IEEE-802.11与IEEE-802.15.4链路层数据帧转换器设计.doc

本科毕业设计说明书（论文）

（2013届）

论文题目 IEEE 802.11与IEEE 802.15.4链路层数据帧转换器设计

摘要
随着物联网技术的高速发展，无线传感器网络的应用已渗透到生活生产的方方面面。人们利用无线传感器网络能够更加广泛、有效地采集信息并通过无线局域网将信息方便、快捷地传输至数据处理服务器，以此来提高决策质量。因此如何高效连接无线传感器网络和无线局域网成为一大热点问题。本文着眼于设计一个IEEE 802.15.4无线传感器网络和IEEE 80211无线局域网数据帧转换器，并设计了基于能耗和吞吐量的数据帧长度算法来降低能耗和提高吞吐量。
通过对IEEE 802.11与IEEE 802.15.4标准的学习，本文初步设计了IEEE 802.11与IEEE 802.15.4数据帧转换器的物理结构，提出了数据帧转换的软件结构和基本流程。根据本文所描述的设计方案，可以实现IEEE 802.11和IEEE 802.15.4之间数据帧的转换。
为了提高网络性能，本文提出了两个优化算法，用以调整数据帧的长度。其中一个算法从能耗角度出发，目的在于降低单位有效数据的能耗，以提高无线传感器节点的工作寿命；另一个算法从有效吞吐量角度出发，目的在于提高网络的有效吞吐量，使数据能高效传输。NS2仿真结果表明，面向有效吞吐量的算法能够提高网络的吞吐量。

关键词： 无线传感器网络，无线局域网，IEEE 802.11标准，IEEE 802.15.4标准，MAC帧转换器
II
Abstract
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, people 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 connection of wireless sensor networks and wireless local area network becomes a hot issue. This paper focus on designing a frame converter from IEEE 802.15.4 wireless sensor networks to IEEE 802.11 wireless LANs. Algorithms based on energy consumption and throughputs are also designed to calculate the length of data frame, which will reduce energy consumption and increase the efficiency of throughput.
Through studying IEEE 802.11 and IEEE 802.15.4 standard, this paper puts forward the physical structure 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 802.15.4.
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 reducing 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 that data transmission can be efficiently. Simulation results of Network Simulator-Version 2 show that the throughput-oriented algorithms can effectively improve the throughput of the network.

Keywords： wireless sensor network, wireless local area network, IEEE 802.11 standard , IEEE 802.15.4 standard, converter of MAC frame

目录
摘要
ABSTRACT I
第一章 绪论 3
1.1 课题背景 3
1.1.1 IEEE 802.11无线局域网的发展及优点 3
1.1.2 IEEE 802.15.4无线传感器网络的发展及优点 4
1.1.3 IEEE 802.11与IEEE 802.15.4无线网络的互联及其意义 5
1.2 本文的主要工作 6
1.3 本文的组织结构 6
第二章 无线网络主要性能衡量指标介绍 7
2.1 误码率 7
2.2 吞吐量 7
2.3 改善网络性能的措施 8
2.3.1 前向纠错编码 8
2.3.2 自适应帧长 8
2.3.3 混合FEC/ARQ 8
第三章 IEEE 802.11与IEEE 802.15.4简介 10
3.1 IEEE 802.11 MAC层数据帧格式简介 10
3.2 IEEE 802.15.4 MAC层数据帧格式简介 12
第四章 数据帧转换器的设计 15
4.1 帧转换器的物理组成 15
4.2 帧转换器的逻辑组成 16
4.3 帧转换器的工作流程 17
4.4 本章小结 18
第五章 分片算法设计 19
5.1 面向能耗的分片算法设计 19
5.2 面向吞吐量的分片算法设计 22
5.3 存在的问题 25
5.4 本章小结 25
第六章 分片算法仿真实验与结果分析 26
6.1 仿真实验环境简介 26
6.2 面向吞吐量的分片算法实验思路描述 26
6.3 面向吞吐量的分片算法仿真参数设定 26
6.3.1 IEEE 802.15.4环境仿真参数设定 26
6.3.2 IEEE 802.11环境仿真参数设定 29
6.4 面向吞吐量的分片算法仿真结果和分析 29
6.4.1 IEEE 802.15.4仿真结果和分析 29
6.4.2 IEEE 802.11仿真结果和分析 30
第七章 总结与展望 34
7.1 本文总结 34
7.2 展望 35
参考文献 36
致谢 38
附录 39
附录1 毕业设计文献综述 39
附件2 毕业设计开题报告 39
附件3 毕业设计外文翻译（中文译文与外文原文） 39

