差错控制系统的研究与仿真.docx
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差错控制系统的研究与仿真
差错控制系统的研究与仿真
摘要
本文基于能效的角度，对无线传感器网络进行了深入的学习和研究，全面的分析了无线传感器网络中的差错控制系统，结合能效定义模型分析出了前向纠错（FEC）、自动重复请求重传（ARQ）和混合自动请求重传（HARQ）三种差错控制的能效计算模型，对这三种差错控制方案及能效都进行了详细的分析，当节点与节点相互的通信距离很小时，信道条件较好，数据传输过程中出现差错的概率也很小，没有必要使用纠错码编码，因为此时编码的能耗远远大于重传的能耗，ARQ差错控制方法在这个环境中能效最高。
随着节点之间的距离增加，FEC差错控制方案的优势体现出来，这是因为通信距离的增加使信噪比下降，接收方误码率会迅速增长，FEC方案由于有纠错码保护，所以下降速度稍慢。
随着通信距离的再次增加HARQ方案的能效优势体现出来，变为能效最佳的方案。
关键词：
差错；控制；仿真
目录
摘要1
一、差错控制系统概述2
1.1差错控制系统简介3
1.2差错控制在数据传输中的重要意义3
1.3无线传感器网络中差错控制方案4
1.4无线传感器网络中差错控制方案设计目标和要素4
二、无线传感器网络中差错控制方案及能效的分析5
2.1前向纠错FEC方案及其能效分析6
2.2自动请求重传ARQ方案及其能效分析8
2.3混合自动请求重传HARQ方案及其能效分析12
参考文献20
一、差错控制系统概述
差错控制系统简单的来说就是一种保证接收完整、准确数据的方法。
首先我们日常使用的电话线路是不稳定的，那么数据在传输的过程中间就会出现数据顺序的错乱和丢失。
为了使这些错误能够得到及时的纠正，调制解调器在发送端必须对发送的数据进行数学编码，并将编码后的数据结果和所要发送的数据同时发送，调制解调器在接收端对编码过的数据的进行解码，得出结果，再来比较两次结果。
如果数据在传输过程中被破坏，则两个结果就不会一致，接收端的调制解调器就会向发送端的调制解调器发送一个命令，要求数据重发。
图3-1就是一个差错控制系统的机理图。
图1.1差错控制机理图
1.1差错控制系统简介
首先在数据通信的过程中，通信信道的环境总是存在着一定的噪声的，我们对通信的要求是信息能够准确无误的传输，那么我们就需要设计一种方法来保证信息的可靠传输，和其他通信系统一样无线传感器网络也采用了差错控制系统来抱着数据的正确传输，我们常见的差错控制方案分为三种，即前向纠错FEC,自动请求重传ARQ和混合自动请求重传HARQ。
1.2差错控制在数据传输中的重要意义
无线传感器网络虽然采用了AdHoc自组织的方式组网，但是它与AdHoc网络以及其它的无线网络（无线通信网，无线局域网和蓝牙网络等）相比较起来还是有其自身的特点。
第一，WSN因为硬件资源有限，而且网络中的节点受到价格、体积和功耗的制约，这就使得节点的计算能力和带宽都非常的有限；其次，传感器节点因为是电池供电，受电池容量大小的限制，传感器节点的寿命也要受电池容量大小的限制，所以所有的协议或技术都要以节约电池能量为前提。
无线传感器网络大多是由很多分布很多很广的传感器节点组成，所以无线传感器网络需要依靠节点与节点相互的连接来保证系统的抗毁坏能力和容错能力。
然而，尽管如此，首先要考虑的因素仍然是电池能量有限这一关键性问题。
电池能量有限就导致了无线传感器网络每层协议栈的设计不得不把能效作为第一个要考虑的设计要素。
在通信网络中一个非常重要的错误处理机制就是错误控制。
在传输过程中因为数字信号很容易受噪声干扰影响，这不仅会让信号码元波形变坏，并且还会在到达接收端时发生错误。
因此，对数据传输过程进行差错控制很有必要。
