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        橋梁信息無線傳感網(wǎng)的通信糾錯技術(shù)研究

        2023-06-11 07:32:30翟喜和
        交通科技與管理 2023年10期
        關(guān)鍵詞:技術(shù)研究

        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(shù),以及案例系統(tǒng)所應(yīng)用的基于群ACK技術(shù)的CRC-16通信糾錯技術(shù)。實驗比較顯示,相比直接檢錯丟包,CRC-16通信糾錯技術(shù)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(guān)鍵詞 橋梁信息;無線傳感網(wǎng);通信糾錯;技術(shù)研究

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

        0 引言

        無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)是將一定數(shù)量的微型無線感受器部署在檢測目標(biāo)周圍,通過無線通信構(gòu)成一個拓?fù)淇勺兊男畔⒆越M織網(wǎng)絡(luò),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(yīng)用技術(shù)。將該技術(shù)應(yīng)用于橋梁健康狀態(tài)監(jiān)測,有效彌補了有線監(jiān)測技術(shù)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(luò)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(shù)的CRC-16通信糾錯技術(shù),提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。該文將重點結(jié)合某工程案例,研究分析通信糾錯技術(shù),旨在為橋梁信息無線傳感通信應(yīng)用提供技術(shù)參考。

        1 糾錯控制的必要性

        泰州大橋結(jié)構(gòu)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(zhǔn)確及時地給出預(yù)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(shù)簡介

        編碼是糾錯控制技術(shù)的核心,其基礎(chǔ)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(chǔ)上,按照一定的關(guān)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(gòu)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(shù)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(zhǔn)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(fù)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(fù)雜,所以對編解碼系統(tǒng)的要求比較高,功耗當(dāng)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(rèn)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(zhǔn)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(chǔ)上,結(jié)合兩者的優(yōu)缺點,適應(yīng)環(huán)境的組合模式。當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(shù)

        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(fù)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(zhǔn)確。編解碼采用CRCITT標(biāo)準(zhǔn),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(fù)載。

        CRC-16通信技術(shù)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(chǔ)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(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)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?zhǔn)確性要求很高,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(fù)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(rèn)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(rèn)信息。在一定時間內(nèi)如果沒有收到確認(rèn)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(dāng)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(shù)優(yōu)勢。當(dāng)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(rèn)回復(fù)。傳輸完成后發(fā)出結(jié)束信息,再等待來自基站的確認(rèn)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(jié)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(zhǔn)備。緩沖區(qū)釋放設(shè)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(dāng)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(jié)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(yīng)增加,糾錯控制的難度也會對應(yīng)增加。要維持相應(yīng)的正確率,系統(tǒng)的能量消耗必然相應(yīng)增加。其間通信的往復(fù)率也會對應(yīng)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(fù)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(zhǔn)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(yù)警的基礎(chǔ)。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(dāng)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(shè)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?;谌篈CK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(jié)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(dāng)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(shè)備的丟包率相應(yīng)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(dāng)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(jié)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(dǎo)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(guān)。

        5 結(jié)語

        該文主要研究了橋梁工程無線通信中的糾錯控制技術(shù),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(shù)以及案例所應(yīng)用的基于群ACK輪詢技術(shù)的CRC-16通信糾錯技術(shù)。通過錯誤檢測及丟包處理功效比較,結(jié)果顯示該技術(shù)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(luò)差錯控制技術(shù)研究[D]. 南京:南京理工大學(xué), 2008.

        [2]聶秋玉. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中差錯控制和拓?fù)淇刂萍夹g(shù)研究[D]. 合肥:合肥工業(yè)大學(xué), 2006.

        [3]吉林, 丁華平, 沈慶宏. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[J]. 南京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2011(1): 19-24.

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