鏈路層數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器設(shè)計畢業(yè)論文

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）</p><p><b>　?。?013屆）</b></p><p>　　論文題目 IEEE 802.11與IEEE 802.15.4鏈路層數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器設(shè)計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，無線

2、傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已滲透到生活生產(chǎn)的方方面面。人們利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠更加廣泛、有效地采集信息并通過無線局域網(wǎng)將信息方便、快捷地傳輸至數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，以此來提高決策質(zhì)量。因此如何高效連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)成為一大熱點問題。本文著眼于設(shè)計一個IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和IEEE 802.11無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器，并設(shè)計了基于能耗和吞吐量的數(shù)據(jù)幀長度算法來降低能耗和提高吞吐量。</p><p>

3、;　　通過對IEEE 802.11與IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)，本文初步設(shè)計了IEEE 802.11與IEEE 802.15.4數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器的物理結(jié)構(gòu)，提出了數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換的軟件結(jié)構(gòu)和基本流程。根據(jù)本文所描述的設(shè)計方案，可以實現(xiàn)IEEE 802.11和IEEE 802.15.4之間數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　為了提高網(wǎng)絡(luò)性能，本文提出了兩個優(yōu)化算法，用以調(diào)整數(shù)據(jù)幀的長度。其中一個算法從能耗角度出發(fā)，

4、目的在于降低單位有效數(shù)據(jù)的能耗，以提高無線傳感器節(jié)點的工作壽命；另一個算法從有效吞吐量角度出發(fā)，目的在于提高網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐量，使數(shù)據(jù)能高效傳輸。NS2仿真結(jié)果表明，面向有效吞吐量的算法能夠提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線局域網(wǎng)，IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，MAC幀轉(zhuǎn)換器</p><p><b>　　Abstra

5、ct</b></p><p>　　With the rapid development of networking technology, application of wireless sensor network has penetrated into every aspect of life and production. Using wireless sensor networks, peop

6、le can gather information more widely and effectively. What is more, they can improve the quality of decision making by transmitting information to the data processing server through wireless LAN. So, efficient connectio

7、n of wireless sensor networks and wireless local area network becomes a hot issue. This paper f</p><p>　　Through studying IEEE 802.11 and IEEE 802.15.4 standard, this paper puts forward the physical structur

8、e of the converter. Software architecture and basic processes of data frame conversion are designed as well. According to the design of this thesis, frame conversion can be achieved between the IEEE 802.11 and IEEE 802.1

9、5.4.</p><p>　　To improve network performance, this paper gives two optimization algorithms to adjust the length of the data frame. From the perspective of energy consumption, one algorithm focuses on reducin

10、g unit energy consumption of valid data and extending the working life of the wireless sensor nodes. From the perspective of effective throughput, another algorithm’s objective is to improve throughput of the network, so

11、 that data transmission can be efficiently. Simulation results of Network Simulator-Ver</p><p>　　Keywords： wireless sensor network, wireless local area network, IEEE 802.11 standard , IEEE 802.15.4 standard,

12、 converter of MAC frame</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要 </b></p><p>　　AbstractI</p><p><b>　　第一章緒論3</b></p><p>　　1

13、.1課題背景3</p><p>　　1.1.1IEEE 802.11無線局域網(wǎng)的發(fā)展及優(yōu)點3</p><p>　　1.1.2IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及優(yōu)點4</p><p>　　1.1.3IEEE 802.11與IEEE 802.15.4無線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)及其意義5</p><p>　　1.2本文的主要工作

14、6</p><p>　　1.3本文的組織結(jié)構(gòu)6</p><p>　　第二章無線網(wǎng)絡(luò)主要性能衡量指標(biāo)介紹7</p><p><b>　　2.1誤碼率7</b></p><p><b>　　2.2吞吐量7</b></p><p>　　2.3改善網(wǎng)絡(luò)性能的措施

15、8</p><p>　　2.3.1前向糾錯編碼8</p><p>　　2.3.2自適應(yīng)幀長8</p><p>　　2.3.3混合FEC/ARQ8</p><p>　　第三章IEEE 802.11與IEEE 802.15.4簡介10</p><p>　　3.1IEEE 802.11 MAC層數(shù)據(jù)幀格式簡

16、介10</p><p>　　3.2IEEE 802.15.4 MAC層數(shù)據(jù)幀格式簡介12</p><p>　　第四章數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器的設(shè)計15</p><p>　　4.1幀轉(zhuǎn)換器的物理組成15</p><p>　　4.2幀轉(zhuǎn)換器的邏輯組成16</p><p>　　4.3幀轉(zhuǎn)換器的工作流程17</

17、p><p>　　4.4本章小結(jié)18</p><p>　　第五章分片算法設(shè)計19</p><p>　　5.1面向能耗的分片算法設(shè)計19</p><p>　　5.2面向吞吐量的分片算法設(shè)計22</p><p>　　5.3存在的問題25</p><p>　　5.4本章小結(jié)25<

18、;/p><p>　　第六章分片算法仿真實驗與結(jié)果分析26</p><p>　　6.1仿真實驗環(huán)境簡介26</p><p>　　6.2面向吞吐量的分片算法實驗思路描述26</p><p>　　6.3面向吞吐量的分片算法仿真參數(shù)設(shè)定26</p><p>　　6.3.1IEEE 802.15.4環(huán)境仿真參數(shù)設(shè)定

19、26</p><p>　　6.3.2IEEE 802.11環(huán)境仿真參數(shù)設(shè)定29</p><p>　　6.4面向吞吐量的分片算法仿真結(jié)果和分析29</p><p>　　6.4.1IEEE 802.15.4仿真結(jié)果和分析29</p><p>　　6.4.2IEEE 802.11仿真結(jié)果和分析30</p><p

20、>　　第七章總結(jié)與展望34</p><p>　　7.1本文總結(jié)34</p><p><b>　　7.2展望35</b></p><p><b>　　參考文獻36</b></p><p><b>　　致謝38</b></p><p>

21、<b>　　附錄39</b></p><p>　　附錄1 畢業(yè)設(shè)計文獻綜述39</p><p>　　附件2 畢業(yè)設(shè)計開題報告39</p><p>　　附件3 畢業(yè)設(shè)計外文翻譯（中文譯文與外文原文）39</p><p><b>　　圖目錄</b></p><p>

22、　　圖1- 1 典型的網(wǎng)絡(luò)拓撲5</p><p>　　圖4- 1 數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器物理結(jié)構(gòu)15</p><p>　　圖4- 2 數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器邏輯結(jié)構(gòu)16</p><p>　　圖4- 3 數(shù)據(jù)幀格式轉(zhuǎn)換流程18</p><p>　　圖5- 1 IEEE 802.15.4幀負載長度與能耗關(guān)系21</p><p>　　

