无线低功耗网络中基于估错码的包长控制算法研究

1、 玉线 低 功 赶 圆 终 生 基 王 鱼垡 盟的 狢 一 狾 猟 比照堕猄一 功 耗 閄 蚅 的发 送 和接收 数据包 的过程 ，对 射 频 能 耗 与数据包 墓叵 到 薪 ！ 莘 治 鼋峁 湍 吞 岢 隽 艘 恢只 贛 层 估 错码 的包长 控制 算 法 。 与现 有的动 态 包 长 控制 算 法 相 比 ，该 算 法 充 分 考虑 了 低 功 耗协议 的影 响 ，且算 法 的收 敛 时间 更 短 、 能 耗 效 率 更 高。 甊 琣 第 孪 喙毓 鳌 图 目录图 狹 协议 中 数据发 送 和接收 过程 图 图 表 模 型推 导过程 中 的符号 定 义 一 表 中 符号 与伪 随机噪 声

2、序列 的映 射 关系表 中 合 法 伪 随机噪 声 序列 之 间的海 明距 离 表 物 理 层 数据符号 错误概率 一 。 毫 无疑 问 ，互 联 网 的快 速 发 展，将人 类 带 入了 一 个 產 畂 表 常 用 传感 器 节点 的参 数处 理 器射 频 图 节点 操 作系统与嵌 入式 操 作系统的对 比 【 事 件 驱动主 动 消 息 研 究 内 容 热 恕 提出 了 一 种 基 于 实 际 网 络 传输 ，该 方 案可 以 根 低 功 耗 网 络 中 实 现 了 最 近由 等 人 提出 的估 错码 【 】 算 法 ，该 算 法 可 以 ，避 免 了 节点 直接测量收 理 层 的估 错码

3、 和直接序列 扩 频 技 术 对 辛 私 徊嚼 梗 岣 吡 薖 的性能 和能 耗 效率 。足 ，比 现 有的动 态 包 长 控制 算 法 更 适 合 于 无线 低 功 耗 网 络 。 文 章 结 构应 技 术 ，并 说 明了 本 文 的研 究 内 容、 意 义 和创新点 ，最 后 简 要 展示 了 本 文 的组织 本 章 小 结 差错控制 码 ，需 要 在原 始 数据中 包 含足 够 多 的冗 。 海 明码 是 线 性纠 错码 等 人 闟 上提出 了 一 种 全 新的编码 方 式 一 一 最 佳 论文 奖。 估 错码 用 来 估 计 数据包 中 的误码 量，接收 端可 以 直接通 过估 错码

4、对 立 作任 何假设 ，即 误码 的分 布或 相 关 情况 不 会对 该 算 法 的估 计 精 度 产 生 任 何影 痝 以 最 大速 率 发 送 数据包 ，可 以 比 纠 错码 快 到 丁 。多 的资源开 销。并 指出 使用 竞 争 概要 通 过通 信 复 杂 度 的下 界 验证了 这 一 最 优 解 。 另 外 ，他 们 提出 了 一 种 增 强型的估 错 长 度 ， ，该 算 法 可 以 在相 同开 销 下 比 原 始 的估 错码 算 法 多 包 含 传统网 络 中 的包 长 控制 算 法 甋 热 薣 】 在移 动 通 信 网 络 中 通 过 信 道衰 减 模 型研 究 了 数载 衙的长

5、 度 ，该 方 案只适 合 于 低 速 的手机射 频 信 道。 甋 等 人 【 】 研 究 了 促 发 相 关 性错误的信 道性能 ，提出 了 一 种概率 和信 道状 况 对 性能 的影 响 ，提出 了 一 种 最 大化 等 人 研 宄了 数据包 大小 对 无线 实 时应 用 中 丢 包 率 和延 时的影 优 化 网 络 的吞 吐量。 他 们 设 计 的优 化 算 法 用 于 之 间 ，通 过信 噪 比 等 因 素的分 析 提高网 络 系统的吞 吐量。 络 的吞 吐量。可 见，传统无线 网 络 中 对 包 长 自 适 应 机制 的研 究 已经 有很多 ，大部 分 现 有的包 长 自 适 应 工

6、 作为 了 提高网 络 的吞 吐量。 但 是 ，传统无线 网 络 中 的包 长 自 适 应 方案并 不 适 合 于 无线 低 功 耗 网 络 。 首先，无线 低 功 耗 网 络 中 节点 的资源非 常 有限，传统的方 案并 没 有考虑 到 资源有限的节点 中 自 适 应 包 长 的信 道状 况 等 因 素的实现 方 案；其次，对 于 低 功 耗 网 络 ，能 耗 是 首要 考虑 的优 化 因 素，而 传统无线 网 络中 的方 案并 没 有考虑 到 能 耗 优 化 的问 题 。 传感 网 络 中 的包 长 控制 算 法 热 薣 】 在人 体 传感 网 络 中 提出 了 一 种 包 长 优 化 方

