差錯(cuò)控制系統(tǒng)的研究與仿真-畢業(yè)設(shè)計(jì)

差錯(cuò)控制系統(tǒng)的研究與仿真-畢業(yè)設(shè)計(jì)差錯(cuò)控制系統(tǒng)的研究與仿真摘要本文基于能效的角度，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了深入的學(xué)習(xí)和研究，全面的分析了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的差錯(cuò)控制系統(tǒng)，結(jié)合能效定義模型分析出了前向糾錯(cuò)（FEC）、自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求重傳（ARQ）和混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳(HARQ)三種差錯(cuò)控制的能效計(jì)算模型，對(duì)這三種差錯(cuò)控制方案及能效都進(jìn)行了詳細(xì)的分析，當(dāng)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)相互的通信距離很小時(shí)，信道條件較好，數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)差錯(cuò)的概率也很小，沒有必要使用糾錯(cuò)碼編碼，因?yàn)榇藭r(shí)編碼的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重傳的能耗，ARQ差錯(cuò)控制方法在這個(gè)環(huán)境中能效最高。隨著節(jié)點(diǎn)之間的距離增加，F(xiàn)EC差錯(cuò)控制方案的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)出來(lái)，這是因?yàn)橥ㄐ啪嚯x的增加使信噪比下降，接收方誤碼率會(huì)迅速增長(zhǎng)，F(xiàn)EC方案由于有糾錯(cuò)碼保護(hù)，所以下降速度稍慢。隨著通信距離的再次增加HARQ方案的能效優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)出來(lái)，變?yōu)槟苄ё罴训姆桨?。關(guān)鍵詞：差錯(cuò)；控制；仿真目錄摘要 1一、差錯(cuò)控制系統(tǒng)概述 21.1差錯(cuò)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 31.2差錯(cuò)控制在數(shù)據(jù)傳輸中的重要意義 31.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中差錯(cuò)控制方案 41.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中差錯(cuò)控制方案設(shè)計(jì)目標(biāo)和要素 4二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中差錯(cuò)控制方案及能效的分析 52.1前向糾錯(cuò)FEC方案及其能效分析 62.2自動(dòng)請(qǐng)求重傳ARQ方案及其能效分析 82.3混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳HARQ方案及其能效分析 12參考文獻(xiàn) 20一、差錯(cuò)控制系統(tǒng)概述差錯(cuò)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)就是一種保證接收完整、準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的方法。首先我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娫捑€路是不穩(wěn)定的，那么數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中間就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)順序的錯(cuò)亂和丟失。為了使這些錯(cuò)誤能夠得到及時(shí)的糾正，調(diào)制解調(diào)器在發(fā)送端必須對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)編碼，并將編碼后的數(shù)據(jù)結(jié)果和所要發(fā)送的數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送，調(diào)制解調(diào)器在接收端對(duì)編碼過的數(shù)據(jù)的進(jìn)行解碼，得出結(jié)果，再來(lái)比較兩次結(jié)果。如果數(shù)據(jù)在傳輸過程中被破壞，則兩個(gè)結(jié)果就不會(huì)一致，接收端的調(diào)制解調(diào)器就會(huì)向發(fā)送端的調(diào)制解調(diào)器發(fā)送一個(gè)命令，要求數(shù)據(jù)重發(fā)。圖3-1就是一個(gè)差錯(cuò)控制系統(tǒng)的機(jī)理圖。圖1.1差錯(cuò)控制機(jī)理圖1.1差錯(cuò)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介首先在數(shù)據(jù)通信的過程中，通信信道的環(huán)境總是存在著一定的噪聲的，我們對(duì)通信的要求是信息能夠準(zhǔn)確無(wú)誤的傳輸，那么我們就需要設(shè)計(jì)一種方法來(lái)保證信息的可靠傳輸，和其他通信系統(tǒng)一樣無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也采用了差錯(cuò)控制系統(tǒng)來(lái)抱著數(shù)據(jù)的正確傳輸，我們常見的差錯(cuò)控制方案分為三種，即前向糾錯(cuò)FEC,自動(dòng)請(qǐng)求重傳ARQ和混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳HARQ。1.2差錯(cuò)控制在數(shù)據(jù)傳輸中的重要意義無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)雖然采用了AdHoc自組織的方式組網(wǎng)，但是它與AdHoc網(wǎng)絡(luò)以及其它的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（無(wú)線通信網(wǎng)，無(wú)線局域網(wǎng)和藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)等）相比較起來(lái)還是有其自身的特點(diǎn)。第一，WSN因?yàn)橛布Y源有限，而且網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)受到價(jià)格、體積和功耗的制約，這就使得節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和帶寬都非常的有限；其次，傳感器節(jié)點(diǎn)因?yàn)槭请姵毓╇?，受電池容量大小的限制，傳感器?jié)點(diǎn)的壽命也要受電池容量大小的限制，所以所有的協(xié)議或技術(shù)都要以節(jié)約電池能量為前提。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)大多是由很多分布很多很廣的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，所以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要依靠節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)相互的連接來(lái)保證系統(tǒng)的抗毀壞能力和容錯(cuò)能力。然而，盡管如此，首先要考慮的因素仍然是電池能量有限這一關(guān)鍵性問題。電池能量有限就導(dǎo)致了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)每層協(xié)議棧的設(shè)計(jì)不得不把能效作為第一個(gè)要考慮的設(shè)計(jì)要素。在通信網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)非常重要的錯(cuò)誤處理機(jī)制就是錯(cuò)誤控制。在傳輸過程中因?yàn)閿?shù)字信號(hào)很容易受噪聲干擾影響，這不僅會(huì)讓信號(hào)碼元波形變壞，并且還會(huì)在到達(dá)接收端時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤。因此，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過程進(jìn)行差錯(cuò)控制很有必要。除此之外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在一些特定情況下的應(yīng)用，差錯(cuò)控制的重要性顯得十分突出，例如我們很熟悉的醫(yī)用領(lǐng)域等就對(duì)數(shù)據(jù)的正確性有很嚴(yán)格的要求，所以，必須進(jìn)行比較低的誤碼率的差錯(cuò)控制。綜上所述與傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)相比起來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著自身的獨(dú)特的特性，這就決定了不能簡(jiǎn)單的使用現(xiàn)有的一些通信網(wǎng)絡(luò)中使用的差錯(cuò)控制方案。以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性為目的的傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的差錯(cuò)控制方案設(shè)計(jì)的首要任務(wù)，但是在能量受限的前提下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能保證一定數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。這些特點(diǎn)的不同，造成了傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)的差錯(cuò)控制方案不能直接用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。因此，對(duì)于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的差錯(cuò)控制系統(tǒng)是研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)非常重要的方面。1.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中差錯(cuò)控制方案如上文介紹的，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，我們起初最先應(yīng)用只是計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)的差錯(cuò)控制系統(tǒng)前向糾錯(cuò)和自動(dòng)重傳。前向糾錯(cuò)要求在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中必須提供足夠的冗余信息，當(dāng)接收的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，接收站點(diǎn)可以根據(jù)冗余信息來(lái)修正錯(cuò)誤。對(duì)于改正單一差錯(cuò)，前向糾錯(cuò)是很有效的，但是，對(duì)于多重錯(cuò)誤的修正就需要傳輸大量的冗余信息，并且譯碼的復(fù)雜性也相對(duì)較高。自動(dòng)重傳方法主要有兩個(gè)，連續(xù)ARQ和停等ARQ。連續(xù)ARQ是接收節(jié)點(diǎn)必須要有緩沖空間去存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)，但是因?yàn)槭艿接布O(shè)備的限制，這一點(diǎn)很難實(shí)現(xiàn)，因此，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一般使用停等ARQ。