23、圖5- 2 IEEE 802.15.4數(shù)據(jù)幀長度與能耗關(guān)系的導(dǎo)數(shù)22</p><p>　　圖5- 3 IEEE 802.15.4有效吞吐量和負載長度關(guān)系23</p><p>　　圖5- 4 IEEE 802.11有效吞吐量與負載長度關(guān)系24</p><p>　　圖6- 1 IEEE 802.15.4負載長度與吞吐量的關(guān)系仿真30</p>&l

24、t;p>　　圖6- 2 IEEE 802.11負載長度與吞吐量的關(guān)系仿真（誤碼率=）31</p><p>　　圖6- 3 IEEE 802.11負載長度與吞吐量的關(guān)系仿真（誤碼率=）32</p><p>　　圖6- 4 IEEE 802.11負載長度與吞吐量的關(guān)系仿真（誤碼率=和）32</p><p><b>　　表目錄</b>&l

25、t;/p><p>　　表3- 1 IEEE 802.11MAC層數(shù)據(jù)幀格式10</p><p>　　表3- 2 IEEE 802.11幀控制字段10</p><p>　　表3- 3 IEEE 802.15.4 MAC層數(shù)據(jù)幀格式12</p><p>　　表3- 4 IEEE 802.15.4 MAC層數(shù)據(jù)幀格式（續(xù)）12</

26、p><p>　　表3- 5 IEEE 802.15.4 幀控制字段12</p><p>　　表3- 6 IEEE 802.15.4 幀控制字段（續(xù)）12</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題背景</b></p><p>　　隨著計算機

27、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著人類探知領(lǐng)域的不斷拓展，信息的獲取、存儲、處理、傳輸已滲入到生產(chǎn)生活的方方面面，集成了傳感器技術(shù)、微機電系統(tǒng)技術(shù)、無線通信技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等前沿科技的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1][2][3][4]應(yīng)運而生。IEEE 802.15.4[5]標(biāo)準(zhǔn)是目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)之一，它主要定義了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，主要應(yīng)用于目標(biāo)的數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制，將數(shù)據(jù)上

28、傳和接收控制信息，因此并不孤立，需要與外界通用網(wǎng)絡(luò)相連?，F(xiàn)行的通用網(wǎng)絡(luò)主要是有線局域網(wǎng)和無線局域網(wǎng)。考慮到無線局域網(wǎng)具有部署簡單、成本較低等優(yōu)點，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入無線局域網(wǎng)是一個不錯的解決方案。因而需要了解兩個網(wǎng)絡(luò)的特點并據(jù)此設(shè)計一個接入設(shè)備來完成兩個網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。</p><p>　　IEEE 802.11無線局域網(wǎng)的發(fā)展及優(yōu)點</p><p>　　無線局域網(wǎng)的誕生要從1971年夏威夷

29、大學(xué)的ALOHANET研究項目說起，夏威夷大學(xué)分布在夏威夷群島的10個小島上面，為了使其他島嶼上的用戶終端能夠接入主校區(qū)的大型計算機，需要將各地的用戶終端連接。從網(wǎng)絡(luò)的需求和成本角度考慮，采用無線電接入是最佳的選擇。當(dāng)時的ALOHANET共由7臺計算機組成，橫跨四座夏威夷島嶼[7]。</p><p>　　而真正使得無線局域網(wǎng)得以迅速發(fā)展壯大則要歸功于1997年IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的頒布，在IEEE 802.

30、11工作組的努力下，從最原始標(biāo)準(zhǔn)（2Mbit/s）到現(xiàn)在常用的IEEE 802.11g(54Mbit/s和IEEE 802.11n(300Mbit/s)，并于近期提出了更快的IEEE 802.11ac（1Gbit/s）[8]。</p><p>　　無線局域網(wǎng)與傳統(tǒng)的有線局域網(wǎng)相比，主要具有以下特點[9]：</p><p><b>　　靈活性</b></p>

31、<p>　　無線局域網(wǎng)部署簡單靈活，可以將網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋至線纜難以或者無法到達的空間。一旦無線局域網(wǎng)部署之后，在信號覆蓋區(qū)域內(nèi)，設(shè)備可以通過AP接入網(wǎng)絡(luò)。同時，無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式非常靈活，同樣也可以在設(shè)備間形成自組織網(wǎng)絡(luò)。</p><p><b>　　易擴展性</b></p><p>　　無線局域網(wǎng)內(nèi)可以很方便的增減、移動設(shè)備，通過放置/移除接入點或擴展點，

32、就可以彈性地根據(jù)需要修改網(wǎng)絡(luò)。</p><p><b>　　經(jīng)濟性</b></p><p>　　在有線局域網(wǎng)的建設(shè)中，網(wǎng)絡(luò)布線的材料、人力成本會占整個網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本的很大一部分。如果部署無線局域網(wǎng)，則不僅能夠節(jié)省線纜、人力成本，同時減小了后期的設(shè)施維護成本。對于臨時需要網(wǎng)絡(luò)或者需要頻繁布線的場合，無線局域網(wǎng)的成本優(yōu)勢更是明顯。</p><p>　

33、　IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及優(yōu)點</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最早誕生于越南戰(zhàn)爭時期。美軍在“胡志明小道”投放了2萬多個“熱帶樹”傳感器，用于檢測車輛目標(biāo)的震動和車輛信息，將此信息上傳至美軍指揮中心后，指揮中心指揮戰(zhàn)機進行轟炸[11]。近幾年，隨著計算成本的不斷下降和集成電路技術(shù)的不斷提高，多種多樣的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開始投入使用。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用遍及智能交通管理[12]、環(huán)境質(zhì)量

34、監(jiān)測[13]、戰(zhàn)場偵察[14]、目標(biāo)跟蹤[15]、公共安全[16]、智能家居[17]、個人健康護理[18]等多個領(lǐng)域。</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點如下：</p><p><b>　　自組織</b></p><p>　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點的地位都是平等的，節(jié)點可以隨時加入或離開網(wǎng)絡(luò)。各個節(jié)點之間通過分布式算法與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

35、形成自組織網(wǎng)絡(luò)。</p><p><b>　　體積小</b></p><p>　　傳感器節(jié)點各部分集成度很高，可以將其做得非常小。便于攜帶和部署。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大具有自適應(yīng)性</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點密集，數(shù)量巨大，可以分布在很廣闊的地理區(qū)域。并且網(wǎng)絡(luò)一旦形成，人很少干預(yù)其運行，具有很強的

36、自適應(yīng)性。</p><p>　　IEEE 802.11與IEEE 802.15.4無線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)及其意義</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于目標(biāo)對象的監(jiān)測和控制，無線傳感器節(jié)點隨機分布于目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理服務(wù)器并接收數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的控制信息。如何將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)處理服務(wù)器相連是一個不可避免的問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通常在用IEEE 802.15.4協(xié)