7、 案来 等 人 【 】 根据瞬时频 谱 使用 情况 研 究 了 射 频资源的自 适 应 技 术 。 在该 研 究 方 案使 用 了 一 种 描述 频 谱 使用 情况 的指标 来 确定 数据包 大小 和优 化 纠 错 概述码的可 容错实 时视频 流 的应 用 。 等 人 甑 腟 上提出 了 一 种 全 新的概念和编码 。 该 方 案中 ，数据包 接收 端不 需 要 纠 正 数据包 中 的误码 就可 以 估 计 整 个 数据包 中 误码 所占的比 例 ，即 误码 率算 复 杂 度 来 估 计 数据包 的误码 率 ，冗余 开 销 和计 算 开 销 都比 传统的纠 错码 小 ，且对 误码 率 的检 测

8、可 以 比 检错码 更 为 灵 活 ，如 检测误码 率 是 否 超 过某 一 临界 值等 。估 错码 算 法 可 以 高效 地估 计 数据包 中 的误码 率 ，而 误码 率 是 部 分 正 确的数据包 中 最 重要 的信 息。 估 错码 算 法 从 位 数据中 随机选 择 位 数据：计 算 位 数据的一 位 校 验位 作为 一 位 估 错码 ； 駄从 行位 数据中 随机选 择 籰 位 数据；将实 际 的估 错码屯 和接收 到的估 错码心。 交给误码率 估 计 算 法 处理 ； 误码 率 估 计 算 法 算 法 估 错码 的误码 率 估 计 算 法 码前使 用 虚拟 填充 技 术 进 一 步 消

9、 除 ，关 于 虚 拟 填充 技 术 的详 细目前为 止 ，我 们 给 出 了 估 错码 算 法 的编解 码 和误码 率 估 计 过程 以 及 估 错码 算法 的理 论精 度 。 这 里 ，我 们 将给 出 估 错码 算 法 中 关 键参 数的选 择以 及 误码 率 估 计算 法 的改 进 ，进 一 步 提高估 错码 算 法 的适 用 性和精 度 。 参 数选 择的改 进 证对 于 印 ， 】 ，总 是存在某 一 层 埂 ， 处于 范围 珻 中。为 了 达到估 错码算 法 的目标 ，首先要 设 置 合 理 的 海 杂谌 我 獾 腜 ，保证对 任 意 的 ，有矽 恚 簑， 。玎 其中，是满 足矿

10、 琾 淖 畲蟮膇 值 骸 眏一 。囡 此，对 于 不 同的应 用 ，需 要 根据其误码 率 的统计 范围和二 项 分 布的奇数项 估 计 算 法 的改 进比 例 胛舐 肼 蔖的关 系如 下 ： 鱼垫 号堡 二 趔的分 布与 ， 严格 接近。步 可 以 通 过求 解 公 式 和公 式 来 更 好 地估 计 数据的误码 率 ： 估 错码 的实 现 的编程 模 型；之 后 ，我 们 将介 绍 如 何在传感 器 节点 中 实 现 估 错码 算 法 。的检 索表 明有 n南滋岬 搅 薚 低 常 鳦 的检 索结 果 只有 畑 ，使用 的编程 语 言 是 。 口 是 由 峁模 珺 涌 谑怯 蒑 提供 的。

11、代 码 的复 用 性，而 且基 于 组件 的代 码 更 容易 移 植到 不 同的硬 件 平 台上。 和 。 为 了 在节点 发 送 数据前对 数据进 行估 错码 编码 ，以 及 在接收 到 数据后 对 数据包 进 行估 错分 析 ，我 们 将为 上层 应 用 定 义 两 甿 ， 痬 ， ： ； ； ，图 估 错码 的接口 定 义 接口 的实 现我 们 将数据包 的载 荷 分 为 三部 分 ：随机数种 子 、 数据载 荷 和估 错码 ，即 部 分 需 要 进 行位 置 随机化 。 我 们 将编码 算 上一 眦 将 接收 到 数据包 后 通 过触 发 事 件 处 理 数据包 接口通 过 指 畉 数

12、据位 的位 置 接收 到 数据 ， 痯 实 验的平 台是 节点 和 估 错码 层为 了 说 明估 错码 的高效 性，我 们 进 一 步 将估 错码 的时间 开 销 与节点 中 实 现 的比 较的操 作 第 禄 贛 层 估 错码 的包 长 控制 算 法包 率 ， ；而 数据包 载 荷 长 度 较小 时，可 以 降 低 数据包 的 ，该 方 案可 以 根据环 境自 适 应 ：幽 甅 协议 中 数据发 送 和接收 过程 第 禄 贛 层 估 错码 的包 长 控制 算 法个 周期内 的唤 醒 时间，砀 表 示 两 次唤 醒 之 间的间隔 ， 表 示 发 送 端发 送 一 个 数 第 禄 贛 层 估 错码

