅仿真結(jié)果，其中，信干噪比所使用的噪聲功率N₀為各個干擾源產(chǎn)生的噪聲功率之和，所述仿真結(jié)果為信干噪比不小于接收閾值的次數(shù)與仿真次數(shù)的比值。

步驟8：遍歷成功接收概率，得到使得成功接收概率達(dá)到最大的節(jié)點工作比例的近似結(jié)果。

需要說明的是，鐵路沿線根據(jù)實際環(huán)境結(jié)構(gòu)的差異，可以分為較為安全區(qū)域和災(zāi)害易高發(fā)區(qū)域，其中安全區(qū)域主要是地勢較為平緩的地帶，而災(zāi)害高發(fā)區(qū)主要集中在山區(qū)等大量存在泥石流和山體滑坡的區(qū)域。從實際布網(wǎng)效率出發(fā)，這兩類環(huán)境中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測節(jié)點部署的密度各不相同。

圖5給出了在Rayleigh衰落信道下，鐵路沿線較安全區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成功接收概率隨干擾功率的變化趨勢。根據(jù)鐵路無線通信的具體情況，在鐵路沿線較為安全的區(qū)域內(nèi)只需部署適量的無線傳感器節(jié)點即可實現(xiàn)安全區(qū)域內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測，因此在較安全區(qū)域內(nèi)的無線傳感器節(jié)點分布參數(shù)較小，其中節(jié)點分布參數(shù)設(shè)定為λ＝50，主信號功率為ω_s＝1，干擾信號功率分別是ω＝0.01和0.04。其中各線條表示成功接收概率的理論值，各圖形代表相應(yīng)的仿真值。從圖5中可以看出，理論值與仿真結(jié)果非常貼近。在節(jié)點分布參數(shù)確定的情況下，即當(dāng)λ＝50時，成功接收概率P_c隨著工作節(jié)點比例p_a的不斷增大而增加。此外，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在更強的干擾信號時，例如當(dāng)ω＝0.04時，系統(tǒng)接收性能將受到負(fù)面影響而明顯下降。

圖6針對鐵路沿線災(zāi)害高發(fā)區(qū)域，比較了當(dāng)干擾功率確定時(ω＝0.04)，鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成功接收概率隨節(jié)點分布參數(shù)的變化趨勢。在鐵路沿線災(zāi)害高發(fā)區(qū)域，需要部署大量的無線傳感器節(jié)點才能實現(xiàn)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測，因此在鐵路沿線災(zāi)害易發(fā)區(qū)域內(nèi)的無線傳感器節(jié)點分布參數(shù)較大。在節(jié)點分布參數(shù)較大的情況下，例如當(dāng)λ從70增大到150時，在最開始的一段區(qū)域內(nèi)，當(dāng)工作節(jié)點比例不斷增大時，成功接收概率也得到提升，但是當(dāng)工作節(jié)點比例p_a達(dá)到最優(yōu)值之后，由于鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在大量同時進(jìn)行通信的節(jié)點，對接收端帶來強烈的干擾信號，因而導(dǎo)致系統(tǒng)的接收性能反而下降。因此，在鐵路沿線環(huán)境進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署時，得到最優(yōu)工作節(jié)點比例對提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)性能具有重要意義。

根據(jù)工作節(jié)點比例與成功接收概率之間的數(shù)值關(guān)系，進(jìn)而可以得到使得鐵路無線通信系統(tǒng)接收性能達(dá)到最佳的最優(yōu)工作節(jié)點比例。

基于最優(yōu)化理論，在Rayleigh衰落信道下，當(dāng)位于鐵路沿線的無線傳感器接收端接收到多個獨立同分布的干擾信號時，能夠使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收性能達(dá)到最佳的最優(yōu)工作節(jié)點比例為

其中，表示平均信干比

通過觀察公式(15)中鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)工作節(jié)點比例的閉合表達(dá)式，可以得到最優(yōu)工作節(jié)點比例取決于鐵路沿線無線傳感器節(jié)點數(shù)目的分布參數(shù)λ、平均信干比信干噪比接收閾值θ以及平均傳輸概率p_t等系統(tǒng)參數(shù)。

