低功耗无线传输系统数据交换机制研究

发布时间：2020-03-29 17:41

【摘要】：随着“工业4.0时代”的到来,物联网技术日趋成熟,逐步将“世界万物”与网络相连变成了现实。物联网中的节点需要将感知数据实时传输出去,在实际应用中由于节点体积大小和能量受限等因素影响,低功耗无线传输技术在其中发挥着至关重要的作用,其数据交换的效率时刻影响着整个系统的传输性能。因此,如何进一步提高物联网中低功耗无线传输系统的数据交换效率尤为重要。本文以提高无线传输系统中数据交换效率为主要研究内容,主要工作如下:(1)提出了一种基于并行解码的被动式节点上行数据收集方法。针对多节点部署场景,单时隙通信效率低下的问题,采用并行传输能够提高数据收集效率。现有方法中节点采用幅移键控的调制方式,其抗干扰性差,接收器解码需要依赖稳定的信道系数。本文对节点的调制方式进行了优化设计,采用抗干扰性更强的相移键控调制方式,接收器将节点信息映射到星座域中,根据节点状态结合簇的序列特征对节点并行解码。本文采用相移键控调制的节点相比于采用幅移键控调制的节点在星座域中分簇更加明显,与现有方法相比,该协议提高了被动式节点并行传输解码的正确率。(2)设计了一种基于链路特征感知的被动式节点下行数据反馈协议。现有数据反馈协议中,接收器只能与单个节点物理连接执行数据反馈,如果对于单位区域内多个节点都执行相同的反馈分发数据,依然需要接收器逐个与节点通信,导致通信效率低下。处于接收器天线覆盖范围内的节点能够接收到来自于接收器的消息,但是,由于节点遵循现有协议无法直接回复接收器。本文考虑了接收器组播式分发数据到多个节点的场景,提出了一种基于链路特征感知的数据反馈协议。本协议将被动式节点的充电效率和链路质量作为评价指标,接收器根据链路特征选择合适的节点作为主节点与其正常通信,其他节点作为从节点监听主节点与接收器的通信过程,该协议能够有效降低节点充电冗余,提高节点数据分发反馈效率。(3)提出了一种基于冲突容忍的主动式节点数据传输协议。在低功耗无线传输系统中,现有的数据聚合遵循载波侦听多路访问协议,该协议规定当发送节点检测到信道被占用时,发送节点会选择退避机制保守等待来减少节点之间的信道竞争。然而,在大规模节点部署场景下,节点之间频繁的竞争信道且采用退避原则会大幅度增加数据传输的时延,导致整个传输系统无法实时地收集节点的感知信息。不同于传统的退避协议,本文提出了一种冲突容忍的并发传输主动式节点多跳聚合数据传输协议,通过调节竞争节点的并发传输概率,降低了节点之间的恶性竞争,使其处于竞争的红利区间,该方法能够有效地减少节点传输数据包的延迟,进而提高系统的信道利用率。(4)设计了一种低功耗无线传输的行为感知系统。现有行为感知系统多数采用机器学习的方法来分析和处理数据,为了获得较高的处理精度,需要相对多的训练集。然而,通常情况下数据训练集有限,这极大地影响了采用机器学习方法行为感知系统的准确率。针对数据训练集有限的情况下,本文设计了一种基于高阶累积量的行为感知系统,不仅从理论上分析了所提出方法的有效性,而且通过大量的实验验证了设计的系统具有良好的性能,同时该系统能够兼容现有商用接收器,具有广阔的使用价值和实际意义。
【图文】：

主动节点,无线电通信,操作系统,电池

图 2-1 GreenOrbs_Telosb 主动节点Fig.2-1 GreenOrbs_Telosb active nose操作系统为 TinyOS[101]，使用两节 AA 电池进行供电，信芯片为 CC2420，支持 2.4GHz 无线电通信，能够实现

WISP被动节点Fig.2-2ThepassivenodeofWISP
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5;TP391.44

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