除此之外，无线传感器网络在一些特定情况下的应用，差错控制的重要性显得十分突出，例如我们很熟悉的医用领域等就对数据的正确性有很严格的要求，所以，必须进行比较低的误码率的差错控制。
综上所述与传统的通信网络相比起来，无线传感器网络有着自身的独特的特性，这就决定了不能简单的使用现有的一些通信网络中使用的差错控制方案。
以提高数据传输的准确性为目的的传统通信网络的差错控制方案设计的首要任务，但是在能量受限的前提下，无线传感器网络能保证一定数据传输的准确性。
这些特点的不同，造成了传统的通信网络的差错控制方案不能直接用于无线传感器网络中。
因此，对于无线传感网络的差错控制系统是研究无线传感器网络的一个非常重要的方面。
1.3无线传感器网络中差错控制方案
如上文介绍的，在无线传感器网络中，我们起初最先应用只是计算网络中传统的差错控制系统前向纠错和自动重传。
前向纠错要求在传输的数据中必须提供足够的冗余信息，当接收的数据出现错误时，接收站点可以根据冗余信息来修正错误。
对于改正单一差错，前向纠错是很有效的，但是，对于多重错误的修正就需要传输大量的冗余信息，并且译码的复杂性也相对较高。
自动重传方法主要有两个，连续ARQ和停等ARQ。
连续ARQ是接收节点必须要有缓冲空间去存储接收到的数据，但是因为受到硬件设备的限制，这一点很难实现，因此，在无线传感器网络中一般使用停等ARQ。
如果接收端发现一个错误，或者是源节点没有收到任何确认信号，源节点就会把数据包再发送一遍。
这种方法使目标节点必须对每个接收的信息包进行确认，这样既占用了带宽，又使得能量开销大增，因此，需要进一步优化这种方法在无线传感器网络中的应用。
综合考虑这些因素，解决无线网络传感器的最佳方案也许就是具有低复杂性编码，并且译码简单的错误控制方案。
1.4无线传感器网络中差错控制方案设计目标和要素
无线传感器网络是一个能量受限、动态拓扑和应用场景多样的特殊网络。
应用场景的多样，一方面就要求传输的可靠性更高，另一个方面使电池能源不可被替换，从一定程度上来说，这就导致了能量受限的特性。
因此，为了确保传输的性能可靠，降低由于差错控制所造成的能量消耗，无线传感器网络差错控制方案的核心设计目标就是延长网络和网络节点的生命周期。
通常情况下，设计差错控制方案必须综合起来考虑以下几个方面的要素：
有较强的适应能力：
当无线传感器网络传输信道产生变化时，其差错控制方案应该是在在不同信道状态下都能保持较强的差错控制能力的，以达到无线传感器网络的可靠性传输的要求。
有较强的实用性：
在无线传感器网络中使用的差错控制方案的算法我们要求是应该简单明了的而且要有实用性，整个系统的操作要易于实现。
有较强的灵活性：
不管是在什么样的场景下使用，我们设计的差错控制方案都能够准确的保证传输的信息可靠，并且在使用上具有灵活的性能。
二、无线传感器网络中差错控制方案及能效的分析
无线传感器网络的信道环境是非常复杂和不好的。
对于那些接收方的信号，不光存在着因为地理环境所引起的衰落和影响，同时还受到开放式信道这一结构所带出的各种噪声干扰的影响。
这些衰落和干扰就容易造成误码的过程中间有不可预期出现的差错，也可能有突发差错，通常的差错是以多径衰落和长突发为主，这就严重损伤了通信的质量。
所以，在无线传感器网络这种变化的混合信道中，必须采用差错控制方案和相关抗衰落技术来提高信号在信道中的传输质量，以保证信息的可靠性传输。
能量有限（受限）是设计无线传感器网络中我们最需要考虑的问题之一，这就使得无线传感器网络中的各个传感器节点，在保证正确通信的情况下，要是整个系统保持利用率的高效，我们还应要求节点的能效最大，即消耗最小的能量，来满足系统的可靠性传输，差错控制系统在计算机网络等各种通信系统中已经研究的很多了，但是这些系统中都没有考虑能效的问题，而无线传感器网络节点却是对能效要求非常高的，所以本章就将上文提出的差错控制方案进行能效分析。