如果接收端發(fā)現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤，或者是源節(jié)點(diǎn)沒有收到任何確認(rèn)信號(hào)，源節(jié)點(diǎn)就會(huì)把數(shù)據(jù)包再發(fā)送一遍。這種方法使目標(biāo)節(jié)點(diǎn)必須對(duì)每個(gè)接收的信息包進(jìn)行確認(rèn)，這樣既占用了帶寬，又使得能量開銷大增，因此，需要進(jìn)一步優(yōu)化這種方法在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。綜合考慮這些因素，解決無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的最佳方案也許就是具有低復(fù)雜性編碼，并且譯碼簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤控制方案。1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中差錯(cuò)控制方案設(shè)計(jì)目標(biāo)和要素?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)能量受限、動(dòng)態(tài)拓?fù)浜蛻?yīng)用場(chǎng)景多樣的特殊網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用場(chǎng)景的多樣，一方面就要求傳輸?shù)目煽啃愿?，另一個(gè)方面使電池能源不可被替換，從一定程度上來(lái)說(shuō)，這就導(dǎo)致了能量受限的特性。因此，為了確保傳輸?shù)男阅芸煽?，降低由于差錯(cuò)控制所造成的能量消耗，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)差錯(cuò)控制方案的核心設(shè)計(jì)目標(biāo)就是延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的生命周期。通常情況下，設(shè)計(jì)差錯(cuò)控制方案必須綜合起來(lái)考慮以下幾個(gè)方面的要素：有較強(qiáng)的適應(yīng)能力：當(dāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸信道產(chǎn)生變化時(shí)，其差錯(cuò)控制方案應(yīng)該是在在不同信道狀態(tài)下都能保持較強(qiáng)的差錯(cuò)控制能力的，以達(dá)到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性傳輸?shù)囊?。有較強(qiáng)的實(shí)用性：在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用的差錯(cuò)控制方案的算法我們要求是應(yīng)該簡(jiǎn)單明了的而且要有實(shí)用性，整個(gè)系統(tǒng)的操作要易于實(shí)現(xiàn)。有較強(qiáng)的靈活性：不管是在什么樣的場(chǎng)景下使用，我們?cè)O(shè)計(jì)的差錯(cuò)控制方案都能夠準(zhǔn)確的保證傳輸?shù)男畔⒖煽?，并且在使用上具有靈活的性能。二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中差錯(cuò)控制方案及能效的分析無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道環(huán)境是非常復(fù)雜和不好的。對(duì)于那些接收方的信號(hào)，不光存在著因?yàn)榈乩憝h(huán)境所引起的衰落和影響，同時(shí)還受到開放式信道這一結(jié)構(gòu)所帶出的各種噪聲干擾的影響。這些衰落和干擾就容易造成誤碼的過程中間有不可預(yù)期出現(xiàn)的差錯(cuò)，也可能有突發(fā)差錯(cuò)，通常的差錯(cuò)是以多徑衰落和長(zhǎng)突發(fā)為主，這就嚴(yán)重?fù)p傷了通信的質(zhì)量。所以，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)這種變化的混合信道中，必須采用差錯(cuò)控制方案和相關(guān)抗衰落技術(shù)來(lái)提高信號(hào)在信道中的傳輸質(zhì)量，以保證信息的可靠性傳輸。能量有限(受限)是設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中我們最需要考慮的問題之一，這就使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，在保證正確通信的情況下，要是整個(gè)系統(tǒng)保持利用率的高效，我們還應(yīng)要求節(jié)點(diǎn)的能效最大，即消耗最小的能量，來(lái)滿足系統(tǒng)的可靠性傳輸，差錯(cuò)控制系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等各種通信系統(tǒng)中已經(jīng)研究的很多了，但是這些系統(tǒng)中都沒有考慮能效的問題，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)卻是對(duì)能效要求非常高的，所以本章就將上文提出的差錯(cuò)控制方案進(jìn)行能效分析。下面將介紹幾種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的差錯(cuò)控制方案，本章將基于自動(dòng)請(qǐng)求重傳ARQ、FEC和C-HARQ這三個(gè)最基本的差錯(cuò)控制系統(tǒng)，依照無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能耗有限和系統(tǒng)低復(fù)雜度的要求為依托，基于能效的標(biāo)準(zhǔn)將三種差錯(cuò)方案進(jìn)行比較，得出實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單、能耗最低和系統(tǒng)復(fù)雜度最低的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)的差錯(cuò)控制方案。