37、議，數(shù)據(jù)處理服務(wù)器則處在傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)或者無線網(wǎng)絡(luò)中。通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所處的地理空間位置不適合部署有線局域網(wǎng)，因此采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)相連并通過無線局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理服務(wù)器是一個比較好的解決方案。一個典型的網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1-1所示。</p><p>　　圖1- 1 典型的網(wǎng)絡(luò)拓撲</p><p>　　對于一個部署了若干無線傳感器節(jié)點檢測區(qū)域而言，組網(wǎng)協(xié)議主要采用IEEE 8

38、02.15.4，節(jié)點收集到的檢測數(shù)據(jù)匯聚到sink節(jié)點之后，sink節(jié)點通過無線局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至無線網(wǎng)關(guān)，sink節(jié)點與無線網(wǎng)關(guān)之間采用IEEE 802.11協(xié)議。無線網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的處理工作。同時，數(shù)據(jù)服務(wù)器也會向無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送命令消息，對檢測區(qū)域的無線傳感器節(jié)點做一些調(diào)整，這就需要sink節(jié)點能夠完成IEEE 802.11 與IEEE 802.15.4之間的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換。</p><p&g

39、t;<b>　　本文的主要工作</b></p><p>　　從圖1-1所展示的網(wǎng)絡(luò)拓撲中可以清楚看到sink節(jié)點在這個網(wǎng)絡(luò)中起到了非常關(guān)鍵的作用，它必須保證無線傳感器節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確、及時地傳到數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。因此本文的目標(biāo)是設(shè)計一個節(jié)能、高效的MAC層數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)之間相互連通。</p><p><b>　　本文的組織

40、結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　本文主要分為七個章節(jié)，各章內(nèi)容安排如下：</p><p>　　第一章 緒論，簡單介紹了本課題的背景、IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和IEEE 802.11無線局域網(wǎng)各自的發(fā)展和優(yōu)點，并說明了兩者的互聯(lián)及其意義，最后介紹了本文的工作內(nèi)容和章節(jié)安排。</p><p>　　第二章 無線網(wǎng)絡(luò)主要性能衡量指標(biāo)介紹，著重對

41、下文將要采用的誤碼率、吞吐量進行了介紹，并介紹了改善網(wǎng)絡(luò)性能的一些方法。</p><p>　　第三章 IEEE 802.11與IEEE 802.15.4簡介，本章主要是對進行互聯(lián)的IEEE 802.15.4和IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)的MAC層數(shù)據(jù)幀進行介紹，從而了解兩個網(wǎng)絡(luò)的幀格式差異。</p><p>　　第四章 數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，本章設(shè)計了數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器的物理組成架構(gòu)和軟件架構(gòu)并給出

42、了幀格式轉(zhuǎn)換的流程。</p><p>　　第五章 分片算法設(shè)計，本章分別從能耗和吞吐量角度出發(fā)分析分片算法的性能，針對不同需求給出了解決方案。</p><p>　　第六章分片算法仿真實驗與結(jié)果分析，在NS2仿真環(huán)境下對第五章提出的算法進行實驗檢驗并分析結(jié)果。</p><p>　　第七章 總結(jié)與展望，本章總結(jié)本文所作的工作，對所作的設(shè)計提出不足和需要改進的地方，對未來

43、的研究工作提供參考。</p><p>　　最后是致謝、附錄和參考文獻。</p><p>　　無線網(wǎng)絡(luò)主要性能衡量指標(biāo)介紹</p><p><b>　　誤碼率</b></p><p>　　由于無線信道的開放性，在信道中傳輸?shù)男盘枠O易受到外界電磁波的干擾，從而使得接收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)不一致，產(chǎn)生誤碼。誤碼特性是無線網(wǎng)絡(luò)中最

44、為重要的性能指標(biāo)之一。通常用幀錯率（Frame Error Rate）或者位錯率（Bit Error Rate）來表示。其數(shù)值上近似等于[20]： 。其中為傳輸?shù)亩M制比特總數(shù)，為被傳錯的比特數(shù)。</p><p>　　在理解誤碼率時，必須注意以下一些問題：</p><p>　　誤碼率是用于量化無線網(wǎng)絡(luò)在正常工作狀態(tài)下時傳輸可靠性的參數(shù)。無線信號在無線信道中傳輸時不可避免地因為噪聲或干擾而發(fā)

45、生差錯，出錯是正常的，但一定要控制在一定范圍內(nèi)。</p><p>　　對于一個實際的無線網(wǎng)絡(luò)，不能一味地追求低誤碼率，應(yīng)該根據(jù)實際情況設(shè)定一定的閾值。因為要求無線網(wǎng)絡(luò)誤碼率越低，對周圍抗干擾設(shè)備的要求越高，會大大增加網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和維護成本。</p><p>　　無線網(wǎng)絡(luò)所處的環(huán)境是一個不斷變化的環(huán)境，測量誤碼率時必須進行較大數(shù)據(jù)量、較長時間的測試才能得到較為真實的結(jié)果。</p>

46、<p><b>　　吞吐量</b></p><p>　　吞吐量是指在網(wǎng)絡(luò)用戶之間有效地傳輸數(shù)據(jù)的能力[21]。吞吐量通常被用來評估整個網(wǎng)絡(luò)的性能，通常被定義為單位時間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)量（通常用比特、字節(jié)、幀來量化）。有效的吞吐量則是指單位時間內(nèi)發(fā)送的有效數(shù)據(jù)的數(shù)量。吞吐量直接影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的響應(yīng)時間，吞吐量越高，系統(tǒng)響應(yīng)時間越快。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

47、的不同會導(dǎo)致有效吞吐量的不同，例如同樣傳輸100字節(jié)數(shù)據(jù)，如果在一個網(wǎng)絡(luò)中只需要增加10字節(jié)的幀頭部便能封裝成幀進行傳輸，而在另一個網(wǎng)絡(luò)中必須分成兩片，每片加上10字節(jié)的幀頭部才能傳輸。顯然前者的有效吞吐量高于后者。其次，鏈路的容量直接決定了吞吐量的上限。網(wǎng)絡(luò)中的干擾也會直接影響到有效吞吐量。</p><p><b>　　改善網(wǎng)絡(luò)性能的措施</b></p><p>&

48、lt;b>　　前向糾錯編碼</b></p><p>　　前向糾錯編碼（Forward Error Correction）技術(shù)[19]是一種被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)中的糾錯技術(shù)。在數(shù)據(jù)發(fā)送之前通過一定的前向糾錯編碼算法生成一些冗余數(shù)據(jù)，然后將這些冗余數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)一起發(fā)送，即便在發(fā)送過程中一些數(shù)據(jù)發(fā)生了錯誤或是丟失，接收方依然可以利用冗余數(shù)據(jù)對出錯或丟失的數(shù)據(jù)進行恢復(fù)。雖然FEC會增加一定的額外帶寬，但