图目录
图1- 1 典型的网络拓扑 5
图4- 1 数据帧转换器物理结构 15
图4- 2 数据帧转换器逻辑结构 16
图4- 3 数据帧格式转换流程 18
图5- 1 IEEE 802.15.4帧负载长度与能耗关系 21
图5- 2 IEEE 802.15.4数据帧长度与能耗关系的导数 22
图5- 3 IEEE 802.15.4有效吞吐量和负载长度关系 23
图5- 4 IEEE 802.11有效吞吐量与负载长度关系 24
图6- 1 IEEE 802.15.4负载长度与吞吐量的关系仿真 30
图6- 2 IEEE 802.11负载长度与吞吐量的关系仿真（误码率=） 31
图6- 3 IEEE 802.11负载长度与吞吐量的关系仿真（误码率=） 32
图6- 4 IEEE 802.11负载长度与吞吐量的关系仿真（误码率=和） 32
表目录
表3- 1 IEEE 802.11MAC层数据帧格式 10
表3- 2 IEEE 802.11帧控制字段 10
表3- 3 IEEE 802.15.4 MAC层数据帧格式 12
表3- 4 IEEE 802.15.4 MAC层数据帧格式（续） 12
表3- 5 IEEE 802.15.4 帧控制字段 12
表3- 6 IEEE 802.15.4 帧控制字段（续） 12

第一章 绪论
1.1 课题背景
随着计算机网络技术的不断发展，随着人类探知领域的不断拓展，信息的获取存储、处理、传输已渗入到生产生活的方方面面，集成了传感器技术、微机电系统技术、无线通信技术和分布式信息处理技术等前沿科技的无线传感器网络[1][2][3][4]应运而生。IEEE 802.15.4[5]标准是目前无线传感器网络中应用最为广泛的标准之一，它主要定义了无线传感器网络的物理层和数据链路层。无线传感器网络是一个以数据为中心的网络，主要应用于目标的数据监测和控制，将数据上传和接收控制信息，因此并不孤立，需要与外界通用网络相连。现行的通用网络主要是有线局域网和无线局域网。考虑到无线局域网具有部署简单、成本较低等优点，将无线传感器网络接入无线局域网是一个不错的解决方案。因而需要了解两个网络的特点并据此设计一个接入设备来完成两个网络的互联。
1.1.1 IEEE 802.11无线局域网的发展及优点
无线局域网的诞生要从1971年夏威夷大学的ALOHANET研究项目说起，夏威夷大学分布在夏威夷群岛的10个小岛上面，为了使其他岛屿上的用户终端能够接入主校区的大型计算机，需要将各地的用户终端连接。从网络的需求和成本角度考虑，采用无线电接入是最佳的选择。当时的ALOHANET共由7台计算机组成，横跨四座夏威夷岛屿[7]。
而真正使得无线局域网得以迅速发展壮大则要归功于1997年IEEE 802.11标准的颁布，在IEEE 802.11工作组的努力下，从最原始标准（2Mbit/s）到现在常用的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]。
无线局域网与传统的有线局域网相比，主要具有以下特点[9]：
1) 灵活性
无线局域网部署简单灵活，可以将网络信号覆盖至线缆难以或者无法到达的空间。一旦无线局域网部署之后，在信号覆盖区域内，设备可以通过AP接入网络。同时，无线网络组网方式非常灵活，同样也可以在设备间形成自组织网络。
2) 易扩展性
无线局域网内可以很方便的增减、移动设备，通过放置/移除接入点或扩展点，就可以弹性地根据需要修改网络。
3) 经济性
在有线局域网的建设中，网络布线的材料、人力成本会占整个网络建设成本的很大一部分。如果部署无线局域网，则不仅能够节省线缆、人力成本，同时减小了后期的设施维护成本。对于临时需要网络或者需要频繁布线的场合，无线局域网的成本优势更是明显。
1.1.2 IEEE 802.15.4无线传感器网络的发展及优点
无线传感器网络最早诞生于越南战争时期。美军在“胡志明小道”投放了2万多个“热带树”传感器，用于检测车辆目标的震动和车辆信息，将此信息上传至美军指挥中心后，指挥中心指挥战机进行轰炸[11]。近几年，随着计算成本的不断下降和集成电路技术的不断提高，多种多样的无线传感器网络开始投入使用。目前，无线传感器网络应用遍及智能交通管理[12]、环境质量监测[13]、战场侦察[14]、目标跟踪[15]、公共安全[16]、智能家居[17]、个人健康护理[18]等多个领域。
无线传感器网络的主要优点如下：
1) 自组织
在无线传感器网络中，所有节点的地位都是平等的，节点可以随时加入或离开网络。各个节点之间通过分布式算法与网络协议形成自组织网络。
2) 体积小
传感器节点各部分集成度很高，可以将其做得非常小。便于携带和部署。
3) 网络规模大具有自适应性
无线传感器网络中节点密集，数量巨大，可以分布在很广阔的地理区域。并且网络一旦形成，人很少干预其运行，具有很强的自适应性。
1.1.3 IEEE 802.11与IEEE 802.15.4无线网络的互联及其意义
无线传感器网络主要应用于目标对象的监测和控制，无线传感器节点随机分布于目标监测区域，将监测到的数据上传至数据处理服务器并接收数据处理服务器的控制信息。如何将无线传感器网络与数据处理服务器相连是一个不可避免的问题。无线传感器网络内部通常在用IEEE 802.15.4协议，数据处理服务器则处在传统有线网络或者无线网络中。通常无线传感器网络所处的地理空间位置不适合部署有线局域网，因此采用无线传感器网络与无线局域网相连并通过无线局域网将数据发送到数据处理服务器是一个比较好的解决方案。一个典型的网络拓扑如图1-1所示。