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和研究已有的關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中差錯(cuò)控制能效的研究，我們引用一個(gè)典型的能效模型，這個(gè)模型能夠比較準(zhǔn)確的對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)差錯(cuò)控制所消耗的能耗進(jìn)行評(píng)判。能效定義：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸能效的定義同時(shí)考慮了系統(tǒng)的能耗和通信的可靠性：其中，ηe是能耗吞吐量，它表示的是數(shù)據(jù)包中負(fù)載的能耗Eeffi占總能耗Etotal的比值。r=(1-PPER)表示數(shù)據(jù)包已經(jīng)被正確接收的概率，用它來(lái)衡量通信的可靠性。因此，能效η代表了相鄰的通信節(jié)點(diǎn)之間有效傳輸?shù)哪芎恼枷到y(tǒng)總能耗的比例。2.1前向糾錯(cuò)FEC方案及其能效分析2.1.1FEC（前向糾錯(cuò)）方案分析對(duì)于FEC的實(shí)現(xiàn)即我們采用在發(fā)送數(shù)據(jù)分組的時(shí)候加入一串冗余信息，這些冗余信息是接收端用來(lái)檢測(cè)所接收的數(shù)據(jù)是否出錯(cuò)使用的，接收端能夠自主的對(duì)數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)錯(cuò)誤進(jìn)行判斷，而且能夠?qū)⒊霈F(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行糾正，這樣就達(dá)到了我們系統(tǒng)所需要的可靠性數(shù)據(jù)傳輸。FEC的核心技術(shù)是信道編碼，信道編碼技術(shù)是利用數(shù)據(jù)符號(hào)之間嚴(yán)格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一個(gè)包含冗余信息的新數(shù)據(jù)包，且該數(shù)據(jù)包能夠通過編碼規(guī)律發(fā)現(xiàn)自身的差錯(cuò)，并確定碼元出錯(cuò)位置，從而予以糾正。圖2.1FEC系統(tǒng)組成方框圖FEC工作原理如圖2-1，從信源到信宿只有唯一信道，在系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎芨撸痛a速率相同，與系統(tǒng)的誤碼率和信道的差錯(cuò)率卻是沒有關(guān)系的。與ARQ不同，F(xiàn)EC不需要發(fā)送端進(jìn)行重傳，從而大大降低了通信時(shí)延，而可以采用冗余編碼立刻進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。系統(tǒng)不需要系統(tǒng)重傳和發(fā)送反饋信息的另一個(gè)好處就是在系統(tǒng)中可以進(jìn)行廣播通信，即不用等待一個(gè)通信結(jié)束以后再建立一個(gè)通信，可以同時(shí)和多個(gè)發(fā)送端進(jìn)行通信，基于這一優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)EC技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于移動(dòng)通信中，F(xiàn)EC在通信控制電路上的設(shè)計(jì)也是非常簡(jiǎn)單的。運(yùn)用FEC也有不利的地方，首先接收端沒有辦法做出一個(gè)最終的正確性判斷，即無(wú)論譯碼出來(lái)的結(jié)果對(duì)或者不對(duì)，它都直接傳送給使用者。其次我們必須需根據(jù)信道的狀況，來(lái)選擇所需使用的糾錯(cuò)碼，一些信道狀況非常不好的時(shí)候，我們就必須選擇糾錯(cuò)能力很強(qiáng)的編碼，糾錯(cuò)能力強(qiáng)就意味著，編碼解碼的設(shè)計(jì)就變復(fù)雜，無(wú)形中消耗了傳感器節(jié)點(diǎn)的能量，而且使用的硬件成本也會(huì)隨之增加，所以使用糾錯(cuò)碼來(lái)保證系統(tǒng)的傳輸差錯(cuò)時(shí)犧牲能耗和成本來(lái)完成的。FEC系統(tǒng)采用了一種我們稱之為“事先避免”的方法，數(shù)據(jù)傳輸以后不管有沒有丟包或者錯(cuò)誤，發(fā)送端都不再重傳。使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率是不可預(yù)見的，達(dá)不到我們對(duì)于通信可靠性傳輸?shù)囊?。因而，我們不能只單純的使用FEC技術(shù)來(lái)控制差錯(cuò)。除了上文降到的對(duì)于能量的消耗意外，F(xiàn)EC還有一重大弊端，就是假如系統(tǒng)的性能會(huì)隨著丟包率而顯著降低的，系統(tǒng)性能受丟包率制約，F(xiàn)EC最理想的使用環(huán)境是數(shù)據(jù)組一個(gè)一個(gè)的傳送。2.1.2FEC（前向糾錯(cuò)）方案能效分析采用FEC技術(shù)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)的總能耗為：這里EFECtran為發(fā)送數(shù)據(jù)的能耗，EFECre為接收數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的能耗，Edec是接收端在譯碼時(shí)所消耗的能量。另外由于BCH碼的編碼所消耗的能量與譯碼所消耗的能量相比是非常小的，所以我們這里將編碼所消耗的能量忽略不計(jì)。