值得注意的是，當(dāng)平均信干比較小時，即根據(jù)對數(shù)函數(shù)的極限性質(zhì)，可以得到

進(jìn)而可以推導(dǎo)出最優(yōu)工作節(jié)點比例近似表示為

值得注意的是，當(dāng)鐵路沿線無線傳感器節(jié)點數(shù)目的分布參數(shù)λ和平均傳輸概率p_t增大時，最優(yōu)工作節(jié)點比例將降低，特別是在平均信干比較小的情況下，這一變化趨勢更加顯著。這表明當(dāng)鐵路沿線部署了過多無線傳感器節(jié)點時，為了降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自干擾對性能的不利影響，應(yīng)該適當(dāng)增加休眠節(jié)點的比例。因此，在鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實際建設(shè)中，不僅需要根據(jù)環(huán)境潛在災(zāi)害設(shè)定無線傳感器節(jié)點的布設(shè)密度，同樣也需要根據(jù)節(jié)點密度優(yōu)化節(jié)點休眠機制，最大化網(wǎng)絡(luò)通信性能，保障鐵路運輸安全。

圖7給出了在鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平均信干比已知的情況下(當(dāng)ω_s＝1，ω＝0.04時)，基于Rayleigh信道模型的最優(yōu)工作節(jié)點比例隨著節(jié)點數(shù)目分布參數(shù)λ和平均傳輸概率p_t等系統(tǒng)參數(shù)的變化趨勢。從圖7中可以看出，最優(yōu)工作節(jié)點比例與節(jié)點數(shù)目分布參數(shù)λ和平均傳輸概率p_t的乘積成反比關(guān)系，當(dāng)λ和p_t不斷增大時，將逐漸減小。因此，根據(jù)確知的鐵路沿線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)參數(shù)，可以得到最優(yōu)工作節(jié)點比例，從而為鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點休眠機制的參數(shù)設(shè)置提供依據(jù)。如圖7所示，本發(fā)明所得到的最優(yōu)工作節(jié)點比例的理論近似值與實際值基本吻合，這進(jìn)一步驗證了本分析方法理論推導(dǎo)的正確性。

參看圖8，本實施例公開一種鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署裝置，包括：

計算單元1，用于根據(jù)成功接收概率p_c與工作節(jié)點比例p_a的關(guān)系式確定出工作節(jié)點比例p_a，其中，所述關(guān)系式為λ為位于鐵路沿線的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的節(jié)點分布參數(shù)，p_t為任意一個節(jié)點在某一時隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄怕?，?sub>s為主信號的平均接收功率，θ為信干噪比的接收閾值，ω為每個干擾信號的平均接收功率，N₀為鐵路場景下無線信道的噪聲功率；

設(shè)置單元2，用于根據(jù)所述工作節(jié)點比例p_a對鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行休眠機制的參數(shù)設(shè)置。

本發(fā)明基于隨機過程理論，建立了一種基于節(jié)點休眠機制的鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信性能分析模型，基于Rayleigh衰落信道模型研究工作節(jié)點比例對鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收性能的影響機理，在考慮隱藏終端干擾的情況下得到最優(yōu)休眠節(jié)點比例，并據(jù)此進(jìn)行鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署，可以使鐵路無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信性能得到最大優(yōu)化。

本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本申請的實施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計算機程序產(chǎn)品。因此，本申請可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本申請可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、CD-ROM、光學(xué)存儲器等)上實施的計算機程序產(chǎn)品的形式。

本申請是參照根據(jù)本申請實施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計算機程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應(yīng)理解可由計算機程序指令實現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計算機程序指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。

這些計算機程序指令也可存儲在能引導(dǎo)計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。

這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計算機或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計算機實現(xiàn)的處理，從而在計算機或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。術(shù)語“上”、“下”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

本發(fā)明的說明書中，說明了大量具體細(xì)節(jié)。然而能夠理解的是，本發(fā)明的實施例可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實踐。在一些實例中，并未詳細(xì)示出公知的方法、結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以便不模糊對本說明書的理解。類似地，應(yīng)當(dāng)理解，為了精簡本發(fā)明公開并幫助理解各個發(fā)明方面中的一個或多個，在上面對本發(fā)明的示例性實施例的描述中，本發(fā)明的各個特征有時被一起分組到單個實施例、圖、或者對其的描述中。然而，并不應(yīng)將該公開的方法解釋呈反映如下意圖：即所要求保護(hù)的本發(fā)明要求比在每個權(quán)利要求中所明確記載的特征更多的特征。更確切地說，如權(quán)利要求書所反映的那樣，發(fā)明方面在于少于前面公開的單個實施例的所有特征。因此，遵循具體實施方式的權(quán)利要求書由此明確地并入該具體實施方式，其中每個權(quán)利要求本身都作為本發(fā)明的單獨實施例。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。本發(fā)明并不局限于任何單一的方面，也不局限于任何單一的實施例，也不局限于這些方面和/或?qū)嵤├娜我饨M合和/或置換。而且，可以單獨使用本發(fā)明的每個方面和/或?qū)嵤├蛘吲c一個或更多其他方面和/或其實施例結(jié)合使用。

最后應(yīng)說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求和說明書的范圍當(dāng)中。