图1- 1 典型的网络拓扑
对于一个部署了若干无线传感器节点检测区域而言，组网协议主要采用IEEE 802.15.4，节点收集到的检测数据汇聚到sink节点之后，sink节点通过无线局域网将数据发送至无线网关，sink节点与无线网关之间采用IEEE 802.11协议。无线网关再将数据传送至数据处理服务器完成数据的处理工作。同时，数据服务器也会向无线网关发送命令消息，对检测区域的无线传感器节点做一些调整，这就需要sink节点能够完成IEEE 802.11 与IEEE 802.15.4之间的数据帧转换。
1.2 本文的主要工作
从图1-1所展示的网络拓扑中可以清楚看到sink节点在这个网络中起到了非常关键的作用，它必须保证无线传感器节点收集到的数据能够准确、及时地传到数据处理服务器。因此本文的目标是设计一个节能、高效的MAC层数据帧转换器，使得无线传感器网络与无线局域网之间相互连通。
1.3 本文的组织结构
本文主要分为七个章节，各章内容安排如下：
第一章 绪论，简单介绍了本课题的背景、IEEE 802.15.4无线传感器网络和IEEE 802.11无线局域网各自的发展和优点，并说明了两者的互联及其意义，最后介绍了本文的工作内容和章节安排。
第二章 无线网络主要性能衡量指标介绍，着重对下文将要采用的误码率、吞吐量进行了介绍，并介绍了改善网络性能的一些方法。
第三章 IEEE 802.11与IEEE 802.15.4简介，本章主要是对进行互联的IEEE 802.15.4和IEEE 802.11网络的MAC层数据帧进行介绍，从而了解两个网络的帧格式差异。
第四章 数据帧转换器的设计，本章设计了数据帧转换器的物理组成架构和软件架构并给出了帧格式转换的流程。
第五章 分片算法设计，本章分别从能耗和吞吐量角度出发分析分片算法的性能，针对不同需求给出了解决方案。
第六章分片算法仿真实验与结果分析，在NS2仿真环境下对第五章提出的算法进行实验检验并分析结果。
第七章 总结与展望，本章总结本文所作的工作，对所作的设计提出不足和需要改进的地方，对未来的研究工作提供参考。
最后是致谢、附录和参考文献。