對(duì)于BCH碼(n,k,t)，譯碼的能耗Edec可用下式表示：設(shè)m=lbn+1，則FEC技術(shù)的能效可以由下式表示：其中FEC協(xié)議中的誤包率：2.2自動(dòng)請(qǐng)求重傳ARQ方案及其能效分析ARQ技術(shù)起初只在計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中使用，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用CRC循環(huán)冗余編碼對(duì)傳輸?shù)腻e(cuò)誤進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤就返回給發(fā)送端一個(gè)需要重新發(fā)送的指令，如果沒有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤也需要返回給發(fā)送端一個(gè)不需要重新發(fā)送的指令，發(fā)送端在接收到指令以后，確定是重新發(fā)送上一組數(shù)據(jù)還是發(fā)送新的一組數(shù)據(jù)。而發(fā)送端會(huì)簡(jiǎn)單的將檢測(cè)后出錯(cuò)的數(shù)據(jù)組進(jìn)行丟棄。在研究ARQ的過程中，人們漸漸的意識(shí)到簡(jiǎn)單的丟棄錯(cuò)誤數(shù)據(jù)組是非常浪費(fèi)的，因?yàn)閿?shù)據(jù)組里出錯(cuò)的數(shù)據(jù)少，大多數(shù)是正確的數(shù)據(jù)，我們可以保留原來(lái)這一錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)組加到后面重新接收到的這一組數(shù)據(jù)中進(jìn)行再次使用。圖2.2是ARQ系統(tǒng)工作原理圖，首先ARQ的通信時(shí)雙向的，采用兩個(gè)信道傳輸，信息從信源出發(fā)進(jìn)入編碼器中進(jìn)行編碼，編碼器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的同時(shí)也將信息轉(zhuǎn)到緩沖存儲(chǔ)器中，緩沖存儲(chǔ)器對(duì)編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，編碼后的信息進(jìn)入到雙向信道傳遞到信宿端的解碼器中進(jìn)行解碼，信宿端的緩沖存儲(chǔ)器也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，解碼器解碼檢測(cè)后，驗(yàn)證數(shù)據(jù)正確就告知指令產(chǎn)生器，指令產(chǎn)生器沿雙線信道，反饋一個(gè)信息給信源端的重發(fā)控制器，重發(fā)控制器再告知緩沖存儲(chǔ)器將數(shù)據(jù)進(jìn)行丟棄。如果信宿端檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的，信宿端還是會(huì)暫存數(shù)據(jù)留到給再次發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)一起進(jìn)行解碼，同樣指令產(chǎn)生器告知信源端重發(fā)控制器，重發(fā)控制器會(huì)控制重傳。圖2.2ARQ系統(tǒng)工作原理圖ARQ技術(shù)硬件要求不高、實(shí)現(xiàn)起來(lái)也非常方便，可以保證通信數(shù)據(jù)的正確傳輸，ARQ的使用與受到的噪聲干擾基本沒有關(guān)系，因?yàn)樗饕且笾貍鳌Ｒ劳辛己玫倪m應(yīng)性，不管信道情況如何，我們都能使用ARQ技術(shù)。正因?yàn)锳RQ技術(shù)的這個(gè)特點(diǎn)，也會(huì)出現(xiàn)另一種情況，在信道情況非常不好的時(shí)候，每一次接收到數(shù)據(jù)都不正確，那么整個(gè)系統(tǒng)就長(zhǎng)期處在請(qǐng)求重傳的狀態(tài)中，整個(gè)通信系統(tǒng)的效率就會(huì)非常得低。下面將介紹ARQ的三種不同方式:2.2.1SW-ARQ（停止等待式ARQ,StopandWaitARQ）方案分析SW-ARQ停止等待指的是發(fā)送端發(fā)出一幀數(shù)據(jù)后,就等待接收端的確認(rèn)反饋,發(fā)送端如果接收到的是NAK反饋，將進(jìn)行重發(fā)；如果收到的是ACK反饋，再進(jìn)行下一個(gè)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。圖2.3SW-ARQ工作原理SW-ARQ有一個(gè)非常重大的缺點(diǎn)就是每一次發(fā)送完數(shù)據(jù)以后必須等待接收端給予的反饋以后，發(fā)送端才能做下一步判斷，這樣整個(gè)系統(tǒng)大多數(shù)時(shí)間處于空閑狀態(tài)，系統(tǒng)效率不高。還需要特別考慮的是這兩種情況：第一，有些時(shí)候系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的噪聲干擾，以至于破壞了數(shù)據(jù)鏈路層幀的結(jié)構(gòu)，那么就有可能接收端接收了這一組數(shù)據(jù)組以后無(wú)法去判斷是否接收到了這一數(shù)據(jù)組，接收端也就不會(huì)想發(fā)送端返回指令，即時(shí)返回了指令，也會(huì)出現(xiàn)一種情況就是返回的這一條指令丟失了，那么發(fā)送端陷入無(wú)止境的等待之中；第二，我們還需要解決的是第一次接收到的數(shù)據(jù)組和第二次重發(fā)接收到得數(shù)據(jù)組會(huì)出現(xiàn)重復(fù)的情況，我們就要把兩次接收到得數(shù)據(jù)進(jìn)行編號(hào)處理。2.2.2GBN-ARQ（退回N步ARQ，GoBackN-stepARQ)方案分析圖2.4（a）是退回N步重傳的工作示意圖,相比較而言退回N步重傳的效率要不停止等待重傳的效率高，當(dāng)然它也有一個(gè)不好的地方，就是其實(shí)在正常的通信過程中，傳錯(cuò)的數(shù)據(jù)其實(shí)占少數(shù)，然而為了其中一組數(shù)據(jù)錯(cuò)誤導(dǎo)致很多第一次已經(jīng)正確接收的數(shù)據(jù)再次重傳，系統(tǒng)的效率從而降低了。圖2.4GBR-ARQ方式與SR-ARQ方式工作原理圖2.2.3SR－ARQ(選擇重傳ARQ，SelectiveRepeatARQ)方案分析如上文所述，因?yàn)橥撕驨步重傳浪費(fèi)了系統(tǒng)資源，那么能不能既不發(fā)一組數(shù)據(jù)等一個(gè)反饋，又不用重發(fā)已經(jīng)正確發(fā)送過了的數(shù)據(jù)呢？