49、具有低時延、擴展性好、數(shù)據(jù)恢復(fù)效率高等優(yōu)點，并且通常用硬件實現(xiàn)，在計算機互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域大有作為。</p><p><b>　　自適應(yīng)幀長</b></p><p>　　現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸采用的是分組交換的方式，數(shù)據(jù)被分割成多個分組進行傳輸。在數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)分組被稱為幀。在沒有前向糾錯措施的情況下，如果幀在傳輸過程中丟失或出錯則必須被丟棄，發(fā)送放必須重傳該幀。這會導(dǎo)致傳輸信道

50、吞吐量的下降，影響網(wǎng)絡(luò)性能。在某一誤碼率下，不同幀長所產(chǎn)生的重傳次數(shù)不同從而導(dǎo)致吞吐量的不同，但必然存在某一幀長使得重傳次數(shù)最低。因此，如果網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)誤碼率的不同調(diào)整幀長的大小使得重傳次數(shù)降低，那就能夠起到提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的作用。大致的定性分析可以總結(jié)為：在誤碼率較低的情況下，幀長越長即有效數(shù)據(jù)占總幀長的比重越大，吞吐量越大；在誤碼率較高的情況下，則選擇較小的幀長，盡可能降低重傳次數(shù)，避免較長的幀導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的不可用。</p>

51、<p><b>　　混合FEC/ARQ</b></p><p>　　在網(wǎng)絡(luò)情況較好的情況下，如果采用前向編碼技術(shù)則會產(chǎn)生相對較大的開銷，反而會影響吞吐量。當(dāng)信道干擾很大，誤碼率高到一定程度的時候，無論采用何種前向編碼技術(shù)都無法有效恢復(fù)數(shù)據(jù)，就需要選擇自動重傳技術(shù)ARQ（Automatic Repeat-reQuest）。但僅采用ARQ技術(shù)的話會有較大的時延。因此，網(wǎng)絡(luò)傳輸中采用混

52、合FEC/ARQ是比較合適的解決方案。采用混合ARQ/FEC時，物理層采用FEC，數(shù)據(jù)鏈路層采用ARQ。當(dāng)誤碼率在FEC的糾錯能力范圍內(nèi)時，傳輸錯誤可以通過FEC進行糾正，如果FEC無法糾正幀錯誤時則丟棄該幀并要求發(fā)送端重傳，從而能夠保證吞吐量改善網(wǎng)絡(luò)性能。</p><p>　　IEEE 802.11與IEEE 802.15.4簡介</p><p>　　IEEE 802.11 MAC層數(shù)據(jù)

53、幀格式簡介</p><p>　　802.11數(shù)據(jù)幀格式</p><p>　　802.11數(shù)據(jù)幀格式的如表3-1[6]所示。</p><p>　　表3- 1 IEEE 802.11MAC層數(shù)據(jù)幀格式</p><p>　　Frame Control(幀控制)字段</p><p>　　所有的IEEE 802.11MAC幀都

54、以2字節(jié)的幀控制字段開頭，如表3-2所示。</p><p>　　表3- 2 IEEE 802.11幀控制字段</p><p>　　Protocol（協(xié)議版本）：該字段由兩位構(gòu)成，用以指明該幀的MAC協(xié)議版本。目前，IEEE 802.11的MAC協(xié)議版本只有一個，因此協(xié)議版本編號為00。</p><p>　　Type（類型）與Subtype（子類型）：該字段用來指明

55、該幀的類型。IEEE 802.11幀主要有數(shù)據(jù)幀（data frame）、控制幀（control frame）和管理幀（management frame）。</p><p>　　To DS和From DS：該字段用來標(biāo)識幀的目的地是否為分布式系統(tǒng)（distribution system）。</p><p>　　More fragments（更多段）：該字段的功能與IP包頭部的“more f

56、ragments”類似。大型的數(shù)據(jù)幀和某些管理幀可能會需要進行分段傳輸，除了最后一個片段，其他片段都會將此位設(shè)為0。</p><p>　　Retry（重傳）：當(dāng)該幀是一個重傳的幀時，該位會被設(shè)定為1，協(xié)助接受者丟棄重復(fù)的幀。</p><p>　　Power management（電源管理）：IEEE 802.11工作組考慮到IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)適配器通常用在電池功能的移動終端上，可以

57、通過關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)接口節(jié)約電能。當(dāng)該字段為1時表示即將進入省電模式。</p><p>　　More data（更多數(shù)據(jù)）：為了服務(wù)處于省電模式的設(shè)備，接入點會把從分布式系統(tǒng)收到的幀加以緩存。如果設(shè)定此字段，說明至少有一個幀待傳給處于節(jié)點模式的設(shè)備。</p><p>　　Protected Frame（受保護的幀）：相比有線鏈路，無線鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更容易被攔截，如果該字段被設(shè)定為1，說明該幀受到

58、鏈路層安全協(xié)議的加密保護。</p><p>　　Order（順序）：幀或者幀的片段可以依次傳送，但發(fā)送器和接收器的MAC層會產(chǎn)生額外的開銷。如果該字段被設(shè)定為1，則幀或者幀的片段會進行嚴格依次（strict ordering）傳輸。</p><p>　　Duration/ID（持續(xù)時間）：該字段用來記錄網(wǎng)絡(luò)分配向量（Network Allocation Vector，簡稱NAV）的值。它指

59、明該幀與其確認幀將會占用信道多長時間，按微秒計時。</p><p>　　Address（地址）字段：地址字段被用作記錄地址?；旧?，Address1代表接收端，Address2代表發(fā)送端，Address3被接收端用作過濾地址。</p><p>　　Sequence Control（順序控制）字段：該字段用于重復(fù)幀的檢測。序號字段可用16位，其中4位標(biāo)識了段，12位標(biāo)識了幀，每發(fā)出去一幀該數(shù)

60、字遞增。</p><p>　　Frame body（幀主體）字段：該字段也被成為數(shù)據(jù)字段（data field），負責(zé)傳輸上層有效載荷（payload），其長度可以達到2312字節(jié)。</p><p>　　FCS（幀校驗序列）：FCS通常被視為循環(huán)冗余校驗（cyclic redundancy check，簡稱CRC）碼，因為底層的數(shù)學(xué)運算相同。FCS被接收端用作檢查收到幀的完整性，F(xiàn)CS的計

61、算范圍包括MAC幀頭部所有字段和數(shù)據(jù)字段。</p><p>　　IEEE 802.15.4 MAC層數(shù)據(jù)幀格式簡介</p><p>　　MAC幀數(shù)據(jù)包由MAC子層幀頭（MAC Header, MHR）、MAC子層載荷和MAC子層幀尾（MAC Footer, MFR）組成。MAC頭部由幀控制字段、幀序號字段和地址信息域組成；MAC有效載荷部分的長度與幀類型相關(guān)；MAC尾是幀校驗序列(FCS)

