文獻(xiàn)綜述--ieee 802.11與ieee 802.15.4鏈路層數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述</p><p><b>　?。?013屆）</b></p><p>　　論文題目 IEEE 802.11與IEEE 802.15.4</p><p>　　鏈路層數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì) </p><p>　　IEEE 802.11與IEEE 802.15.4鏈路層數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)&

2、lt;/p><p>　　摘要：本文是關(guān)于IEEE 802.11與IEEE 802.15.4鏈路層數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的一篇文獻(xiàn)綜述，先介紹項(xiàng)目的由來及其研究意義，然后介紹項(xiàng)目的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及難點(diǎn)。接著本文802.11和802.15.4的數(shù)據(jù)幀格式，談一下初步的轉(zhuǎn)換想法。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、802.15.4、802.11、數(shù)據(jù)幀長度</p><p&g

3、t;<b>　　引言</b></p><p>　　通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到今天，已經(jīng)由骨干傳輸網(wǎng)、接入網(wǎng)進(jìn)一步地向用戶層延伸，發(fā)展到物聯(lián)網(wǎng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)層面[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是最為方便的組網(wǎng)方式，它通過在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署大量的低功耗、低成本的微型傳感器形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)間可以協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并將這些信息經(jīng)過一定的處理后發(fā)送給觀察者[2]。傳感器、

4、感知對象和觀察者構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個基本要素[3]。為了滿足低功耗、低成本的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求，IEEE第四組指定了低速率無線個域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，稱為IEEE 802.15.4。</p><p>　　當(dāng)大量的無線傳感器節(jié)點(diǎn)收集到感知對象信息后需要通過局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)傳送到數(shù)據(jù)服務(wù)器去處理，在這一過程中，無線局域網(wǎng)扮演了一個非常重要的角色。無線局域網(wǎng)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。通俗點(diǎn)說，無線局域網(wǎng)就是在不采用傳統(tǒng)

5、電纜線的同時，提供傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)的所有功能，網(wǎng)絡(luò)所需的基礎(chǔ)設(shè)施不需要再埋在地下或隱藏在墻里，網(wǎng)絡(luò)卻能夠隨著你的需要移動或變化。無線局域網(wǎng)技術(shù)具有傳統(tǒng)局域網(wǎng)無法比擬的靈活性[4]。無線局域網(wǎng)的通信范圍不受環(huán)境條件的限制，網(wǎng)絡(luò)的傳輸范圍大大拓寬，而且非常容易部署[5]。</p><p>　　本文所關(guān)注的IEEE 802.11與IEEE 802.15.4鏈路層數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器，其作用是對802.11網(wǎng)絡(luò)與802.15.4網(wǎng)

6、絡(luò)中使用的不同傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)進(jìn)行互相的翻譯轉(zhuǎn)換，使得兩個網(wǎng)絡(luò)之間能夠相互通信[6]。</p><p><b>　　研究意義</b></p><p>　　IEEE 802.11與IEEE 802.15.4鏈路層數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)能夠很好地將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)與無線局域網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，從而更方便地部署網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為我國第一個物聯(lián)網(wǎng)五年規(guī)劃《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)

7、劃》的重要組成部分，它的發(fā)展將推動我國的物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)步，使其更好地應(yīng)用于國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制、健康醫(yī)療、智能家居、公共安全等領(lǐng)域，將對社會的法杖和人類的生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[7]。</p><p>　　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及難點(diǎn)</p><p>　　3.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　無線傳感器發(fā)展最早可以追溯至越戰(zhàn)時期使用的傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。當(dāng)年美軍在“胡志明

8、小道”投放了2萬多個“熱帶樹”傳感器。只要對方車隊(duì)經(jīng)過，傳感器探測出目標(biāo)產(chǎn)生的震動和聲響信息，自動發(fā)送到指揮中心，美機(jī)立即展開追殺，總共炸毀或炸壞4.6萬輛卡車。二十世紀(jì)80年代至90年代之間。主要是美軍研制的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、海軍協(xié)同交戰(zhàn)能力系統(tǒng)、遠(yuǎn)程戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)等。這種現(xiàn)代微型化的傳感器具備感知能力、計(jì)算能力和通信能力。 因此在1999年，商業(yè)周刊將傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最具影響的21項(xiàng)技術(shù)之一 。21世紀(jì)開始至今，也就是9?