那么也就是我們所說(shuō)的選擇重傳，系統(tǒng)只重傳傳錯(cuò)的那一組數(shù)據(jù)，其余已經(jīng)被正確接收的數(shù)據(jù)組都先被接收端存儲(chǔ)起來(lái)，這樣就使得系統(tǒng)效率進(jìn)一步又提高了，其工作原理如圖2.4(b)所示。對(duì)于以上這三種基于選擇重傳的差錯(cuò)控制方法，基于等停的SW-ARQ的方式最為簡(jiǎn)單的一種方式，首先對(duì)于接收端與發(fā)送端的存儲(chǔ)設(shè)備要求很低，因?yàn)椴恍枰鎯?chǔ)大量的數(shù)據(jù)組，而是一個(gè)時(shí)間段內(nèi)只存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)據(jù)組，這樣系統(tǒng)就很簡(jiǎn)化，但是由于是單數(shù)據(jù)組的重發(fā)，要求發(fā)送端在接收到接收端反饋的信息以后才會(huì)選擇是重新發(fā)送上一組數(shù)據(jù)還是發(fā)送新的一組數(shù)據(jù)，整個(gè)體統(tǒng)的利用率就大大降低了；退后N步重傳效率比等停重傳的方式效率要高，因?yàn)樗沁B續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)組，如果發(fā)送錯(cuò)了某一個(gè)組數(shù)據(jù)，就退回到這節(jié)數(shù)據(jù)組，從這節(jié)數(shù)據(jù)組開始后面的數(shù)據(jù)都重新發(fā)送一遍，這樣就大大的浪費(fèi)了系統(tǒng)資源，因?yàn)樵谶@節(jié)出錯(cuò)的數(shù)據(jù)后面再次發(fā)送的數(shù)據(jù)組中有些是正確的。所以在這三種情況中，選擇重傳的效率最高，系統(tǒng)的利用率也是最高的，因?yàn)樗怯嗅槍?duì)性的，哪一組數(shù)據(jù)錯(cuò)了，就要求發(fā)送端將該節(jié)數(shù)據(jù)重新發(fā)送，但是選擇重傳也有一個(gè)劣勢(shì)，就是不能像等停和退后N步那樣順序的接收數(shù)據(jù)，接收端接收到數(shù)據(jù)組以后要對(duì)數(shù)據(jù)組進(jìn)行編號(hào)處理。2.3混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳HARQ方案及其能效分析混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳的技術(shù)早在二十世紀(jì)六十年代初就開始有人研究。圖2.5是一個(gè)簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)的HARQ混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳技術(shù)的系統(tǒng)圖。圖2.5HARQ混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳技術(shù)的系統(tǒng)圖混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳（HARQ）技術(shù)是在自動(dòng)請(qǐng)求重傳（ARQ）系統(tǒng)框架上加入一個(gè)前向糾錯(cuò)(FEC)子系統(tǒng)。FEC子系統(tǒng)通過信道編碼自動(dòng)糾正無(wú)線傳輸過程中引入的誤碼，減少重傳次數(shù)，提高系統(tǒng)吞吐量。當(dāng)接收端不能正確譯碼時(shí)，該系統(tǒng)將啟動(dòng)重傳機(jī)制?；旌献詣?dòng)請(qǐng)求重傳的設(shè)計(jì)初衷是希望將前向糾錯(cuò)和請(qǐng)求重傳的優(yōu)勢(shì)集中起來(lái)，更加完善的提供系統(tǒng)通信的可靠性，首先在發(fā)送方，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)使用檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼進(jìn)行同時(shí)編碼，接收端接收到這一組數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，先糾正傳輸過程中的錯(cuò)誤，然后使用檢測(cè)碼進(jìn)行檢測(cè)，如果檢測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)組是正確的那么就反饋一個(gè)信息給發(fā)送端，告知這一組數(shù)據(jù)已經(jīng)正確接收了，如果檢測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)依然是錯(cuò)誤的，那么就要求發(fā)送端將這一組數(shù)據(jù)進(jìn)行重傳，如此循環(huán)，一直達(dá)到系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置到達(dá)最高的重傳次數(shù)。目前，常用的混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳技術(shù)有三種，分別是Type-ⅠHARQ，Type-ⅡHARQ和Type-ⅢHARQ。2.3.1Type-ⅠHARQ方案分析基本的Type-I型HARQ方案是簡(jiǎn)單的將ARQ技術(shù)與FEC技術(shù)相結(jié)合，收發(fā)端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，如果能夠就糾正傳輸中間出現(xiàn)的錯(cuò)誤，那么就反饋一條指令給發(fā)送端，確認(rèn)我已經(jīng)收到這組數(shù)據(jù)了，如果發(fā)現(xiàn)糾正不了出現(xiàn)的錯(cuò)誤，那么就要求發(fā)送方將這一組數(shù)據(jù)進(jìn)行重傳，而接收端就單純的丟棄這一組數(shù)據(jù)。Type-IHARQ技術(shù)系統(tǒng)中不保留發(fā)送錯(cuò)誤的這一節(jié)信息數(shù)據(jù)，而是簡(jiǎn)單的丟棄，這樣一來(lái)發(fā)送端和接收端的存儲(chǔ)器資源都占用的非常少，而且反饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也非常簡(jiǎn)易，實(shí)現(xiàn)起來(lái)是非常簡(jiǎn)單方便的。