13、 的包 长 控制 算 法 挠行 萋剩 琑 。 表 示 节点 聍从 薪 邮帐 莅 乃俾 剩 病 硎窘 诘 鉹 向使节点 的能 耗 效 率 最 优 。 、 、 、 虢 ：图 数据收 集 网 络 的模 型 第 禄 贛 层 估 错码 的包 长 控制 算 法乙， ， 撸 襒 协议 的参 数，如 图 节点 挠行 萋剩 诘 鉩 所有子 节点 的数据节点 玎 的发 包 速 率 莅 因 此，本 文 的优 化 目标 是 计 算 数据包 长 度 闹担 钚 诘 愕 哪 芎 男 蔇 。工 的关系模 型。为 了 研 究 数据包 长 对 能 耗 效 率 的影 响 ，需 要 进 步 考虑 数据包 长 对 计 算 。 和 第

14、禄 贛 层 估 错码 的包 长 控制 算 法这 里， 一 一 啤 甠 一 乙儿。值得 一 提的是，由于 狹 的唤 醒包 长度是固定 的【 俊 虼 耍琍肷 。 ，与数据包 大小是 相互 独 立 的。公 式 第 禄 贛 层 估 错码 的包 长 控制 算 法 常 痶 据包 的概率 。 疘 瓦 ， 撸 用 层 和 阒 洌 诹街 值凸 腗 协议 的能 耗 模 型之 上，通 过误 第 禄 贛 层 估 错码 的包 长 控制 算 法 第 禄 贛 层 估 错码 的包 长 控制 算 法 一 瓦 获 乇 字节。，、【 第 禄 贛 层 估 错码 的包 长 控制 算 法 第 禄 贛 层 估 错码 的包 长 控制 算 法

15、 性能 评估本 文 使用 误码 率 来 预 测不 同数据包 长 时的收 包 率 ，因 此，误码 率 的误差会定 为 褂米 畲笏 迫 还 兰 琈 算 法 的精 度 为 。 假设 数据包 的实 际 误码 率 为 趇 次估 计 的误 塑垩查兰 堡 主 兰 堡 笙 茎卤籌辭嘭山图 预 测收 包 率 的绝 对 误差 第 禄 贛 层 估 错码 的包 长 控制 算 法、 一 一 图 能 耗 效 率 评估 实 验的网 络 拓扑议 的默 认 参 数，如 表 所示 ，我 们 将改 变其中 一 个 参 数，固 定 其它参 数，以 研 第 禄 贛 层 估 错码 的包 长 控制 算 法表 能 耗 效 率 评估 实 验的

16、默 认 参 数动 态 变化 的。的能 耗 效 率 都比 低 ，降 低 了 约 的射 频 占空 比 。 第 禄 贛 层 估 错码 的包 长 控制 算 法化 表 现 与此类 似，在此不 作赘 述 。 更 优 。图 甅 中 能 耗 效 率 的优 化 效 果 比 较 图 得 髁 宋 舐 肼 实 谋 浠 矢 鬚 的优 化 效 率 的影 响 ，其中 横 轴 表 示 误 第 禄 贛 层 估 错码 的包 长 控制 算 法图 诺 乐 蠵 比 的性能 优 化 状 况 本 章 小结控制 方 案；最 后 ，对 以 上提出 的包 长 控制 方 案进 行了 性能 评估 。 本 章 的主 要 贡献是 ： 訶 蚅 两 种 代

17、 表 性的低 功 耗 榈 哪 芎 男 射 频 占一 步 提出 了 一 种 基 于 愎 来 砺 氲陌 刂 扑 惴 灰 籔 ，可 以 快 速 地自 适 实 际 上，在 序列 【 引 】 。 对 于 发 送 如 果 通 过软件 或 硬 件 的方 式 将估 错码 算 法 实 现 在物 理 层 协议 中 ，即 在数据采用 技 术 扩 频 之 后 再使 用 估 错码 进 行编码 ，可 以 进 一 步 提高估 错码 的估 计 精度 和数据包 接收 率 的预 测准 确度 。 为 了 说 明物 理 层 估 错码 技 术 可 以 进 一 步 提高无线 低 功 耗 网 络 的能 耗 效 率 ，我 们 在本 章 中

18、提出 了 一 种 基 于 物 理 层 估 错码 的包 长 控书 算 法 。 该 算 法 可 以 在物 理 层 直接序列 扩 频 技 术 之 后 采 用 估 错码 估 计 数据序列 中的误码 率 ，建 立 更 为 准 确的收 包 率 估 计 模 型，进 而 提高包 长 控制 算 法 的能 耗 优 化效率 。 直接序列 扩频机制 表 畉 与接收 序列 的海 明距 离 发 送 的数据流 为 此，我 们 进 一 步 研 究 中 个 合 法 序列 之 问 的海 明距 离 ，如 表 所示 ，该 表 说 明了 任 意 一 个 合 法 的 序列 与其它合 法 序列 之 间 的海 明距 氲鼻癙 蛄 械 暮 骶嗬胛 暮 戏 蛄 杏 个