9、11事件之后。這個階段的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)傳輸自組織、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)低功耗。除了應(yīng)用于反恐活動以外，在其它領(lǐng)域更是獲得了很好的應(yīng)用，所以2002年美國國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室－－橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室提出了“網(wǎng)絡(luò)就是傳感器”的論斷[8]。</p><p>　　從國外的研究現(xiàn)狀看，美國是最早開始無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的國家，美國國防部和軍方近年來投入了大量經(jīng)費(fèi)，在一些著名高校、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)公司，開展一系列旨在滿足軍方作戰(zhàn)需求的無線

10、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用研究，研究的重點(diǎn)主要集中在各種軍用偵查和監(jiān)視技術(shù)與系統(tǒng)，如“智能微塵”[9]、“無線綜合網(wǎng)絡(luò)傳感器”[10]、“傳感器信息技術(shù)”[11]、“網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)”[12]、“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)”[13]、“遠(yuǎn)程戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)”[14]和“沙地直線系統(tǒng)”[15]等。美國國家自然科學(xué)基金委員會等機(jī)構(gòu)也設(shè)立了了大量研究項(xiàng)目，支持各大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用研究。與此同時，許多企業(yè)和公司也紛紛開展無線傳感

11、器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)項(xiàng)目。在這些項(xiàng)目的支持下，這些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)提出了許多解決各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)問題的有效方法，開發(fā)出了多種可實(shí)際應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和軟硬件系統(tǒng)，進(jìn)行了一批無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。此外，英國、德國、日本等國家的一些高校和研究機(jī)構(gòu)也紛紛開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究工作，取得了響應(yīng)的研究成果。</p><p>　　從國內(nèi)的研究狀況看，我國在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究啟動較早，幾乎與一些發(fā)達(dá)國家同步。1

12、999年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)首次出現(xiàn)在中國科學(xué)院的《知識創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》的信息域自動化領(lǐng)域研究報(bào)告中。2002年開始，國家自然科學(xué)基金委連續(xù)資助了一系列有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究項(xiàng)目。同時還啟動了“面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)協(xié)調(diào)理論”和“傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件及數(shù)據(jù)管理關(guān)鍵技術(shù)研究”等重點(diǎn)項(xiàng)目。我國2006年發(fā)布的《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2006-2020年）》為信息技術(shù)所確定的3個前沿領(lǐng)域中，有2個與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接

13、相關(guān)，它們是智能感知技術(shù)和自組網(wǎng)技術(shù)。國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“973”計(jì)劃）也于2006年資助了“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)理論及關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目。國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）于2006年開始在信息技術(shù)領(lǐng)域的通信專題下資助了10多項(xiàng)探索導(dǎo)向型項(xiàng)目，研究傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)級技術(shù)。2007年啟動了“傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式芯片設(shè)計(jì)”等目標(biāo)導(dǎo)向型項(xiàng)目，進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。此外，科技部“十一五”國家科技支撐計(jì)劃也部署了相關(guān)應(yīng)用示

14、范項(xiàng)目，以促進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測</p><p>　　總的來說，隨著近年來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究廣泛、深入的開展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用等方面已經(jīng)取得顯著的研究成果，大大促進(jìn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的發(fā)展。在這些研究成果的基礎(chǔ)上，一些商用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)器件和系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)，并開始投入實(shí)際應(yīng)用。雖然，由于在傳感器、組網(wǎng)、節(jié)能、可靠性等技術(shù)方面的限制，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還有待時日，但可以預(yù)

15、見，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的進(jìn)一步深入和各種關(guān)鍵技術(shù)的不斷完善，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將在多個領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[16]。</p><p>　　3.2需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，可能遇到的困難</p><p>　　1)幀格式之間的差異</p><p>　　802.15.4的MAC數(shù)據(jù)幀中采用的地址長度為16位[17]，802.11的MAC數(shù)據(jù)幀中采用的地址為48位[18

16、]。</p><p>　　802.15.4的MAC數(shù)據(jù)幀幀最長不超過127字節(jié)，802.11的MAC數(shù)據(jù)幀幀長最長不超過2346字節(jié)。</p><p>　　在幀之間的格式轉(zhuǎn)換必然涉及到幀的分片，如何分片是需要解決的問題[20]。</p><p>　　2)網(wǎng)絡(luò)性能的度量</p><p>　　選取一個或多個合適的性能指標(biāo)來衡量網(wǎng)絡(luò)情況，這些指標(biāo)

17、是自適應(yīng)算法做決策的依據(jù)</p><p>　　3)自適應(yīng)算法的設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)一個合適的自適應(yīng)算法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)來動態(tài)調(diào)整分片粒度，從而使兩個網(wǎng)絡(luò)之間高效傳輸數(shù)據(jù)是本課題的最終目的。</p><p><b>　　數(shù)據(jù)幀格式詳解</b></p><p>　　802.11數(shù)據(jù)幀格式</p>