62、。MAC幀格式如表3-3和表3-4 [5] 所示：</p><p>　　表3- 3 IEEE 802.15.4 MAC層數(shù)據(jù)幀格式</p><p>　　表3- 4 IEEE 802.15.4 MAC層數(shù)據(jù)幀格式（續(xù)）</p><p>　　Frame Control（幀控制）字段</p><p>　　幀控制字段的長度為16位，共分為9個子字

63、段。幀控制字段格式如表3-4和表3-5所示：</p><p>　　表3- 5 IEEE 802.15.4 幀控制字段</p><p>　　表3- 6 IEEE 802.15.4 幀控制字段（續(xù)）</p><p>　　Frame Type（幀類型）字段占3位：000表示信標(biāo)幀，001表示數(shù)據(jù)幀，010表示確認幀，011表示MAC命令幀，其他取值預(yù)留。</p&

64、gt;<p>　　Security Enable（安全使能）字段占1位：如果設(shè)為1則表示該幀受到MAC子層協(xié)議的安全保護，其他情況設(shè)為0。僅當(dāng)安全使能位設(shè)定為1時，Auxiliary Security Header（附加安全頭）會在幀頭部出現(xiàn)。</p><p>　　Frame Pending（數(shù)據(jù)待傳）字段占1位：如果發(fā)送設(shè)備還有更多數(shù)據(jù)要發(fā)送給接收者，則該位設(shè)定為1，其他情況設(shè)定為0。在信標(biāo)關(guān)閉的

65、PAN任何時候都可使用該指示位，而在信標(biāo)使能的PAN中只在CAP期間使用；其他情況則發(fā)射設(shè)備總是置該指示位為0，接收設(shè)備也不檢測該指示。</p><p>　　Acknowledgement Request（確認請求）字段占1位：響應(yīng)請求字段指明了一個響應(yīng)是否是從接受設(shè)備上收到接收數(shù)據(jù)或者MAC命令真。如果這個字段被設(shè)定為1，則接受設(shè)備應(yīng)該發(fā)送一個響應(yīng)幀。如果這個在字段被設(shè)定為0，則接收設(shè)備不需要發(fā)送一個響應(yīng)幀。&

66、lt;/p><p>　　PAN ID Compression（PAN ID壓縮字段），指明了當(dāng)源地址和目標(biāo)地址都出現(xiàn)時，將要被發(fā)送的MAC幀是否只包含了某一個PAN標(biāo)志字段。如果該字段被設(shè)置為1且源地址和目標(biāo)地址都出現(xiàn)，幀應(yīng)該只包含目標(biāo)PAN標(biāo)志字段，源目標(biāo)標(biāo)志字段應(yīng)該被認作與目標(biāo)標(biāo)志字段相同。如果這個字段被設(shè)置為0，當(dāng)且僅當(dāng)通訊地址出現(xiàn)時PAN標(biāo)志字段才出現(xiàn)。</p><p>　　Desti

67、nation Addressing Mode（目的地址模式）字段：00表示沒有目的PAN標(biāo)識碼和目的地址，01預(yù)留，10表示目的地址是16位短地址，11表示目的地址是64位擴展地址。如果目的地址模式為0且?guī)愋陀蛑甘驹搸皇谴_認幀或信標(biāo)幀，則源地址模式應(yīng)非零，暗指該幀是發(fā)送給PAN協(xié)調(diào)器，PAN協(xié)調(diào)器的PAN標(biāo)識碼和源PAN標(biāo)識碼一致。</p><p>　　Frame Version（幀版本）字段：00表示這是一

68、個與IEEE 802.15.4-2003兼容的幀，01表示這是一個IEEE 802.15.4幀。其他值保留。</p><p>　　Source Addressing Mode（源地址模式）:00表示沒有源PAN標(biāo)識碼和源地址，01預(yù)留，10表示源地址是16位短地址，11表示源地址是64位擴展地址。如果源地址模式為0且?guī)愋陀蛑甘驹搸皇谴_認幀，則目的地址模式應(yīng)非零，說明該幀是由與目的地址PAN標(biāo)識碼一致的PAN協(xié)

69、調(diào)器發(fā)出的。</p><p>　　Sequence Number（幀序號）字段：幀序號是MAC層為每幀指定的唯一順序標(biāo)識碼。對于一個信標(biāo)幀，幀序號字段必須指明這是一個BSN。對于一個數(shù)據(jù)幀、響應(yīng)幀或者是命令幀，幀序號字段必須指明這是一個DSN，使得響應(yīng)幀的序號和數(shù)據(jù)幀或者命令幀的序號相匹配。</p><p>　　Destination PAN Identifier（目的PAN標(biāo)識碼）字段：

70、當(dāng)存在這個字段時，說明這是一個要發(fā)給指定接受者的幀。但當(dāng)字段的值是0xffff時，說明這是一個廣播幀，應(yīng)該被當(dāng)前監(jiān)聽在這個信道上的所有設(shè)備接受。只有當(dāng)Destination Address field（目的地址）字段非0時，該字段才存在。</p><p>　　Destination Address field（目的地址）字段：當(dāng)存在這個字段時，說明這是一個要發(fā)給指定接受者的幀。但當(dāng)字段的值是0xffff時，說明這

71、是一個廣播幀，應(yīng)該被當(dāng)前監(jiān)聽在這個信道上的所有設(shè)備接受。</p><p>　　Source PAN Identifier（源PAN標(biāo)識碼）字段：該字段指明了幀發(fā)送者的PAN標(biāo)識碼。該字段僅在源地址模式字段非零且PAN ID壓縮字段為0的情況下存在于幀頭部。</p><p>　　Source Address（源地址）字段：該字段指明了幀發(fā)送者的地址。該字段僅在源地址模式字段非零的情況下存在于

72、幀頭部。</p><p>　　Auxiliary Security Header（附加安全頭）字段：附加安全頭字段指明了安全處理所需要的信息，該字段當(dāng)安全使能字段被設(shè)定為1時，才會存在。</p><p>　　Frame Payload（幀負載）字段：幀負載字段的內(nèi)容由幀類型決定。例如，幀類型為數(shù)據(jù)幀時，負載為數(shù)據(jù)。如果安全使能字段被設(shè)定為1，則幀負載字段中的數(shù)據(jù)受到加密保護。</p&

73、gt;<p>　　FCS（幀校驗序列）：FCS通常被視為循環(huán)冗余校驗（cyclic redundancy check，簡稱CRC）碼，因為底層的數(shù)學(xué)運算相同。FCS被接收端用作檢查收到幀的完整性，F(xiàn)CS的計算范圍包括MAC幀頭部所有字段和數(shù)據(jù)字段。</p><p><b>　　數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器的設(shè)計</b></p><p>　　數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器主要實現(xiàn)IEEE

