翟喜和

摘要 文章介紹了橋梁信息無線傳感網(wǎng)概念，分析了無線傳感網(wǎng)糾錯控制的必要性，介紹了橋梁信息無線傳感網(wǎng)的通信糾錯技術，以及案例系統(tǒng)所應用的基于群ACK技術的CRC-16通信糾錯技術。實驗比較顯示，相比直接檢錯丟包，CRC-16通信糾錯技術對提高無線傳感網(wǎng)通信數(shù)據(jù)的可靠性有一定效果。

關鍵詞 橋梁信息；無線傳感網(wǎng)；通信糾錯；技術研究

中圖分類號 TN929.5文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）10-0010-03

0 引言

無線傳感網(wǎng)絡（WSN）是將一定數(shù)量的微型無線感受器部署在檢測目標周圍，通過無線通信構成一個拓撲可變的信息自組織網(wǎng)絡，據(jù)此收集各個傳感器節(jié)點的工程信息，經(jīng)處理后以無線傳送的方式發(fā)送給觀測者的工程信息拾取和應用技術。將該技術應用于橋梁健康狀態(tài)監(jiān)測，有效彌補了有線監(jiān)測技術的工程造價高、系統(tǒng)維護難等問題。某跨江公路鋼箱梁Ｈ塔懸索橋，長2 160 m，采用無線傳感網(wǎng)絡進行橋梁健康信息監(jiān)測，與有線通信相比，無線通信傳輸過程中的不確定因素更多，諸如空間遮擋、節(jié)點運動、信息碰撞、相鄰或相同頻段噪聲影響等等，均可能造成信號快速衰落或干擾，從而造成接收錯誤。為克服這一不足，該系統(tǒng)采取了基于群ACK技術的CRC-16通信糾錯技術，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。該文將重點結合某工程案例，研究分析通信糾錯技術，旨在為橋梁信息無線傳感通信應用提供技術參考。

1 糾錯控制的必要性

泰州大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個橋梁狀態(tài)信息實時監(jiān)測平臺，在接收需要信息后，能及時進行信息處理，例如光譜分析、能譜分析等，準確及時地給出預警。信息分析處理必須保證所提供的信息數(shù)據(jù)的一致性，但是案例中工程地址環(huán)境惡劣，存在諸多不確定因素。此外，無線傳感器節(jié)點和基站之間的通信距離約為1 300 m，盡管射頻放大器配置滿足該距離要求，但通信距離越長，傳輸?shù)牟淮_定影響因素就越多，采用糾錯控制系統(tǒng)加強和保證通信的有效性和可靠性非常必要。

2 糾錯控制技術簡介

編碼是糾錯控制技術的核心，其基礎是計算獲取待發(fā)送信息的碼元序列，在相互獨立的碼元序列基礎上，按照一定的關聯(lián)性或規(guī)律性生成校驗碼，接收器根據(jù)相同的規(guī)則進行計算，并將其與所接收的校驗碼進行比較，如果不同，則傳輸?shù)男畔⒋a元存在錯誤。此方法一般將若干冗余碼元稱為監(jiān)督碼，按照一定的規(guī)則插入到原信息碼序列中，構成全新的碼元序列。糾錯控制編碼往往可以將誤碼率降低若干個數(shù)量級，但是引入監(jiān)督碼元會影響信息通信效率。數(shù)據(jù)通信中經(jīng)常使用的糾錯控制技術有3種。

2.1 前端糾錯（FEC）模式

前端糾錯（FEC）模式的通信系統(tǒng)見圖1。信源發(fā)生二進制信息碼，糾錯碼編碼器按照一定的規(guī)則對其增加冗余，形成具有更高比特率的信息碼。接收端的糾錯碼解碼器通過冗余規(guī)則，測量判別所接收信息碼的準確性，如發(fā)現(xiàn)錯誤所在位置，從而實現(xiàn)前端糾錯功能。

FEC模式的優(yōu)勢是無須重復傳輸。對于接收到的碼元序列，接收端可以檢測，從而實現(xiàn)實時自動糾錯功能。為提高糾錯能力，須附加冗余碼元，其碼元增加量往往占到傳輸碼元量的15%～50%，且糾錯編碼多比較復雜，所以對編解碼系統(tǒng)的要求比較高，功耗當然就比較大。FEC方式一般在低速率、單工通信傳輸中比較常用[1]。

2.2 自動請求重發(fā)（ARQ）模式

自動請求重發(fā)意味著發(fā)送方發(fā)送一個可以檢測錯誤的元碼序列，其編碼方法主要包括：在數(shù)據(jù)包末尾添加校驗碼，接收解碼器根據(jù)規(guī)則和所收到的信息進行解碼和校驗。如果解碼校驗等于數(shù)據(jù)包自帶的校驗，接收數(shù)據(jù)正確，則返回確認無錯信號；否則會發(fā)有錯信號，請求重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