Type-IHARQ技術(shù)在系統(tǒng)中同時(shí)進(jìn)行糾錯(cuò)和檢錯(cuò)，但是沒有很好的利用傳錯(cuò)的那一組數(shù)據(jù)，接收端只是簡(jiǎn)單的丟棄，而其中其實(shí)是含有很多有用的信息的。圖2.6Type-ⅠHARQ的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖Type-ⅠHARQ方案在信道噪聲和干擾比較穩(wěn)定的通信系統(tǒng)中使用起來(lái)非常實(shí)用，這樣的通信系統(tǒng)中糾錯(cuò)碼一般情況就能夠糾正傳輸過程中間出現(xiàn)的錯(cuò)誤，那么系統(tǒng)就不需要花很多資源用來(lái)重傳使用，整個(gè)系統(tǒng)的效率很高。但是也會(huì)出現(xiàn)這樣一種情況，當(dāng)通信條件非常好的時(shí)候，我根本不用糾錯(cuò)，但是整個(gè)體統(tǒng)還是要進(jìn)行糾錯(cuò)檢錯(cuò)，并且要花很多資源對(duì)這些冗余信息進(jìn)行發(fā)送接收，大大的耗費(fèi)了系統(tǒng)的能量，這個(gè)時(shí)候選擇這一方案又會(huì)出現(xiàn)這樣一個(gè)弊端。2.3.2Type-ⅡHARQ方案分析Type-ⅡHARQ方案是針對(duì)Type-ⅠHARQ方案中沒有利用傳輸出錯(cuò)的那一組數(shù)據(jù)進(jìn)行的一個(gè)改良，如上文所說(shuō)，丟棄的那一組數(shù)據(jù)其實(shí)還含有很多有用的信息，Type-Ⅱ就是為了解決利用這些有用數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的。大家可以容易的想到如果使用更多的數(shù)據(jù)信息用來(lái)糾正傳輸過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，利用率得到了大大的提升，同時(shí)效率也得到了提升，這就是我們希望在Type-ⅡHARQ方案能夠?qū)崿F(xiàn)的，其具體說(shuō)來(lái)就是當(dāng)我傳輸條件好的時(shí)候，即信道中的噪聲很小的時(shí)候我采用簡(jiǎn)單的請(qǐng)求重傳，我不去加入冗余碼進(jìn)行糾錯(cuò)，我只使用檢測(cè)碼進(jìn)行檢測(cè)，確定出錯(cuò)就要求發(fā)送方進(jìn)行重傳，如果傳輸條件變得很惡劣的時(shí)候，噪聲干擾很多的時(shí)候，系統(tǒng)就增加一些糾錯(cuò)碼進(jìn)取，進(jìn)行糾錯(cuò)，基于這樣一種自適應(yīng)的差錯(cuò)控制系統(tǒng)是將系統(tǒng)效率提升到最大化的一種理想的使用方法。圖2.7Type-ⅡHARQ方案工作原理圖其工作原理如圖2.7是Type-ⅡHARQ是在Type-ⅠHARQ方案中進(jìn)行了一次改良，首先它依然采用的是加入糾錯(cuò)碼檢測(cè)碼以及重傳的機(jī)制，當(dāng)接收端接收到信息以后先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次糾錯(cuò)，然后進(jìn)行檢錯(cuò)，如果數(shù)據(jù)檢測(cè)依然是錯(cuò)誤的，那么接收端會(huì)要求發(fā)送方將此數(shù)據(jù)進(jìn)行重傳，接收端保存這一組含有錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。但是與Type-Ⅰ的不同之處在于，發(fā)送方重發(fā)的數(shù)據(jù)和首次發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)有區(qū)別的，接收端會(huì)只要求發(fā)送端發(fā)送這一組數(shù)據(jù)中的一部分，將這一部分?jǐn)?shù)據(jù)加到以前的幾次出錯(cuò)的數(shù)據(jù)里里面，進(jìn)行同時(shí)糾錯(cuò)，然后檢錯(cuò)譯碼。如此周而復(fù)始直到收到正確的數(shù)據(jù)組或者達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)定的最大的重傳次數(shù)，那么就丟棄這一組數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一組數(shù)據(jù)的傳輸，這是Type-ⅡHARQ工作的最大不同之處，它將幾次收到的數(shù)據(jù)融合到一起進(jìn)行譯碼，這樣整個(gè)系統(tǒng)的使用率就提高了，而含有錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)組也被很好的利用起來(lái)了。Type-ⅡHARQ方案使用的是一種遞增的冗余的思想來(lái)進(jìn)行差錯(cuò)控制。2.3.3Type-ⅢHARQ方案分析Type-ⅢHARQ方案又是在Type-ⅡHAQR方案的進(jìn)一步改良的方案，它的工作原理如圖2.8所示：Type-ⅡHAQR方案中采用一種互補(bǔ)刪除法的思想，其原理是每一組數(shù)據(jù)分組都自己可以譯碼，然后通過精確計(jì)算，將數(shù)據(jù)覆蓋到?jīng)]一個(gè)比特上，從而將每次發(fā)送過來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)全面的覆蓋，最終合并為一組正確的數(shù)據(jù)組，這樣譯碼的空間將更為廣泛，它并不是拿一次數(shù)據(jù)組的數(shù)據(jù)單獨(dú)的進(jìn)行譯碼而是將多次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，Type-ⅢHARQ采用這一方案以后，能夠顯著的提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率以及系統(tǒng)的效率，也不至于增加過多的冗余信息而消耗系統(tǒng)的能量，所以經(jīng)過多次改良以后的Type-ⅢHARQ方案屬于一種可靠性比較好的方案，能夠非常好的提升吞吐量。