第二章 无线网络主要性能衡量指标介绍
2.1 误码率
由于无线信道的开放性，在信道中传输的信号极易受到外界电磁波的干扰，从而使得接收到的数据与发送数据不一致，产生误码。误码特性是无线网络中最为重要的性能指标之一。通常用帧错率（Frame Error Rate）或者位错率（Bit Error Rate）来表示。其数值上近似等于[20]：。其中为传输的二进制比特总数，为被传错的比特数。
在理解误码率时，必须注意以下一些问题：
（1） 误码率是用于量化无线网络在正常工作状态下时传输可靠性的参数。无线信号在无线信道中传输时不可避免地因为噪声或干扰而发生差错，出错是正常的，但一定要控制在一定范围内。
（2） 对于一个实际的无线网络，不能一味地追求低误码率，应该根据实际情况设定一定的阈值。因为要求无线网络误码率越低，对周围抗干扰设备的要求越高，会大大增加网络的建设和维护成本。
（3） 无线网络所处的环境是一个不断变化的环境，测量误码率时必须进行较大数据量、较长时间的测试才能得到较为真实的结果。
2.2 吞吐量
吞吐量是指在网络用户之间有效地传输数据的能力[21]。吞吐量通常被用来评估整个网络的性能，通常被定义为单位时间内发送数据的数量（通常用比特、字节、帧来量化）。有效的吞吐量则是指单位时间内发送的有效数据的数量。吞吐量直接影响网络系统的响应时间，吞吐量越高，系统响应时间越快。
网络协议的不同会导致有效吞吐量的不同，例如同样传输100字节数据，如果在一个网络中只需要增加10字节的帧头部便能封装成帧进行传输，而在另一个网络中必须分成两片，每片加上10字节的帧头部才能传输。显然前者的有效吞吐量高于后者。其次，链路的容量直接决定了吞吐量的上限。网络中的干扰也会直接影响到有效吞吐量。
2.3 改善网络性能的措施
2.3.1 前向纠错编码
前向纠错编码（Forward Error Correction）技术[19]是一种被广泛应用于通信系统中的纠错技术。在数据发送之前通过一定的前向纠错编码算法生成一些冗余数据然后将这些冗余数据与原数据一起发送，即便在发送过程中一些数据发生了错误或是丢失，接收方依然可以利用冗余数据对出错或丢失的数据进行恢复。虽然FEC会增加一定的额外带宽，但具有低时延、扩展性好、数据恢复效率高等优点，并且通常用硬件实现，在计算机互联网领域大有作为。
2.3.2 自适应帧长
现代计算机网络传输采用的是分组交换的方式，数据被分割成多个分组进行传输。在数据链路层数据分组被称为帧。在没有前向纠错措施的情况下，如果帧在传输过程中丢失或出错则必须被丢弃，发送放必须重传该帧。这会导致传输信道吞吐量的下降，影响网络性能。在某一误码率下，不同帧长所产生的重传次数不同从而导致吞吐量的不同，但必然存在某一帧长使得重传次数最低。因此，如果网络能够根据误码率的不同调整帧长的大小使得重传次数降低，那就能够起到提高网络吞吐量的作用。大致的定性分析可以总结为：在误码率较低的情况下，帧长越长即有效数据占总帧长的比重越大，吞吐量越大；在误码率较高的情况下，则选择较小的帧长，尽可能降低重传次数，避免较长的帧导致网络的不可用。
2.3.3 混合FEC/ARQ
在网络情况较好的情况下，如果采用前向编码技术则会产生相对较大的开销，反而会影响吞吐量。当信道干扰很大，误码率高到一定程度的时候，无论采用何种前向编码技术都无法有效恢复数据，就需要选择自动重传技术ARQ（Automatic Repeat-reQuest）。但仅采用ARQ技术的话会有较大的时延。因此，网络传输中采用混合FEC/ARQ是比较合适的解决方案。采用混合ARQ/FEC时，物理层采用FEC，数据链路层采用ARQ。当误码率在FEC的纠错能力范围内时，传输错误可以通过FEC进行纠正，如果FEC无法纠正帧错误时则丢弃该帧并要求发送端重传，从而能够保证吞吐量改善网络性能。

第三章 IEEE 802.11与IEEE 802.15.4简介
3.1 IEEE 802.11 MAC层数据帧格式简介
802.11数据帧格式
802.11数据帧格式的如表3-1[6]所示。
表3- 1 IEEE 802.11MAC层数据帧格式