ARQ模式傳輸?shù)拇a元序列僅需要有檢錯碼元，冗余碼元量大大降低。與FEC模式糾錯相比，解碼更簡單，硬件資源需求儉省，但發(fā)送方和接收方都需要配置緩存器來準備數(shù)據(jù)重傳接收，重傳也會在一定程度上帶來通訊延遲問題。

2.3 混合糾錯（HEC）模式

HEC模式是在FEC模式和ARQ模式的基礎上，結合兩者的優(yōu)缺點，適應環(huán)境的組合模式。當信道環(huán)境較好、傳輸錯誤較少時，F(xiàn)EC模式可以實現(xiàn)前端糾錯；當信道干擾比較大且傳輸錯誤較多時，HEC模式改為自動重傳請求。發(fā)射機發(fā)送的是有一定糾錯能力和強檢錯能力的碼，因此信道編碼的額外監(jiān)督碼元并不多。當接收端檢測到數(shù)據(jù)流時，F(xiàn)EC子系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)錯誤時自動糾錯，只有當有很多錯誤超出糾錯能力時，才發(fā)回反饋信息請求重傳，從而大大減少了重傳次數(shù)。

3 CRC-16通信糾錯技術

案例橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的信息發(fā)送方和接收方都具備冗余循環(huán)校驗（CRC）功能，具體見圖2所示。每一次編碼發(fā)送，都要配合一次CRC校驗碼計算。完成了幀頭和負載發(fā)送后，芯片會將計算出的校驗碼附加到傳輸碼元中。接收端每接收一個碼元字節(jié)，也要配合一次CRC校驗碼。接收后，通過比較計算所得校驗值和接收數(shù)據(jù)包自帶的最后2個校驗碼，判別所接收數(shù)據(jù)是否準確。編解碼采用CRCITT標準，校驗計算多項式如下[2]：

CRC-16擁有很強的傳輸檢錯性能，能夠檢測所有的雙錯、單錯和奇數(shù)位錯誤，所有≤16位的傳輸錯誤能夠全部被檢出，17位和18位傳輸錯誤的檢出率也分別可達99.997%和99.998%。圖3顯示的是一個16進制的數(shù)據(jù)包，其中包括幀頭與負載。

CRC-16通信技術集成支持IEEE802.15.4協(xié)議。其在RF230和CRC2420射頻芯片所提供的編解碼性能基礎上，能夠簡單剔除所檢測到的錯誤信息，保證接收數(shù)據(jù)的準確性。另外CRC盡管有很強的檢錯能力，但是對數(shù)據(jù)傳輸中的位移差錯不夠敏感，存在傳輸過程丟失字節(jié)的現(xiàn)象。此錯誤多是發(fā)送端準備檢錯碼序列之前形成的，所以接收端除需要提供CRC檢錯外，還需要具備對MAC幀頭的標志位正確性的驗證能力。

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蜏蚀_性要求很高，這要求檢測系統(tǒng)必須具備較強的識別和處理錯誤數(shù)據(jù)包的能力。

BCH循環(huán)碼見表1所示，k表示實際可以使用的有效數(shù)據(jù)比特數(shù)，t表示可以糾正的錯誤比特數(shù)，n代表數(shù)據(jù)包長度。查表可以看出，如果數(shù)據(jù)包127位，對隨機發(fā)生的10位錯誤進行糾正，那么有效數(shù)據(jù)位則僅有64位，整個數(shù)據(jù)包幾乎一半被冗余糾錯碼所占據(jù)。另外，糾錯碼還需要進行接收解碼，這無疑會增加CPU的負荷。顯示前向糾錯編碼雖然對于信道傳輸中的雙錯和單錯糾錯有效，但是對于硬件資源有限或注重糾正傳輸過程中多位突發(fā)性錯誤的監(jiān)測系統(tǒng)則適用性不足[3]。

其次，1EEE802.15.4協(xié)議確認支持（ACK）機制。發(fā)送一幀數(shù)據(jù)后，發(fā)送方開始等待接收方返回確認信息。在一定時間內(nèi)如果沒有收到確認信息，將重新發(fā)送。雖然這樣做增強了通信數(shù)據(jù)的可靠性，但信道利用率較低。同時考慮到當無線傳感器節(jié)點接收到傳輸信令時，緩沖區(qū)中可能存在多個數(shù)據(jù)包在等待發(fā)送，因此在一個輪詢過程中可能會形成有多個數(shù)據(jù)包同時等待或發(fā)送的情況。但ACK模式對克服上述情況具有技術優(yōu)勢。當無線傳感器節(jié)點接收到基站發(fā)送的輪詢信令時，會檢測緩沖區(qū)中是否存在等待發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果存在，則依次發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。在每次傳輸之后，不需要等待來自基站的確認回復。傳輸完成后發(fā)出結束信息，再等待來自基站的確認信息。

