橋梁信息無線傳感網的通信糾錯技術研究

翟喜和

摘要 文章介紹了橋梁信息無線傳感網概念，分析了無線傳感網糾錯控制的必要性，介紹了橋梁信息無線傳感網的通信糾錯技術，以及案例系統所應用的基于群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通信數據的可靠性有一定效果。

關鍵詞 橋梁信息；無線傳感網；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

無線傳感網絡（WSN）是將一定數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絡，據此收集各個傳感器節點的工程信息，經處理后以無線傳送的方式發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監測，有效彌補了有線監測技術的工程造價高、系統維護難等問題。某跨江公路鋼箱梁Ｈ塔懸索橋，長2 160 m，采用無線傳感網絡進行橋梁健康信息監測，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，該系統采取了基于群ACK技術的CRC-16通信糾錯技術，提高監測數據的完整性和可靠性。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測系統是一個橋梁狀態信息實時監測平臺，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據的一致性，但是案例中工程地址環境惡劣，存在諸多不確定因素。此外，無線傳感器節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，傳輸的不確定影響因素就越多，采用糾錯控制系統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，按照一定的關聯性或規律性生成校驗碼，接收器根據相同的規則進行計算，并將其與所接收的校驗碼進行比較，如果不同，則傳輸的信息碼元存在錯誤。此方法一般將若干冗余碼元稱為監督碼，按照一定的規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量級，但是引入監督碼元會影響信息通信效率。數據通信中經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）模式的通信系統見圖1。信源發生二進制信息碼，糾錯碼編碼器按照一定的規則對其增加冗余，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則，測量判別所接收信息碼的準確性，如發現錯誤所在位置，從而實現前端糾錯功能。

FEC模式的優勢是無須重復傳輸。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（ARQ）模式

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

ARQ模式傳輸的碼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，但發送方和接收方都需要配置緩存器來準備數據重傳接收，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，結合兩者的優缺點，適應環境的組合模式。當信道環境較好、傳輸錯誤較少時，FEC模式可以實現前端糾錯；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。發射機發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督碼元并不多。當接收端檢測到數據流時，FEC子系統在發現錯誤時自動糾錯，只有當有很多錯誤超出糾錯能力時，才發回反饋信息請求重傳，從而大大減少了重傳次數。

3 CRC-16通信糾錯技術

案例橋梁健康監測系統的信息發送方和接收方都具備冗余循環校驗（CRC）功能，具體見圖2所示。每一次編碼發送，都要配合一次CRC校驗碼計算。完成了幀頭和負載發送后，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，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據包自帶的最后2個校驗碼，判別所接收數據是否準確。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進制的數據包，其中包括幀頭與負載。

CRC-16通信技術集成支持IEEE802.15.4協議。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，保證接收數據的準確性。另外CRC盡管有很強的檢錯能力，但是對數據傳輸中的位移差錯不夠敏感，存在傳輸過程丟失字節的現象。此錯誤多是發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。

橋梁健康監測系統對數據傳輸的完整性和準確性要求很高，這要求檢測系統必須具備較強的識別和處理錯誤數據包的能力。

BCH循環碼見表1所示，k表示實際可以使用的有效數據比特數，t表示可以糾正的錯誤比特數，n代表數據包長度。查表可以看出，如果數據包127位，對隨機發生的10位錯誤進行糾正，那么有效數據位則僅有64位，整個數據包幾乎一半被冗余糾錯碼所占據。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性錯誤的監測系統則適用性不足[3]。

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

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

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

4 實驗比較

通信控制就是對信道干擾、能耗、時效、糾錯等因素進行優化調控，實現更優化通信狀態的控制實施過程。隨著信道質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、信道衰落等原因導致的錯誤包，以增加通信的準確性和可靠性。案例檢測系統是個實時在線的橋梁健康狀態檢測系統，傳感器實時采集的數據是及時預警的基礎。群ACK機制只是追求在有限的時間內盡力獲得數據，而不追求極限糾錯控制，由于及時獲取當前數據比正確獲得過去某個時段或時點數據的意義更大，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個無線感受器節點和1個基站，模擬案例大橋狀態實時監測中的數據傳輸糾錯控制問題。以最小的發射功率發送傳感器節點數據，同信道的另1個感受器節點連續發送干擾信號。傳感器節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，比較各種狀態下基站接收數據的完整性。試驗結果具體見圖4所示。

丟包率曲線比較顯示，在相同的信道環境、發射功率、干擾狀態以及相同衰減器下，群ACK的輪詢傳輸機制與簡單的檢錯和丟包處理相比，提高了傳感器數據的丟包率。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點接收的數據的完整性，基站計算由節點發送的數據包中未被正確接收的比例。這里的丟包率是傳感器數據包的丟包率，而不是節點發送的所有數據包，所以不包括結束信息。此丟包率也可能是因為節點長時間沒有收到輪詢信號，緩存中的數據被蓋覆導致的，因此丟包率也與節點靈敏度和基站發射功率相關。

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據通信的可靠性。

參考文獻

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

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

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