74、802.15.4和IEEE 802.11的MAC層數(shù)據(jù)幀格式的轉(zhuǎn)換。主要由硬件和軟件部分組成。</p><p><b>　　幀轉(zhuǎn)換器的物理組成</b></p><p>　　圖4-1為數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器的物理結(jié)構(gòu)，它由無線收發(fā)信機和網(wǎng)絡(luò)接口控制器兩部分組成，如圖4-1所示。</p><p>　　圖4- 1 數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器物理結(jié)構(gòu)</p>&

75、lt;p>　　無線收發(fā)信機由射頻處理單元（RF）、中頻處理單元（IF）和基帶處理器（BBP）三部分組成，其主要功能是與網(wǎng)絡(luò)接口控制器進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)物理層的信號調(diào)制/解調(diào)、串/并變換等功能。</p><p>　　無線收發(fā)信機在發(fā)送信號時，首先從網(wǎng)絡(luò)接口控制器獲得待發(fā)送的數(shù)據(jù)流，通過基帶處理器進行調(diào)制后交給中頻處理單元，將調(diào)制后的信息變頻到中頻載波上進行放大濾波處理，然后交給射頻處理單元，通過射頻天線將信號

76、輻射出去。在接收信號時，執(zhí)行相反的操作即可。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)接口控制器則負責(zé)實現(xiàn)IEEE 802.11和IEEE 802.15.4MAC層數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)換。當(dāng)數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器要將接收到的IEEE 802.11數(shù)據(jù)幀發(fā)送給的運行IEEE 802.15.4的無線傳感器節(jié)點時，網(wǎng)絡(luò)接口控制器從基帶處理器獲得數(shù)據(jù)流，進行循環(huán)冗余校驗（CRC），校驗無誤后提取數(shù)據(jù)幀中的載荷將其放入幀緩沖區(qū)，根據(jù)幀長自適應(yīng)算法確定分片大小

77、進行分片后加上IEEE 802.15.4數(shù)據(jù)幀頭部并進行循環(huán)冗余檢驗產(chǎn)生FCS作為幀尾后將其交給基帶處理器發(fā)送給無線傳感器節(jié)點。</p><p><b>　　幀轉(zhuǎn)換器的邏輯組成</b></p><p>　　圖4-2為數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器的邏輯結(jié)構(gòu)，它由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接口、無線局域網(wǎng)接口、橋接模塊、幀格式轉(zhuǎn)換模塊和地址數(shù)據(jù)庫等部分組成，如圖4-2所示。</p>&

78、lt;p>　　圖4- 2 數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器邏輯結(jié)構(gòu)</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接口：將從IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收到的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)化，形成IEEE 802.15.4的MAC 數(shù)據(jù)幀。</p><p>　　無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口：將從IEEE 802.11無線局域網(wǎng)接收到的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)化，形成IEEE 802.11的MAC數(shù)據(jù)幀。</p><p>

79、　　幀格式轉(zhuǎn)換模塊：負責(zé)IEEE 802.11和IEEE 802.15.4 MAC層幀格式之間的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　橋接模塊：通過查詢地址數(shù)據(jù)庫決定是否丟棄數(shù)據(jù)幀并決定數(shù)據(jù)幀的流向。</p><p>　　地址數(shù)據(jù)庫：存儲無線局域網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地址數(shù)據(jù)。由于IEEE 802.11的MAC層地址長度為6字節(jié)，IEEE 802.15.4MAC層地址為2字節(jié)或8字節(jié)，因此在幀格式轉(zhuǎn)換

80、過程中需要對頭部的地址長度進行一個轉(zhuǎn)換。本文的設(shè)計是在幀轉(zhuǎn)換器中存儲一個符合IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的MAC地址集，當(dāng)IEEE 802.15.4的無線節(jié)點連接到幀轉(zhuǎn)換器后，幀轉(zhuǎn)換器對其分配一個符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2字節(jié)短地址并分配一個符合IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的6字節(jié)地址，形成一一對應(yīng)關(guān)系。 </p><p><b>　　幀轉(zhuǎn)換器的工作流程</b></p>

81、<p>　　幀轉(zhuǎn)換器在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一側(cè)采用符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的幀格式，而在無線網(wǎng)絡(luò)一側(cè)采用符合IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的幀格式。當(dāng)幀轉(zhuǎn)換器收到一個IEEE 802.11的幀后，首先分離負載部分和頭部，將負載部分放入緩沖區(qū)。然后根據(jù)IEEE 802.11的幀頭部的目的地址和源地址，查詢地址數(shù)據(jù)庫后填入IEEE 802.15.4的目的地址和源地址，并重新計算長度。根據(jù)幀長度算法分割載荷之后在載荷上加上IEEE

82、 802.15.4的頭，然后通過CRC生成FCS作為幀尾部，封裝成幀。流程如圖4-3所示：</p><p>　　圖4- 3 數(shù)據(jù)幀格式轉(zhuǎn)換流程</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器的物理結(jié)構(gòu)做了初步設(shè)計，確定了數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器的邏輯組成結(jié)構(gòu)并給出了數(shù)據(jù)幀格式轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換流程。</p>

83、<p><b>　　分片算法設(shè)計</b></p><p>　　面向能耗的分片算法設(shè)計</p><p>　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無線節(jié)點通常采用電池供電，因此如何最大程度利用電池所攜帶的有限能源將發(fā)送每一位有效數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的能耗降到最低是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議設(shè)計中的一大熱點問題。數(shù)據(jù)在節(jié)點之間以幀為單位進行傳輸，每一個幀由三部分組成：幀頭、負載、幀尾。其中負載

84、是有效數(shù)據(jù)，幀頭和幀尾是保證幀能夠正確傳輸?shù)谋匾_銷?，F(xiàn)在做如下定義：幀頭和幀尾的總長度為H，負載長度為L，發(fā)送端傳輸每一位數(shù)據(jù)的能耗為，可以得到傳輸一個幀所產(chǎn)生的能耗[22]：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　但在實際情況下，不管是外界干擾還是自身軟硬件的問題，都無法做到每一個幀都能一次傳輸正確。一個數(shù)據(jù)幀傳輸正確包含兩部分含義，第一

85、數(shù)據(jù)幀能夠正確從發(fā)送端發(fā)送并被接收端接受，其次接收端正確發(fā)送一個確認幀(Acknowledgement frame)到發(fā)送端。因此，為發(fā)送長度為L的載荷，實際需要發(fā)送一個長度為L+H的數(shù)據(jù)幀以及一個長度近似為H的確認幀。將幀傳輸錯誤率FER（Frame Error Rate）用符號表示。則每一數(shù)據(jù)幀傳輸成功的所產(chǎn)生的能耗為[22]：</p><p><b>　?。?）</b></p&g

86、t;<p>　　考慮到在實際應(yīng)用當(dāng)中，無線信道無時無刻都存在著干擾，可以引入?yún)?shù)，則公式（2）在信道干擾的情況為[22]：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　在無線網(wǎng)絡(luò)傳輸中，能耗可以被更精確地定義為傳輸一位有效數(shù)據(jù)（負載）所消耗的能量，因此定義傳輸一位有效載荷所需要的能量為：</p><p><