18、<p>　　802.11數(shù)據(jù)幀格式如下[18]：</p><p><b>　　幀控制字段</b></p><p>　　它本身有11個子字段，負(fù)責(zé)幀的各項(xiàng)控制。幀控制字段格式如下：</p><p>　　協(xié)議版本字段：正是有了這個字段，將來可以在同一個蜂窩內(nèi)同時運(yùn)行協(xié)議的不同版本。</p><p>　　類型字段：比

19、如數(shù)據(jù)幀、控制幀或者管理幀</p><p>　　去往DS和來自DS字段：分別標(biāo)明是發(fā)送到或者來自于與AP連接的網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　更多段字段：意味著后面還有更多的段</p><p>　　重傳字段：標(biāo)明這是以前發(fā)送的某一幀的重傳。</p><p>　　電源管理字段：指明發(fā)送方進(jìn)入節(jié)能模式。</p><p>　　更

20、多數(shù)據(jù)字段：表明發(fā)送方還有更多幀需要發(fā)送給接收方</p><p>　　受保護(hù)的字段：指明該幀的幀體已經(jīng)被加密</p><p>　　順序標(biāo)字段：告訴接收方高層希望嚴(yán)格按照順序來處理幀序列</p><p><b>　　持續(xù)時間字段</b></p><p>　　它通告本幀和其確認(rèn)幀將會占用信道多長時間，按微秒計(jì)時。該字段會出現(xiàn)

21、在所有幀中，包括控制幀，其他站使用該字段來管理各自的NAV機(jī)制。</p><p><b>　　地址字段</b></p><p>　　發(fā)往AP或者從AP接收的幀都具有3個地址，這些地址都是標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802格式。第一個地址是接收方地址，第二個地址是發(fā)送方地址。很顯然，這兩個地址是必不可少的，那么第三個地址是做什么用的呢？請記住，當(dāng)幀在一個客戶端和網(wǎng)絡(luò)中另一點(diǎn)之間傳輸

22、時，AP只是一個簡單的中繼點(diǎn)。這網(wǎng)絡(luò)中的另一點(diǎn)也許是一個遠(yuǎn)程客戶端，或許是Internet接入點(diǎn)。第三個地址就指明了這個遠(yuǎn)程端點(diǎn)。</p><p><b>　　序號字段</b></p><p>　　序號字段就是幀的編號，可用于重復(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)字遞增。數(shù)據(jù)字段包含了有效載荷，其長度可以達(dá)到2312字節(jié)。

23、</p><p><b>　　FCS字段</b></p><p>　　FCS字段是對MAC幀頭和有效載荷計(jì)算得到的16位ITU-T CRC序列。</p><p>　　802.15.4數(shù)據(jù)幀格式</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 Fo

24、oter,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(yàn)序列(FCS)。MAC幀格式如下[17]：</p><p><b>　　幀控制字段</b></p><p>　　幀控制字段的長度為16位，共分為9個子字段。幀控制字段格式如下：</p><p>　　幀類型字段占3位（

25、b2b1b0）:000表示信標(biāo)幀，001表示數(shù)據(jù)幀，010表示確認(rèn)幀，011表示MAC命令幀，其他取值預(yù)留。</p><p>　　安全使能字段占1位：0表示MAC層沒有對該幀做加密處理；1表示該幀使用了MAC PIB中的密鑰進(jìn)行保護(hù)。</p><p>　　數(shù)據(jù)待傳字段占1位：1表示在當(dāng)前幀之后，發(fā)送設(shè)備還有數(shù)據(jù)要傳送給該接收設(shè)備，接收設(shè)備需要再發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令來索取數(shù)據(jù)；0表示發(fā)送數(shù)據(jù)幀的

26、設(shè)備沒有更多的數(shù)據(jù)要傳送給接收設(shè)備。在信標(biāo)關(guān)閉的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>　　確認(rèn)請求字段占1位：1表示接收設(shè)備在接收到該數(shù)據(jù)幀或命令幀后，如果判斷其為有效幀就要向發(fā)送設(shè)備反饋一個確認(rèn)幀；0表示接收設(shè)備不需要反饋確認(rèn)幀。</p><p>　　網(wǎng)內(nèi)/網(wǎng)際字段占1位，