圖2.8Type-ⅢHARQ方案工作原理圖Type-ⅢHARQ方案和Type-ⅡHARQ一樣采用增加冗余的思想，但是兩者有一個(gè)根本性的不同，就是在于出錯(cuò)的一組分組數(shù)據(jù)里面的一些比特是正確的并且這些數(shù)據(jù)組是具有解碼能力的，那么我們將每一組數(shù)據(jù)都進(jìn)行譯碼，將譯碼出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次綜合，再來(lái)解碼，這樣就達(dá)到了系統(tǒng)最大的效率。依據(jù)重傳的冗余版本的不同，Type-ⅢHARQ可以分為只具有一個(gè)冗余的Type-ⅢHARQ版本的方案（軟合并得Type-ⅠHARQ，每次重傳冗余版本均與第一次傳輸相同）和具有多個(gè)冗余的Type-ⅢHARQ版本方案。2.3.4Chasecombining-HARQ方案分析這里我們要特別提出ChasecombiningHARQ方案(下文簡(jiǎn)稱C-HARQ)，C-HARQ的工作原理：首先在發(fā)送方也是同樣的使用了前向糾錯(cuò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，出現(xiàn)錯(cuò)誤以后將對(duì)這一組數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，接收放按照加權(quán)組合的形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次處理。C-HARQ方案緩沖存儲(chǔ)器需要的容量非常小，整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜度低，是簡(jiǎn)單的一種混合重傳機(jī)制。Type-ⅠHARQ方案雖然相比較于不采用ARQ方案就可以降低誤碼率，但這個(gè)方案是時(shí)延或帶寬換取而來(lái)的?？紤]C-HARQ方案中并沒有將錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行丟棄而是選擇先存儲(chǔ)起來(lái)，待再次接受相同的這一組數(shù)據(jù)以后將此錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)組中的正確的比特位拿出來(lái)和新接收到的這組數(shù)據(jù)中的比特位合并，在進(jìn)行譯碼，從而達(dá)到了提升系統(tǒng)吞吐量的目的。Type-ⅡHARQ方案發(fā)送方重發(fā)的數(shù)據(jù)和首次發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)有區(qū)別的，接收端會(huì)只要求發(fā)送端發(fā)送這一組數(shù)據(jù)中的一部分，將這一部分?jǐn)?shù)據(jù)加到以前的幾次出錯(cuò)的數(shù)據(jù)里里面，進(jìn)行同時(shí)糾錯(cuò)，然后檢錯(cuò)譯碼。如此周而復(fù)始直到收到正確的數(shù)據(jù)組或者達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)定的最大的重傳次數(shù)，那么就丟棄這一組數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一組數(shù)據(jù)的傳輸，這是Type-ⅡHARQ工作的最大不同之處，它將幾次收到的數(shù)據(jù)融合到一起進(jìn)行譯碼，這樣整個(gè)系統(tǒng)的使用率就提高了，而含有錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)組也被很好的利用起來(lái)了。Type-ⅡHARQ方案較Type-ⅠHARQ方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)肯定會(huì)要復(fù)雜一些，我們?cè)诮邮斩艘筮M(jìn)行最大限度的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并且每次收到的碼字還要進(jìn)行融合以后再來(lái)譯碼。Type-ⅡHAQR方案中采用一種互補(bǔ)刪除法的思想，其原理是每一組數(shù)據(jù)分組都自己可以譯碼，然后通過精確計(jì)算，將數(shù)據(jù)覆蓋到?jīng)]一個(gè)比特上，從而將每次發(fā)送過來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)全面的覆蓋，最終合并為一組正確的數(shù)據(jù)組，這樣譯碼的空間將更為廣泛，它并不是拿一次數(shù)據(jù)組的數(shù)據(jù)單獨(dú)的進(jìn)行譯碼而是將多次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，Type-ⅢHARQ采用這一方案以后，能夠顯著的提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率以及系統(tǒng)的效率，也不至于增加過多的冗余信息而消耗系統(tǒng)的能量，所以經(jīng)過多次改良以后的Type-ⅢHARQ方案屬于一種可靠性比較好的方案，能夠非常好的提升吞吐量。在我們實(shí)際使用的WSN系統(tǒng)中，我們肯定不會(huì)去單獨(dú)的只是使用一種差錯(cuò)控制系統(tǒng)，因?yàn)闊o(wú)論是前向糾錯(cuò)和選擇重傳都有它技術(shù)上的缺點(diǎn)，從選擇重傳來(lái)說(shuō)，我們單純只是使用一種重傳的方法來(lái)進(jìn)行差錯(cuò)控制，保證我們數(shù)據(jù)的正確性傳輸，其弊端是，如果傳輸條件非常不好，就會(huì)一直接收不到正確的信息，繼而一直處于重發(fā)狀態(tài)，甚至是到達(dá)最大重傳次數(shù)以后依然接收不到正確的信息，另外單純的將錯(cuò)誤的信息進(jìn)行丟棄也是不合理的，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)中還有一些正確的碼字可以讓我們使用來(lái)共同譯碼。如果我們?cè)跓o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用請(qǐng)求重傳方案就出有一個(gè)問題，那就是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的距離必須不長(zhǎng)，但是如果這樣的話，整個(gè)覆蓋的面積就會(huì)減?。蝗绻麊渭兊氖褂们跋?/p>