多跳无线传感器网络冲突识别机制研究

作     者：吴敏悦 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡晓娅

授予年度：2019年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 0802[工学-机械工程] 

主      题：IEEE802.15.4标准 隐藏终端 冲突识别 机器学习 互信息 混合MAC协议 

摘      要：基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络中的隐藏终端效应可能导致严重网络冲突,从而使数据包传输出现错误。相较于路径损耗、多径衰落、阴影衰落和IEEE802.11干扰等因素造成的非冲突错误,隐藏终端引起的冲突错误会持续存在,因而其破坏性更大。准确识别由隐藏终端引起的冲突对保证传感器数据的正确传输至关重要。本文首先研究了隐藏终端导致冲突碰撞的机理以及对网络传输性能带来的影响。本文采用数值分析方法对完整的冲突及重传过程进行了仿真,通过搭建CSMA/CA通信模型,得到数据包在非时隙模式下的碰撞及重传概率,进而对影响网络性能的因素进行了研究。理论分析及仿真结果表明,数据包长度、发包率、隐藏节点比例等都会对网络性能造成影响,其中发包率对网络性能影响最大。随后通过高发包率实验对传输错误数据包的错误特性进行研究。在理论分析基础上,本文设计了多种典型场景下的传输实验,得到非冲突错误场景和冲突错误场景下的错误数据包,并定义误码率、错误比特位置分布和错误符号位置分布作为性能指标对错误特性进行统计分析。统计结果发现,冲突错误数据包的后部倾向于出现更高的出错概率,该特性能够明显区分出不同应用环境中冲突错误和非冲突错误。基于冲突错误包的这种特性,本文提出了基于冗余域插入方法的冲突识别机制,即CRM-ML。冲突识别机制在发送方数据包中插入已知比特组合的冗余域,通过互信息技术对冗余域的位置进行选择,然后通过机器学习方法对数据包中冗余域的信息进行分类,从而判断传输失败是否由隐藏冲突引起。实验结果表明CRM-ML机制在编码效率为94%时能达到90%以上的识别准确度。本文在所提出的CRM-ML机制基础上,进一步设计了一种面向混合MAC机制的切换机制,以实现发生持续冲突时MAC机制的自适应切换。将该切换机制应用于CSMA/CA与CDMA结合的混合协议中,证实了其有效性。本文提出的冲突识别机制可运行于无线传感器网络,在接收方对错误数据包直接进行分析,无需存储或收集更多的数据,具有简便、高效的特点;基于冲突识别的切换机制可为混合MAC协议提供有效的切换点,最大化网络通信性能。