2 bytes
2 bytes
6 bytes
6 bytes
6 bytes
2 bytes
0-2313 bytes
4 bytes
Frame
Control
Durations
ID
Address1
(receiver)
Address2
(sender)
Address3
(filtering)
Seq-
ctl
Frame
body
FCS
Frame Control(帧控制)字段
所有的IEEE 802.11MAC帧都以2字节的帧控制字段开头，如表3-2所示。
表3- 2 IEEE 802.11帧控制字段
Bit:0~1
2~3
4~7
8
9
10
11
12
13
15
16
Protoc-ol
Type
Sub type
To DS
From
DS
More Frag
Retry
Pwr
Mgmt
More
Data
Protected
Frame
Order
Protocol（协议版本）：该字段由两位构成，用以指明该帧的MAC协议版本。目前，IEEE 802.11的MAC协议版本只有一个，因此协议版本编号为00。
Type（类型）与Subtype（子类型）：该字段用来指明该帧的类型。IEEE 802.11帧主要有数据帧（data frame）、控制帧（control frame）和管理帧（management frame）。
To DS和From DS：该字段用来标识帧的目的地是否为分布式系统（distribution system）。
More fragments（更多段）：该字段的功能与IP包头部的“more fragments”类似。大型的数据帧和某些管理帧可能会需要进行分段传输，除了最后一个片段，其他片段都会将此位设为0。
Retry（重传）：当该帧是一个重传的帧时，该位会被设定为1，协助接受者丢弃重复的帧。
Power management（电源管理）：IEEE 802.11工作组考虑到IEEE 802.11网络适配器通常用在电池功能的移动终端上，可以通过关闭网络接口节约电能。当该字段为1时表示即将进入省电模式。
More data（更多数据）：为了服务处于省电模式的设备，接入点会把从分布式系统收到的帧加以缓存。如果设定此字段，说明至少有一个帧待传给处于节点模式的设备。
Protected Frame（受保护的帧）：相比有线链路，无线链路中传输的数据更容易被拦截，如果该字段被设定为1，说明该帧受到链路层安全协议的加密保护。
Order（顺序）：帧或者帧的片段可以依次传送，但发送器和接收器的MAC层会产生额外的开销。如果该字段被设定为1，则帧或者帧的片段会进行严格依次（strict ordering）传输。
Duration/ID（持续时间）：该字段用来记录网络分配向量（Network Allocation Vector，简称NAV）的值。它指明该帧与其确认帧将会占用信道多长时间，按微秒计时。
Address（地址）字段：地址字段被用作记录地址。基本上，Address1代表接收端，Address2代表发送端，Address3被接收端用作过滤地址。
Sequence Control（顺序控制）字段：该字段用于重复帧的检测。序号字段可用16位，其中4位标识了段，12位标识了帧，每发出去一帧该数字递增。
Frame body（帧主体）字段：该字段也被成为数据字段（data field），负责传输上层有效载荷（payload），其长度可以达到2312字节。
FCS（帧校验序列）：FCS通常被视为循环冗余校验（cyclic redundancy check，简称CRC）码，因为底层的数学运算相同。FCS被接收端用作检查收到帧的完整性，FCS的计算范围包括MAC帧头部所有字段和数据字段。
3.2 IEEE 802.15.4 MAC层数据帧格式简介
MAC帧数据包由MAC子层帧头（MAC Header, MHR）、MAC子层载荷和MAC子层帧尾（MAC Footer, MFR）组成。MAC头部由帧控制字段、帧序号字段和地址信息域组成；MAC有效载荷部分的长度与帧类型相关；MAC尾是帧校验序列(FCS)。MAC帧格式如表3-3和表3-4 [5] 所示：
表3- 3 IEEE 802.15.4 MAC层数据帧格式
2 bytes
1 bytes
0/2 bytes
0/2/8 bytes
0/2 bytes
0/2/8 bytes
Frame
Control
Sequence
Number
Destination
PAN Identifier
Destination
Address
Source PAN
Identifier
Source
Address
MHR
表3- 4 IEEE 802.15.4 MAC层数据帧格式（续
0/5/6/10/14 bytes
variable
2 bytes
Auxiliary Security Header
Frame Payload
FCS

MAC Payload
MFR
Frame Control（帧控制）字段
帧控制字段的长度为16位，共分为9个子字段。帧控制字段格式如表3-4和表3-5所示：
表3- 5 IEEE 802.15.4 帧控制字段
Bits：0~2
3
4
5
6
Frame Type
Security Enable
Frame Pending
Acknowledgment
Request
PAN ID