ACK數(shù)據(jù)中包含基站在這次輪詢中接收的所有數(shù)據(jù)包及其計數(shù)，根據(jù)該信息，無線傳感器節(jié)點檢查是否有已經(jīng)發(fā)送但沒有被正確接收的數(shù)據(jù)包。如果存在，將重新發(fā)送，并且發(fā)送完成后仍然會有一個結束信息。ACK要求無線傳感器節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)后，將發(fā)送的數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)中存儲一段時間，以便為再次發(fā)送做準備。緩沖區(qū)釋放設計是在收到新輪詢信號后，將上一輪詢所發(fā)送的緩存數(shù)據(jù)包清空。

基于群ACK模式所改進的通信控制協(xié)議跟簡單輪詢通信協(xié)議的區(qū)別在于，前者由定時器中斷觸發(fā)器控制基站輪詢信息的發(fā)送周期，雖然后者也有超時等待定時器，當定時器觸發(fā)中斷時，也會向下一個節(jié)點輪詢，但更多的時候，是基站根據(jù)所收到的結束信息而啟動輪詢下一個節(jié)點。

4 實驗比較

通信控制就是對信道干擾、能耗、時效、糾錯等因素進行優(yōu)化調(diào)控，實現(xiàn)更優(yōu)化通信狀態(tài)的控制實施過程。隨著信道質(zhì)量的降低和通信干擾的增加，通信過程中出錯的概率相應增加，糾錯控制的難度也會對應增加。要維持相應的正確率，系統(tǒng)的能量消耗必然相應增加。其間通信的往復率也會對應增加，系統(tǒng)通信的實時性就會有所降低。

與簡單的錯誤檢測和丟包處理相比，群ACK機制尋求盡量恢復因為通信干擾、信道衰落等原因?qū)е碌腻e誤包，以增加通信的準確性和可靠性。案例檢測系統(tǒng)是個實時在線的橋梁健康狀態(tài)檢測系統(tǒng)，傳感器實時采集的數(shù)據(jù)是及時預警的基礎。群ACK機制只是追求在有限的時間內(nèi)盡力獲得數(shù)據(jù)，而不追求極限糾錯控制，由于及時獲取當前數(shù)據(jù)比正確獲得過去某個時段或時點數(shù)據(jù)的意義更大，所以群ACK機制更注重時效性與容錯性之間的折中設計。

在實驗中，我們利用1個無線感受器節(jié)點和1個基站，模擬案例大橋狀態(tài)實時監(jiān)測中的數(shù)據(jù)傳輸糾錯控制問題。以最小的發(fā)射功率發(fā)送傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)，同信道的另1個感受器節(jié)點連續(xù)發(fā)送干擾信號。傳感器節(jié)點加入不同的衰減器，其他條件保持不變。基于群ACK輪詢通信機制、簡單的錯誤檢測和丟包處理模式，比較各種狀態(tài)下基站接收數(shù)據(jù)的完整性。試驗結果具體見圖4所示。

丟包率曲線比較顯示，在相同的信道環(huán)境、發(fā)射功率、干擾狀態(tài)以及相同衰減器下，群ACK的輪詢傳輸機制與簡單的檢錯和丟包處理相比，提高了傳感器數(shù)據(jù)的丟包率。當衰減比較小時，兩者的丟包率都較低，特別是使用群ACK機制，丟包率幾乎可以保持為零。隨著衰減的增加，兩種設備的丟包率相應增加，但是相比直接檢錯丟包，群ACK的性能還是存在明顯提升。當衰減較大時，群ACK的改善功效減弱。

通過檢查由傳感器節(jié)點接收的數(shù)據(jù)的完整性，基站計算由節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包中未被正確接收的比例。這里的丟包率是傳感器數(shù)據(jù)包的丟包率，而不是節(jié)點發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包，所以不包括結束信息。此丟包率也可能是因為節(jié)點長時間沒有收到輪詢信號，緩存中的數(shù)據(jù)被蓋覆導致的，因此丟包率也與節(jié)點靈敏度和基站發(fā)射功率相關。

5 結語

該文主要研究了橋梁工程無線通信中的糾錯控制技術，闡述了糾錯控制的必要性，介紹了3種采用的糾錯控制技術以及案例所應用的基于群ACK輪詢技術的CRC-16通信糾錯技術。通過錯誤檢測及丟包處理功效比較，結果顯示該技術可以有效提高無線數(shù)據(jù)通信的可靠性。

參考文獻

[1]徐其飛. 無線傳感器網(wǎng)絡差錯控制技術研究[D]. 南京：南京理工大學， 2008.

[2]聶秋玉. 無線傳感器網(wǎng)絡中差錯控制和拓撲控制技術研究[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學， 2006.

[3]吉林， 丁華平， 沈慶宏. 基于無線傳感器網(wǎng)絡的橋梁結構健康監(jiān)測[J]. 南京大學學報（自然科學版）， 2011（1）： 19-24.