27、表示該數(shù)據(jù)幀是否在同一個PAN內(nèi)傳輸。如果該指示位為1且存在源地址和目的地址，則MAC幀中將不含源PAN標(biāo)識碼字段；如果該指示位為0且存在源地址和目的地址，則MAC幀中將包含PAN標(biāo)志碼和目的PAN標(biāo)志碼。</p><p>　　目的地址模式字段占2位（b11b12）: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(kuò)展地址。如果目的地址模式為0且?guī)愋陀蛑?/p>

28、示該幀不是確認(rèn)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>　　源地址模式字段占2位（b15b14）: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(kuò)展地址。如果源地址模式為0且?guī)愋陀蛑甘驹搸皇谴_認(rèn)幀，則目的地址模式應(yīng)非零，暗指該幀是由與目的地址PAN標(biāo)識碼一致的PAN協(xié)調(diào)器發(fā)

29、出的。</p><p><b>　　幀序號字段</b></p><p>　　序號是MAC層為每幀指定的唯一順序標(biāo)識碼，幀序號字段的長度是8位。</p><p>　　數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀或MAC命令幀的序號是數(shù)據(jù)序號（DSN），DSN用于確認(rèn)幀和數(shù)據(jù)幀或命令幀的匹配。一個設(shè)備不管和幾個設(shè)備通信，它都只支持一個DSN。每個設(shè)備的DSN是存在MAC PIB

30、屬性macDSN中的，macDSN的初始值為一個隨機(jī)數(shù)。構(gòu)造數(shù)據(jù)幀或命令幀時，設(shè)備把macDSN值復(fù)制到幀序號字段，并把macDSN值加1。</p><p>　　目的PAN標(biāo)識碼字段</p><p>　　目的地址是幀的期望接收設(shè)備的地址。只有幀控制字段中目的地址模式非0是，幀結(jié)構(gòu)中才存在目的地址字段。不同的目的地址模式?jīng)Q定了目的地址字段的長度為16位或64位。</p><

31、;p><b>　　源PAN標(biāo)識碼字段</b></p><p>　　源PAN標(biāo)識碼字段長度是16位，它指定了幀發(fā)送設(shè)備的PAN標(biāo)識碼。只有當(dāng)幀控制字段中源地址模式值不為0并且網(wǎng)內(nèi)/網(wǎng)際指示位等于0時，幀結(jié)構(gòu)中才包含有源PAN標(biāo)識碼字段。一個設(shè)備的PAN標(biāo)識碼是初始關(guān)聯(lián)到PAN時獲得的，但是在解決PAN標(biāo)識碼沖突時可能會改變。</p><p><b>　　

32、源地址字段</b></p><p>　　源地址是幀發(fā)送設(shè)備的地址。只有幀控制字段中源地址模式值非0時，幀結(jié)構(gòu)中才存在源地址字段。不同的源地址字段決定了目的地址字段的長度為16位或64位。</p><p><b>　　幀有效載荷字段</b></p><p>　　有效載荷字段的長度是可變的，根據(jù)幀類型的不同而不同。如果幀控制字段中的安全

33、使能位為1，則有效載荷部分是受到安全機(jī)制保護(hù)的數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　FCS字段</b></p><p>　　FCS字段是對MAC幀頭和有效載荷計(jì)算得到的16位ITU-T CRC序列。</p><p><b>　　總結(jié)與展望</b></p><p>　　根據(jù)802.15.4的協(xié)議，MAC

34、幀最長為127字節(jié)，其數(shù)據(jù)部分最多為112字節(jié)，802.11協(xié)議規(guī)定MAC數(shù)據(jù)部分最長可達(dá)2312字節(jié)，這就涉及到802.11在轉(zhuǎn)換成802.15.4時數(shù)據(jù)部分的分片，以及802.15.4轉(zhuǎn)換成802.11時數(shù)據(jù)部分是否進(jìn)行合并。</p><p>　　最簡單的幀轉(zhuǎn)換算法就是將802.11的數(shù)據(jù)部分按照每100字節(jié)進(jìn)行分段[20]，然后加上802.15.4的包頭和包尾。這就完成了802.11到802.15.4數(shù)據(jù)幀

35、的轉(zhuǎn)換。802.15.4到802.11則更加簡單，直接提取802.15.4幀的數(shù)據(jù)部分加上802.11的包頭和包尾即可。</p><p>　　但是如何根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況來對幀長做自適應(yīng)的調(diào)整是本課題的一個重要目標(biāo)。這還在研究中。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　劉乃安.無線局域網(wǎng)(WLAN)-原理、技術(shù)與應(yīng)用[M]

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