Compression
表3- 6 IEEE 802.15.4 帧控制字段（续）
7~9
10~11
12~13
14~15
Reserved
Dest.Addressing Mode
Frame Version
Source Addressing Mode
Frame Type（帧类型）字段占3位：000表示信标帧，001表示数据帧，010表示确认帧，011表示MAC命令帧，其他取值预留。
Security Enable（安全使能）字段占1位：如果设为1则表示该帧受到MAC子层协议的安全保护，其他情况设为0。仅当安全使能位设定为1时，Auxiliary Security Header（附加安全头）会在帧头部出现。
Frame Pending（数据待传）字段占1位：如果发送设备还有更多数据要发送给接收者，则该位设定为1，其他情况设定为0。在信标关闭的PAN任何时候都可使用该指示位，而在信标使能的PAN中只在CAP期间使用；其他情况则发射设备总是置该指示位为0，接收设备也不检测该指示。
Acknowledgement Request（确认请求）字段占1位：响应请求字段指明了一个响应是否是从接受设备上收到接收数据或者MAC命令真。如果这个字段被设定为1，则接受设备应该发送一个响应帧。如果这个在字段被设定为0，则接收设备不需要发送一个响应帧。
PAN ID Compression（PAN ID压缩字段），指明了当源地址和目标地址都出现时，将要被发送的MAC帧是否只包含了某一个PAN标志字段。如果该字段被设置为1且源地址和目标地址都出现，帧应该只包含目标PAN标志字段，源目标标志字段应该被认作与目标标志字段相同。如果这个字段被设置为0，当且仅当通讯地址出现时PAN标志字段才出现。
Destination Addressing Mode（目的地址模式）字段：00表示没有目的PAN标识码和目的地址，01预留，10表示目的地址是16位短地址，11表示目的地址是64位扩展地址。如果目的地址模式为0且帧类型域指示该帧不是确认帧或信标帧，则源地址模式应非零暗指该帧是发送给PAN协调器，PAN协调器的PAN标识码和源PAN标识码一致。
Frame Version（帧版本）字段：00表示这是一个与IEEE 802.15.4-2003兼容的帧，01表示这是一个IEEE 802.15.4帧。其他值保留。
Source Addressing Mode（源地址模式）:00表示没有源PAN标识码和源地址，01预留，10表示源地址是16位短地址，11表示源地址是64位扩展地址。如果源地址模式为0且帧类型域指示该帧不是确认帧，则目的地址模式应非零，说明该帧是由与目的地址PAN标识码一致的PAN协调器发出的。
Sequence Number（帧序号）字段：帧序号是MAC层为每帧指定的唯一顺序标识码。对于一个信标帧，帧序号字段必须指明这是一个BSN。对于一个数据帧、响应帧或者是命令帧，帧序号字段必须指明这是一个DSN，使得响应帧的序号和数据帧或者命令帧的序号相匹配。
Destination PAN Identifier（目的PAN标识码）字段：当存在这个字段时，说明这是一个要发给指定接受者的帧。但当字段的值是0xffff时，说明这是一个广播帧，应该被当前监听在这个信道上的所有设备接受。只有当Destination Address field（目的地址）字段非0时，该字段才存在。
Destination Address field（目的地址）字段：当存在这个字段时，说明这是一个要发给指定接受者的帧。但当字段的值是0xffff时，说明这是一个广播帧，应该被当前监听在这个信道上的所有设备接受。
Source PAN Identifier（源PAN标识码）字段：该字段指明了帧发送者的PAN标识码。该字段仅在源地址模式字段非零且PAN ID压缩字段为0的情况下存在于帧头部。
Source Address（源地址）字段：该字段指明了帧发送者的地址。该字段仅在源地址模式字段非零的情况下存在于帧头部。
Auxiliary Security Header（附加安全头）字段：附加安全头字段指明了安全处理所需要的信息，该字段当安全使能字段被设定为1时，才会存在。
Frame Payload（帧负载）字段：帧负载字段的内容由帧类型决定。例如，帧类型为数据帧时，负载为数据。如果安全使能字段被设定为1，则帧负载字段中的数据受到加密保护。
FCS（帧校验序列）：FCS通常被视为循环冗余校验（cyclic redundancy check，简称CRC）码，因为底层的数学运算相同。FCS被接收端用作检查收到帧的完整性，FCS的计算范围包括MAC帧头部所有字段和数据字段。

第四章 数据帧转换器的设计
数据帧转换器主要实现IEEE 802.15.4和IEEE 802.11的MAC层数据帧格式的转换。主要由硬件和软件部分组成。
4.1 帧转换器的物理组成
图4-1为数据帧转换器的物理结构，它由无线收发信机和网络接口控制器两部分组成，如图4-1所示。