下面将介绍几种无线传感器网络的差错控制方案，本章将基于自动请求重传ARQ、FEC和C-HARQ这三个最基本的差错控制系统，依照无线传感器网络中节点能耗有限和系统低复杂度的要求为依托，基于能效的标准将三种差错方案进行比较，得出实现最简单、能耗最低和系统复杂度最低的无线传感器网络中最优的差错控制方案。
通过查阅相关文献和研究已有的关于无线传感器网络中差错控制能效的研究，我们引用一个典型的能效模型，这个模型能够比较准确的对无线传感器网络差错控制所消耗的能耗进行评判。
能效定义：
无线传感器网络传输能效的定义同时考虑了系统的能耗和通信的可靠性：
其中，ηe是能耗吞吐量，它表示的是数据包中负载的能耗Eeffi占总能耗Etotal的比值。
r=（1-PPER）表示数据包已经被正确接收的概率，用它来衡量通信的可靠性。
因此，能效η代表了相邻的通信节点之间有效传输的能耗占系统总能耗的比例。
2.1前向纠错FEC方案及其能效分析
2.1.1FEC（前向纠错）方案分析
对于FEC的实现即我们采用在发送数据分组的时候加入一串冗余信息，这些冗余信息是接收端用来检测所接收的数据是否出错使用的，接收端能够自主的对数据是否出现错误进行判断，而且能够将出现的错误进行纠正，这样就达到了我们系统所需要的可靠性数据传输。
FEC的核心技术是信道编码，信道编码技术是利用数据符号之间严格的数据结构，构建了一个包含冗余信息的新数据包，且该数据包能够通过编码规律发现自身的差错，并确定码元出错位置，从而予以纠正。
图2.1FEC系统组成方框图
FEC工作原理如图2-1，从信源到信宿只有唯一信道，在系统中数据传输的效率很高，和码速率相同，与系统的误码率和信道的差错率却是没有关系的。
与ARQ不同，FEC不需要发送端进行重传，从而大大降低了通信时延，而可以采用冗余编码立刻进行检错和纠错。
系统不需要系统重传和发送反馈信息的另一个好处就是在系统中可以进行广播通信，即不用等待一个通信结束以后再建立一个通信，可以同时和多个发送端进行通信，基于这一优势，FEC技术被广泛的应用于移动通信中，FEC在通信控制电路上的设计也是非常简单的。
运用FEC也有不利的地方，首先接收端没有办法做出一个最终的正确性判断，即无论译码出来的结果对或者不对，它都直接传送给使用者。
其次我们必须需根据信道的状况，来选择所需使用的纠错码，一些信道状况非常不好的时候，我们就必须选择纠错能力很强的编码，纠错能力强就意味着，编码解码的设计就变复杂，无形中消耗了传感器节点的能量，而且使用的硬件成本也会随之增加，所以使用纠错码来保证系统的传输差错时牺牲能耗和成本来完成的。
FEC系统采用了一种我们称之为“事先避免”的方法，数据传输以后不管有没有丢包或者错误，发送端都不再重传。
使得数据传输的正确率是不可预见的，达不到我们对于通信可靠性传输的要求。
因而，我们不能只单纯的使用FEC技术来控制差错。
除了上文降到的对于能量的消耗意外，FEC还有一重大弊端，就是假如系统的性能会随着丢包率而显著降低的，系统性能受丢包率制约，FEC最理想的使用环境是数据组一个一个的传送。
2.1.2FEC（前向纠错）方案能效分析
采用FEC技术时，传感器节点的总能耗为：
这里
EFECtran为发送数据的能耗，
EFECre为接收数据节点的能耗，Edec是接收端在译码时所消耗的能量。
另外由于BCH码的编码所消耗的能量与译码所消耗的能量相比是非常小的，所以我们这里将编码所消耗的能量忽略不计。
对于BCH码（n,k,t），译码的能耗Edec可用下式表示：
设m=lbn+1，
则FEC技术的能效可以由下式表示：
其中FEC协议中的误包率：
2.2自动请求重传ARQ方案及其能效分析
ARQ技术起初只在计算网络中使用，在计算机网络中使用CRC循环冗余编码对传输的错误进行检测，如果发现错误就返回给发送端一个需要重新发送的指令，如果没有发现错误也需要返回给发送端一个不需要重新发送的指令，发送端在接收到指令以后，确定是重新发送上一组数据还是发送新的一组数据。