87、;b>　?。?）</b></p><p>　　而一個幀發(fā)送成功的概率與該幀每一位發(fā)送成功的概率相關(guān)，因而定義位錯率BER(Bit Error Rate)，以表示。假設(shè)在一個幀的發(fā)送過程中外部干擾和內(nèi)部軟硬件穩(wěn)定性保持不變，則與之間的關(guān)系可以描述為[22]：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　在公式

88、（3）中引入了信道干擾參數(shù)，顯然與位錯率之間存在有一定的關(guān)系。根據(jù)文獻[7]中的說明，本文假定無線網(wǎng)絡(luò)采用IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)，信道速率1 Mb/S，系統(tǒng)采用DBPSK調(diào)制。在AGWN信道中，與的關(guān)系為[7]：</p><p><b>　　（6）</b></p><p>　　結(jié)合公式（4）（5）（6），可以得到位錯率、傳輸每一位有效載荷所需能量和幀負載長度L這

89、三者的關(guān)系：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　IEEE 802.15.4MAC層數(shù)據(jù)幀頭部一般長度為88位，尾部FCS長度為16位，因此H的長度為104位，因為802.15.4 MAC層數(shù)據(jù)包最長為127字節(jié)，因此負載最長為114字節(jié)（912位），假設(shè)位錯率在 至之間變化，可以獲得如圖5-1所示的結(jié)果：</p><p

90、>　　圖5- 1 IEEE 802.15.4幀負載長度與能耗關(guān)系</p><p>　　從圖5-1可以看到，當(dāng)位錯率不變時，隨著負載長度的增長曲線均呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢，并且曲線遞減速率在字節(jié)區(qū)間內(nèi)發(fā)生了較大變化，逐步趨于平緩。在同一負載長度下，位錯率越高，傳輸每一位負載所需能耗則越高。為更準(zhǔn)確評估有效能耗的下降趨勢大小，對公式（7）關(guān)于L進行求導(dǎo)，可得：</p><p><b&g

91、t;　?。?）</b></p><p>　　圖5- 2 IEEE 802.15.4數(shù)據(jù)幀長度與能耗關(guān)系的導(dǎo)數(shù)</p><p>　　從圖5-2可以看出傳輸一位負載的能耗的變化率與負載長度的關(guān)系。當(dāng)負載長度大于300位之后，隨著負載長度的增加，傳輸每一位負載所消耗的能量的變化率小于0.05，即幀長對能耗的影響率小于5%。因此可以以300位為界，以此來確定負載長度。</p>

92、;<p>　　面向吞吐量的分片算法設(shè)計</p><p>　　由于無線網(wǎng)絡(luò)工作在無線信道上，極易受到空間中其他電磁波的干擾，在設(shè)備原始速率一定的情況下，如何通過調(diào)整分片大小來提高吞吐量從而提升網(wǎng)絡(luò)性能是本算法所要做的工作。</p><p>　　一個數(shù)據(jù)幀傳輸正確包含兩部分含義，第一數(shù)據(jù)幀能夠正確從發(fā)送端發(fā)送并被接收端接受，其次接收端正確發(fā)送一個確認幀(Acknowledgeme

93、nt Frame)到發(fā)送端?，F(xiàn)在做如下定義：幀頭和幀尾的總長度為H，因此，為發(fā)送長度為L的載荷，實際需要發(fā)送一個長度為L+H的數(shù)據(jù)幀以及一個長度近似為H的確認幀。因此正確發(fā)送一個負載長度為L的數(shù)據(jù)幀必須發(fā)送L+2H的數(shù)據(jù)。定義設(shè)備的原始發(fā)送速率R為250Kb/s，則發(fā)送負載長度為L的數(shù)據(jù)幀的有效吞吐量為[23]：</p><p><b>　?。?）</b></p><p&

94、gt;　　考慮到無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中干擾的存在，干擾會引起誤碼率（Bit Error Rate），用表示。一個數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功的概率為：，則公式（9）可以修正為：</p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　　IEEE 802.15.4MAC層數(shù)據(jù)幀頭部一般長度為88位，尾部FCS長度為16位，因此H的長度為104位，因為802.15.4 MAC層數(shù)據(jù)包

95、最長為127字節(jié)，因此負載最長為114字節(jié)（912位），假設(shè)位錯率在至之間變化且數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)不空閑不斷發(fā)送數(shù)據(jù)，可以獲得如圖5-3所示的結(jié)果：</p><p>　　圖5- 3 IEEE 802.15.4有效吞吐量和負載長度關(guān)系</p><p>　　由圖5-3可以看出，當(dāng)負載長度在0-1000位變化時有效數(shù)據(jù)吞吐量不斷上升，因此從有效數(shù)據(jù)吞吐量角度考慮，在發(fā)送數(shù)據(jù)時應(yīng)盡可能地增大負載長度。&l

96、t;/p><p>　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)匯聚到幀轉(zhuǎn)換器之后，幀轉(zhuǎn)換器需要將大量監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線網(wǎng)關(guān)，在傳輸中采用的是IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，如果將公式（10）應(yīng)用到IEEE 802.11之中，則MAC頭部大小為24字節(jié)，F(xiàn)CS為4字節(jié)，載荷部長度在0-1500字節(jié)，則在IEEE 802.11中負載長度與有效吞吐量的關(guān)系如圖5-4所示：</p><p>　　圖5- 4 IEEE

97、802.11有效吞吐量與負載長度關(guān)系</p><p>　　根據(jù)圖5-4所示，當(dāng)誤碼率為 時，有效吞吐量在2000-3000位處出現(xiàn)了一個最大值，低于或高于這個值都會使得吞吐量下降。同樣的情況在誤碼率為 時也出現(xiàn)，最大值在900-1000位時出現(xiàn)。當(dāng)誤碼率小于 時，在載荷長度1500字節(jié)以內(nèi)，有效吞吐量一直呈現(xiàn)上升趨勢。經(jīng)過計算可得在誤碼率為 時，最佳負載長度為2994位(約374字節(jié))，在誤碼率為 時，最佳幀長度

98、為10692位（約1337字節(jié)）。當(dāng)誤碼率小于 時，載荷長度越長越好。</p><p><b>　　存在的問題</b></p><p>　　本文在推導(dǎo)幀錯率與位錯率的關(guān)系時，假設(shè)在一個幀發(fā)送時干擾不變，因此使得發(fā)送每一位時的位錯率保持不變。但在實際情況中，干擾的變化時隨機的，在干擾變化頻繁的環(huán)境下該公式是不適用的。</p><p>　　本文在計