图4- 1 数据帧转换器物理结构
无线收发信机由射频处理单元（RF）、中频处理单元（IF）和基带处理器（BBP）三部分组成，其主要功能是与网络接口控制器进行数据交换，实现物理层的信号调制/解调、串/并变换等功能。
无线收发信机在发送信号时，首先从网络接口控制器获得待发送的数据流，通过基带处理器进行调制后交给中频处理单元，将调制后的信息变频到中频载波上进行放大滤波处理，然后交给射频处理单元，通过射频天线将信号辐射出去。在接收信号时，执行相反的操作即可。
网络接口控制器则负责实现IEEE 802.11和IEEE 802.15.4MAC层数据帧的转换。当数据帧转换器要将接收到的IEEE 802.11数据帧发送给的运行IEEE 802.15.4的无线传感器节点时，网络接口控制器从基带处理器获得数据流，进行循环冗余校验（CRC），校验无误后提取数据帧中的载荷将其放入帧缓冲区，根据帧长自适应算法确定分片大小进行分片后加上IEEE 802.15.4数据帧头部并进行循环冗余检验产生FCS作为帧尾后将其交给基带处理器发送给无线传感器节点。
4.2 帧转换器的逻辑组成
图4-2为数据帧转换器的逻辑结构，它由无线传感器网络接口、无线局域网接口、桥接模块、帧格式转换模块和地址数据库等部分组成，如图4-2所示。

图4- 2 数据帧转换器逻辑结构
无线传感器网络接口：将从IEEE 802.15.4无线传感器网络接收到的数据流结构化，形成IEEE 802.15.4的MAC 数据帧。
无线局域网网络接口：将从IEEE 802.11无线局域网接收到的数据流结构化，形成IEEE 802.11的MAC数据帧。
帧格式转换模块：负责IEEE 802.11和IEEE 802.15.4 MAC层帧格式之间的转换。
桥接模块：通过查询地址数据库决定是否丢弃数据帧并决定数据帧的流向。
地址数据库：存储无线局域网和无线传感器网络的地址数据。由于IEEE 802.11的MAC层地址长度为6字节，IEEE 802.15.4MAC层地址为2字节或8字节，因此在帧格式转换过程中需要对头部的地址长度进行一个转换。本文的设计是在帧转换器中存储一个符合IEEE 802.11标准的MAC地址集，当IEEE 802.15.4的无线节点连接到帧转换器后，帧转换器对其分配一个符合IEEE 802.15.4标准的2字节短地址并分配一个符合IEEE 802.11标准的6字节地址，形成一一对应关系。
4.3 帧转换器的工作流程
帧转换器在无线传感器网络一侧采用符合IEEE 802.15.4标准的帧格式，而在无线网络一侧采用符合IEEE 802.11标准的帧格式。当帧转换器收到一个IEEE 802.11的帧后，首先分离负载部分和头部，将负载部分放入缓冲区。然后根据IEEE 802.11的帧头部的目的地址和源地址，查询地址数据库后填入IEEE 802.15.4的目的地址和源地址，并重新计算长度。根据帧长度算法分割载荷之后在载荷上加上IEEE 802.15.4的头，然后通过CRC生成FCS作为帧尾部，封装成帧。流程如图4-3所示：

图4- 3 数据帧格式转换流程
4.4 本章小结
本章主要对数据帧转换器的物理结构做了初步设计，确定了数据帧转换器的逻辑组成结构并给出了数据帧格式转换的转换流程。

第五章 分片算法设计
5.1 面向能耗的分片算法设计

在无线传感器网络中，无线节点通常采用电池供电，因此如何最大程度利用电池所携带的有限能源将发送每一位有效数据所产生的能耗降到最低是无线传感器网络传输协议设计中的一大热点问题。数据在节点之间以帧为单位进行传输，每一个帧由三部分组成：帧头、负载、帧尾。其中负载是有效数据，帧头和帧尾是保证帧能够正确传输的必要开销。现在做如下定义：帧头和帧尾的总长度为H，负载长度为L，发送端传输每一位数据的能耗为，可以得到传输一个帧所产生的能耗[22]：
（1）
但在实际情况下，不管是外界干扰还是自身软硬件的问题，都无法做到每一个帧都能一次传输正确。一个数据帧传输正确包含两部分含义，第一数据帧能够正确从发送端