而发送端会简单的将检测后出错的数据组进行丢弃。
在研究ARQ的过程中，人们渐渐的意识到简单的丢弃错误数据组是非常浪费的，因为数据组里出错的数据少，大多数是正确的数据，我们可以保留原来这一错误的数据组加到后面重新接收到的这一组数据中进行再次使用。
图2.2是ARQ系统工作原理图，首先ARQ的通信时双向的，采用两个信道传输，信息从信源出发进入编码器中进行编码，编码器对数据进行编码的同时也将信息转到缓冲存储器中，缓冲存储器对编码后的数据进行存储，编码后的信息进入到双向信道传递到信宿端的解码器中进行解码，信宿端的缓冲存储器也会对数据进行存储，解码器解码检测后，验证数据正确就告知指令产生器，指令产生器沿双线信道，反馈一个信息给信源端的重发控制器，重发控制器再告知缓冲存储器将数据进行丢弃。
如果信宿端检验的数据是错误的，信宿端还是会暂存数据留到给再次发送来的数据一起进行解码，同样指令产生器告知信源端重发控制器，重发控制器会控制重传。
图2.2ARQ系统工作原理图
ARQ技术硬件要求不高、实现起来也非常方便，可以保证通信数据的正确传输，ARQ的使用与受到的噪声干扰基本没有关系，因为它主要是要求重传。
依托良好的适应性，不管信道情况如何，我们都能使用ARQ技术。
正因为ARQ技术的这个特点，也会出现另一种情况，在信道情况非常不好的时候，每一次接收到数据都不正确，那么整个系统就长期处在请求重传的状态中，整个通信系统的效率就会非常得低。
下面将介绍ARQ的三种不同方式:
2.2.1SW-ARQ（停止等待式ARQ,StopandWaitARQ）方案分析
SW-ARQ停止等待指的是发送端发出一帧数据后,就等待接收端的确认反馈,发送端如果接收到的是NAK反馈，将进行重发；如果收到的是ACK反馈，再进行下一个数据帧的发送。
图2.3SW-ARQ工作原理
SW-ARQ有一个非常重大的缺点就是每一次发送完数据以后必须等待接收端给予的反馈以后，发送端才能做下一步判断，这样整个系统大多数时间处于空闲状态，系统效率不高。
还需要特别考虑的是这两种情况：
第一，有些时候系统会出现严重的噪声干扰，以至于破坏了数据链路层帧的结构，那么就有可能接收端接收了这一组数据组以后无法去判断是否接收到了这一数据组，接收端也就不会想发送端返回指令，即时返回了指令，也会出现一种情况就是返回的这一条指令丢失了，那么发送端陷入无止境的等待之中；第二，我们还需要解决的是第一次接收到的数据组和第二次重发接收到得数据组会出现重复的情况，我们就要把两次接收到得数据进行编号处理。
2.2.2GBN-ARQ（退回N步ARQ，GoBackN-stepARQ）方案分析
图2.4（a）是退回N步重传的工作示意图,相比较而言退回N步重传的效率要不停止等待重传的效率高，当然它也有一个不好的地方，就是其实在正常的通信过程中，传错的数据其实占少数，然而为了其中一组数据错误导致很多第一次已经正确接收的数据再次重传，系统的效率从而降低了。
图2.4GBR-ARQ方式与SR-ARQ方式工作原理图
2.2.3SR－ARQ（选择重传ARQ，SelectiveRepeatARQ）方案分析
如上文所述，因为退后N步重传浪费了系统资源，那么能不能既不发一组数据等一个反馈，又不用重发已经正确发送过了的数据呢？
那么也就是我们所说的选择重传，系统只重传传错的那一组数据，其余已经被正确接收的数据组都先被接收端存储起来，这样就使得系统效率进一步又提高了，其工作原理如图2.4（b）所示。