99、算吞吐量和能耗時，均沒有考慮無線局域網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所采用的CSMC/CA算法，無需等待退避，在節(jié)點較少情況下因為沖突較少，理論值和實驗值的偏差不會太大，但是在節(jié)點較多的情況下則不成立，需要重新建模。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，如何盡可能降低節(jié)點能耗是一大研究方向，本章首先從這個角度出發(fā)，分析了在無線傳感

100、器網(wǎng)絡(luò)中每一位有效數(shù)據(jù)的能耗與數(shù)據(jù)載荷長度的關(guān)系，得出的結(jié)論是載荷長度越長則每一位有效數(shù)據(jù)的能耗越低，在載荷長度大于300位后，幀長度變化對每一位有效數(shù)據(jù)的能耗影響低于5%。然后考慮到有效吞吐量也是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行了分析，結(jié)論是在載荷長度小于1000位時，載荷越長有效吞吐量越大。同時將有效吞吐量公式應(yīng)用于IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)在誤碼率為 和 時存在一個最佳幀長使得吞吐量最大，并給出了不同誤碼率下的最

101、佳幀長。最后列舉了本章提出的兩個算法所存在的問題。</p><p>　　分片算法仿真實驗與結(jié)果分析</p><p><b>　　仿真實驗環(huán)境簡介</b></p><p>　　本文采用的仿真實驗環(huán)境是NS2[24](Network Simulator-Version 2)，是一個面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬器，主要用于解決網(wǎng)絡(luò)研究方面的問題。NS2的底

102、層用C++實現(xiàn)了絕大多數(shù)常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和相關(guān)算法，通過使用類對象能夠高效地模擬網(wǎng)絡(luò)中的各種行為，如果用戶需要開發(fā)新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議則可以通過重載底層的C++類，對部分協(xié)議功能進行改進，能夠快速地測試新協(xié)議的性能。同時很多網(wǎng)絡(luò)通信的研究著重于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整，NS2的上層采用一種名為OTcl的腳本語言，用戶可以較為輕松地編寫腳本代碼，對所要研究的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進行模擬，包括網(wǎng)絡(luò)拓撲、節(jié)點、鏈路等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置，從而快速驗證研究的正確性。</

103、p><p>　　NS2作為一個免費開源的軟件，在WINDOWS和LINUX上均能順利運行，加上其開源的特性對于網(wǎng)絡(luò)的研究非常便利，因此在NS2在學(xué)術(shù)界備受推崇。</p><p>　　面向吞吐量的分片算法實驗思路描述</p><p>　　假設(shè)一個簡單的網(wǎng)絡(luò)拓撲：僅存在兩個無線設(shè)備，一個發(fā)送者，一個接收者。設(shè)定一個錯誤發(fā)生函數(shù)使得數(shù)據(jù)在發(fā)送或接收過程中以一定的概率發(fā)生錯誤。

104、設(shè)定某一個載荷長度之后，統(tǒng)計一定時間內(nèi)接收者收到的正確的包的個數(shù)。根據(jù)載荷長度和包的個數(shù)就可以求得一定時間內(nèi)的有效吞吐量。</p><p>　　面向吞吐量的分片算法仿真參數(shù)設(shè)定</p><p>　　IEEE 802.15.4環(huán)境仿真參數(shù)設(shè)定</p><p>　　第一步，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)物理層和MAC的參數(shù)，設(shè)定為IEEE 802.15.4環(huán)境。</p><

105、;p>　　第二步，設(shè)定節(jié)點數(shù)目為2個，一個是協(xié)調(diào)器節(jié)點，一個是發(fā)送節(jié)點，并配置相關(guān)參數(shù)，特別要注意的是在節(jié)點參數(shù)中加入輸入/輸出錯誤生成函數(shù)。</p><p>　　第三步，編寫錯誤生成函數(shù)。由于NS2的錯誤發(fā)生概率以分組/時間片/字節(jié)為單位，因此需要將位錯率轉(zhuǎn)換為字節(jié)錯誤率。</p><p>　　第四步，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)并設(shè)置數(shù)據(jù)包生成器和接收器，并將數(shù)據(jù)包生成器和接收器與節(jié)點綁定。<

106、/p><p>　　第五步，設(shè)置數(shù)據(jù)包大小、發(fā)送間隔以及數(shù)據(jù)包生成器的開始和結(jié)束時間(單位：秒)</p><p>　　第六步，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的結(jié)束時間后啟動網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　IEEE 802.11環(huán)境仿真參數(shù)設(shè)定</p><p>　　IEEE 802.11的環(huán)境參數(shù)設(shè)定與IEEE 802.15.4的設(shè)定大同小異，在第一步中需要對物理層和MAC的參

107、數(shù)設(shè)定做修改。</p><p>　　面向吞吐量的分片算法仿真結(jié)果和分析</p><p>　　IEEE 802.15.4仿真結(jié)果和分析</p><p>　　仿真實驗運行時間為4.0秒，在4.0秒內(nèi)接收節(jié)點與仿真節(jié)點建立連接并傳送了數(shù)據(jù)。實驗中選取的誤碼率分為四個梯度，分別為： 、 、 、 ，數(shù)據(jù)幀長度從10字節(jié)到100字節(jié)，增量為10字節(jié)。載荷長度和有效吞吐率之間的關(guān)

108、系見圖6-1：</p><p>　　圖6- 1 IEEE 802.15.4負載長度與吞吐量的關(guān)系仿真</p><p>　　從圖6-1可以看出，隨著載荷長度的不斷增長網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐量也不斷增大，但增長率有減緩的趨勢。實驗結(jié)果與第五章所做出的理論推導(dǎo)相符合。</p><p>　　IEEE 802.11仿真結(jié)果和分析</p><p>　　第五章中在

109、IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，幀載荷與誤碼率的關(guān)系有三個理論推導(dǎo)結(jié)論，分別為：1.誤碼率為 時，最佳負載長度為2994位(約374字節(jié))2.誤碼率為 ，最佳幀長度為10692位（約1337字節(jié)）3.當(dāng)誤碼率小于 時，載荷長度越長越好。本文分別對以上三個結(jié)論進行了實驗仿真。</p><p>　　三個仿真實驗運行時間均為4.0秒，在4.0秒內(nèi)接收節(jié)點與仿真節(jié)點建立連接并傳送了數(shù)據(jù)。具體的變量設(shè)置和實驗結(jié)果圖示如下

110、：</p><p>　　當(dāng)誤碼率為 時，以400字節(jié)為中心，增/減量20字節(jié)，各取10組數(shù)據(jù)，共取樣21個，載荷長度為200字節(jié)至800字節(jié)。結(jié)果如圖6-2所示。</p><p>　　當(dāng)誤碼率為 時，以1300字節(jié)為中心，增/減量50字節(jié)，各取4組數(shù)據(jù)，共取樣9個，載荷長度為160字節(jié)至320字節(jié)。結(jié)果如圖6-3所示。</p><p>　　當(dāng)誤碼率為 和 時，負載長