对于以上这三种基于选择重传的差错控制方法，基于等停的SW-ARQ的方式最为简单的一种方式，首先对于接收端与发送端的存储设备要求很低，因为不需要存储大量的数据组，而是一个时间段内只存储一个数据组，这样系统就很简化，但是由于是单数据组的重发，要求发送端在接收到接收端反馈的信息以后才会选择是重新发送上一组数据还是发送新的一组数据，整个体统的利用率就大大降低了；退后N步重传效率比等停重传的方式效率要高，因为它是连续发送多个数据组，如果发送错了某一个组数据，就退回到这节数据组，从这节数据组开始后面的数据都重新发送一遍，这样就大大的浪费了系统资源，因为在这节出错的数据后面再次发送的数据组中有些是正确的。
所以在这三种情况中，选择重传的效率最高，系统的利用率也是最高的，因为它是有针对性的，哪一组数据错了，就要求发送端将该节数据重新发送，但是选择重传也有一个劣势，就是不能像等停和退后N步那样顺序的接收数据，接收端接收到数据组以后要对数据组进行编号处理。
2.3混合自动请求重传HARQ方案及其能效分析
混合自动请求重传的技术早在二十世纪六十年代初就开始有人研究。
图2.5是一个简单标准的HARQ混合自动请求重传技术的系统图。
图2.5HARQ混合自动请求重传技术的系统图
混合自动请求重传（HARQ）技术是在自动请求重传（ARQ）系统框架上加入一个前向纠错（FEC）子系统。
FEC子系统通过信道编码自动纠正无线传输过程中引入的误码，减少重传次数，提高系统吞吐量。
当接收端不能正确译码时，该系统将启动重传机制。
混合自动请求重传的设计初衷是希望将前向纠错和请求重传的优势集中起来，更加完善的提供系统通信的可靠性，首先在发送方，将需要发送的数据使用检错码和纠错码进行同时编码，接收端接收到这一组数据后，将数据进行解码，先纠正传输过程中的错误，然后使用检测码进行检测，如果检测出来的数据组是正确的那么就反馈一个信息给发送端，告知这一组数据已经正确接收了，如果检测出来的数据依然是错误的，那么就要求发送端将这一组数据进行重传，如此循环，一直达到系统内部设置到达最高的重传次数。
目前，常用的混合自动请求重传技术有三种，分别是Type-ⅠHARQ，Type-ⅡHARQ和Type-ⅢHARQ。
2.3.1Type-ⅠHARQ方案分析
基本的Type-I型HARQ方案是简单的将ARQ技术与FEC技术相结合，收发端对数据进行解码，如果能够就纠正传输中间出现的错误，那么就反馈一条指令给发送端，确认我已经收到这组数据了，如果发现纠正不了出现的错误，那么就要求发送方将这一组数据进行重传，而接收端就单纯的丢弃这一组数据。
Type-IHARQ技术系统中不保留发送错误的这一节信息数据，而是简单的丢弃，这样一来发送端和接收端的存储器资源都占用的非常少，而且反馈系统的结构也非常简易，实现起来是非常简单方便的。
Type-IHARQ技术在系统中同时进行纠错和检错，但是没有很好的利用传错的那一组数据，接收端只是简单的丢弃，而其中其实是含有很多有用的信息的。
图2.6Type-ⅠHARQ的数据结构图
Type-ⅠHARQ方案在信道噪声和干扰比较稳定的通信系统中使用起来非常实用，这样的通信系统中纠错码一般情况就能够纠正传输过程中间出现的错误，那么系统就不需要花很多资源用来重传使用，整个系统的效率很高。
但是也会出现这样一种情况，当通信条件非常好的时候，我根本不用纠错，但是整个体统还是要进行纠错检错，并且要花很多资源对这些冗余信息进行发送接收，大大的耗费了系统的能量，这个时候选择这一方案又会出现这样一个弊端。
2.3.2Type-ⅡHARQ方案分析
Type-ⅡHARQ方案是针对Type-ⅠHARQ方案中没有利用传输出错的那一组数据进行的一个改良，如上文所说，丢弃的那一组数据其实还含有很多有用的信息，Type-Ⅱ就是为了解决利用这些有用数据而设计的。
大家可以容易的想到如果使用更多的数据信息用来纠正传输过程中出现的错误，利用率得到了大大的提升，同时效率也得到了提升，这就是我们希望在Type-ⅡHARQ方案能够实现的，其具体说来就是当我传输条件好的时候，即信道中的噪声很小的时候我采用简单的请求重传，我不去加入冗余码进行纠错，我只使用检测码进行检测，确定出错就要求发送方进行重传，如果传输条件变得很恶劣的时候，噪声干扰很多的时候，系统就增加一些纠错码进取，进行纠错，基于这样一种自适应的差错控制系统是将系统效率提升到最大化的一种理想的使用方法。
图2.7Type-ⅡHARQ方案工作原理图
其工作原理如图2.7是Type-ⅡHARQ是在Type-ⅠHARQ方案中进行了一次改良，首先它依然采用的是加入纠错码检测码以及重传的机制，当接收端接收到信息以后先对数据进行一次纠错，然后进行检错，如果数据检测依然是错误的，那么接收端会要求发送方将此数据进行重传，接收端保存这一组含有错误的数据。
但是与Type-Ⅰ的不同之处在于，发送方重发的数据和首次发送的数据时有区别的，接收端会只要求发送端发送这一组数据中的一部分，将这一部分数据加到以前的几次出错的数据里里面，进行同时纠错，然后检错译码。
如此周而复始直到收到正确的数据组或者达到了系统设定的最大的重传次数，那么就丢弃这一组数据，进行下一组数据的传输，这是Type-ⅡHARQ工作的最大不同之处，它将几次收到的数据融合到一起进行译码，这样整个系统的使用率就提高了，而含有错误的数据组也被很好的利用起来了。
Type-ⅡHARQ方案使用的是一种递增的冗余的思想来进行差错控制。
2.3.3Type-ⅢHARQ方案分析
Type-ⅢHARQ方案又是在Type-ⅡHAQR方案的进一步改良的方案，它的工作原理如图2.8所示：
Type-ⅡHAQR方案中采用一种互补删除法的思想，其原理是每一组数据分组都自己可以译码，然后通过精确计算，将数据覆盖到没一个比特上，从而将每次发送过来的数据进行一个全面的覆盖，最终合并为一组正确的数据组，这样译码的空间将更为广泛，它并不是拿一次数据组的数据单独的进行译码而是将多次传输的数据进行译码，Type-ⅢHARQ采用这一方案以后，能够显著的提升数据传输的正确率以及系统的效率，也不至于增加过多的冗余信息而消耗系统的能量，所以经过多次改良以后的Type-ⅢHARQ方案属于一种可靠性比较好的方案，能够非常好的提升吞吐量。
图2.8Type-ⅢHARQ方案工作原理图
Type-ⅢHARQ方案和Type-ⅡHARQ一样采用增加冗余的思想，但是两者有一个根本性的不同，就是在于出错的一组分组数据里面的一些比特是正确的并且这些数据组是具有解码能力的，那么我们将每一组数据都进行译码，将译码出来的数据进行一次综合，再来解码，这样就达到了系统最大的效率。
依据重传的冗余版本的不同，Type-ⅢHARQ可以分为只具有一个冗余的Type-ⅢHARQ版本的方案（软合并得Type-ⅠHARQ，每次重传冗余版本均与第一次传输相同）和具有多个冗余的Type-ⅢHARQ版本方案。
2.3.4Chasecombining-HARQ方案分析
这里我们要特别提出ChasecombiningHARQ方案（下文简称C-HARQ），C-HARQ的工作原理：
首先在发送方也是同样的使用了前向纠错对数据进行分组，出现错误以后将对这一组数据进行保存，接收放按照加权组合的形式对数据进行一次处理。
C-HARQ方案缓冲存储器需要的容量非常小，整个系统复杂度低，是简单的一种混合重传机制。
Type-ⅠHARQ方案虽然相比较于不采用ARQ方案就可以降低误码率，但这个方案是时延或带宽换取而来的。
考虑C-HARQ方案中并没有将错误的数据进行丢弃而是选择先存储起来，待再次接受相同的这一组数据以后将此错误的数据组中的正确的比特位拿出来和新接收到的这组数据中的比特位合并，在进行译码，从而达到了提升系统吞吐量的目的。
Type-ⅡHARQ方案发送方重发的数据和首次发送的数据时有区别的，接收端会只要求发送端发送这一组数据中
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