桥梁信息无线传感网的通信纠错技术研究

翟喜和

摘要 文章介绍了桥梁信息无线传感网概念，分析了无线传感网纠错控制的必要性，介绍了桥梁信息无线传感网的通信纠错技术，以及案例系统所应用的基于群ACK技术的CRC-16通信纠错技术。实验比较显示，相比直接检错丢包，CRC-16通信纠错技术对提高无线传感网通信数据的可靠性有一定效果。

关键词 桥梁信息；无线传感网；通信纠错；技术研究

中图分类号 TN929.5文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）10-0010-03

0 引言

无线传感网络（WSN）是将一定数量的微型无线感受器部署在检测目标周围，通过无线通信构成一个拓扑可变的信息自组织网络，据此收集各个传感器节点的工程信息，经处理后以无线传送的方式发送给观测者的工程信息拾取和应用技术。将该技术应用于桥梁健康状态监测，有效弥补了有线监测技术的工程造价高、系统维护难等问题。某跨江公路钢箱梁Ｈ塔悬索桥，长2 160 m，采用无线传感网络进行桥梁健康信息监测，与有线通信相比，无线通信传输过程中的不确定因素更多，诸如空间遮挡、节点运动、信息碰撞、相邻或相同频段噪声影响等等，均可能造成信号快速衰落或干扰，从而造成接收错误。为克服这一不足，该系统采取了基于群ACK技术的CRC-16通信纠错技术，提高监测数据的完整性和可靠性。该文将重点结合某工程案例，研究分析通信纠错技术，旨在为桥梁信息无线传感通信应用提供技术参考。

1 纠错控制的必要性

泰州大桥结构健康监测系统是一个桥梁状态信息实时监测平台，在接收需要信息后，能及时进行信息处理，例如光谱分析、能谱分析等，准确及时地给出预警。信息分析处理必须保证所提供的信息数据的一致性，但是案例中工程地址环境恶劣，存在诸多不确定因素。此外，无线传感器节点和基站之间的通信距离约为1 300 m，尽管射频放大器配置满足该距离要求，但通信距离越长，传输的不确定影响因素就越多，采用纠错控制系统加强和保证通信的有效性和可靠性非常必要。

2 纠错控制技术简介

编码是纠错控制技术的核心，其基础是计算获取待发送信息的码元序列，在相互独立的码元序列基础上，按照一定的关联性或规律性生成校验码，接收器根据相同的规则进行计算，并将其与所接收的校验码进行比较，如果不同，则传输的信息码元存在错误。此方法一般将若干冗余码元称为监督码，按照一定的规则插入到原信息码序列中，构成全新的码元序列。纠错控制编码往往可以将误码率降低若干个数量级，但是引入监督码元会影响信息通信效率。数据通信中经常使用的纠错控制技术有3种。

2.1 前端纠错（FEC）模式

前端纠错（FEC）模式的通信系统见图1。信源发生二进制信息码，纠错码编码器按照一定的规则对其增加冗余，形成具有更高比特率的信息码。接收端的纠错码解码器通过冗余规则，测量判别所接收信息码的准确性，如发现错误所在位置，从而实现前端纠错功能。

FEC模式的优势是无须重复传输。对于接收到的码元序列，接收端可以检测，从而实现实时自动纠错功能。为提高纠错能力，须附加冗余码元，其码元增加量往往占到传输码元量的15%～50%，且纠错编码多比较复杂，所以对编解码系统的要求比较高，功耗当然就比较大。FEC方式一般在低速率、单工通信传输中比较常用[1]。

2.2 自动请求重发（ARQ）模式

自动请求重发意味着发送方发送一个可以检测错误的元码序列，其编码方法主要包括：在数据包末尾添加校验码，接收解码器根据规则和所收到的信息进行解码和校验。如果解码校验等于数据包自带的校验，接收数据正确，则返回确认无错信号；否则会发有错信号，请求重新发送数据。

ARQ模式传输的码元序列仅需要有检错码元，冗余码元量大大降低。与FEC模式纠错相比，解码更简单，硬件资源需求俭省，但发送方和接收方都需要配置缓存器来准备数据重传接收，重传也会在一定程度上带来通讯延迟问题。

2.3 混合纠错（HEC）模式

HEC模式是在FEC模式和ARQ模式的基础上，结合两者的优缺点，适应环境的组合模式。当信道环境较好、传输错误较少时，FEC模式可以实现前端纠错；当信道干扰比较大且传输错误较多时，HEC模式改为自动重传请求。发射机发送的是有一定纠错能力和强检错能力的码，因此信道编码的额外监督码元并不多。當接收端检测到数据流时，FEC子系统在发现错误时自动纠错，只有当有很多错误超出纠错能力时，才发回反馈信息请求重传，从而大大减少了重传次数。

3 CRC-16通信纠错技术

案例桥梁健康监测系统的信息发送方和接收方都具备冗余循环校验（CRC）功能，具体见图2所示。每一次编码发送，都要配合一次CRC校验码计算。完成了帧头和负载发送后，芯片会将计算出的校验码附加到传输码元中。接收端每接收一个码元字节，也要配合一次CRC校验码。接收后，通过比较计算所得校验值和接收数据包自带的最后2个校验码，判别所接收数据是否准确。编解码采用CRCITT标准，校验计算多项式如下[2]：

CRC-16拥有很强的传输检错性能，能够检测所有的双错、单错和奇数位错误，所有≤16位的传输错误能够全部被检出，17位和18位传输错误的检出率也分别可达99.997%和99.998%。图3显示的是一个16进制的数据包，其中包括帧头与负载。

CRC-16通信技术集成支持IEEE802.15.4协议。其在RF230和CRC2420射频芯片所提供的编解码性能基础上，能够简单剔除所检测到的错误信息，保证接收数据的准确性。另外CRC尽管有很强的检错能力，但是对数据传输中的位移差错不够敏感，存在传输过程丢失字节的现象。此错误多是发送端准备检错码序列之前形成的，所以接收端除需要提供CRC检错外，还需要具备对MAC帧头的标志位正确性的验证能力。

桥梁健康监测系统对数据传输的完整性和准确性要求很高，这要求检测系统必须具备较强的识别和处理错误数据包的能力。

BCH循环码见表1所示，k表示实际可以使用的有效数据比特数，t表示可以纠正的错误比特数，n代表数据包长度。查表可以看出，如果数据包127位，对随机发生的10位错误进行纠正，那么有效数据位则仅有64位，整个数据包几乎一半被冗余纠错码所占据。另外，纠错码还需要进行接收解码，这无疑会增加CPU的负荷。显示前向纠错编码虽然对于信道传输中的双错和单错纠错有效，但是对于硬件资源有限或注重纠正传输过程中多位突发性错误的监测系统则适用性不足[3]。

其次，1EEE802.15.4协议确认支持（ACK）机制。发送一帧数据后，发送方开始等待接收方返回确认信息。在一定时间内如果没有收到确认信息，将重新发送。虽然这样做增强了通信数据的可靠性，但信道利用率较低。同时考虑到当无线传感器节点接收到传输信令时，缓冲区中可能存在多个数据包在等待发送，因此在一个轮询过程中可能会形成有多个数据包同时等待或发送的情况。但ACK模式对克服上述情况具有技术优势。当无线传感器节点接收到基站发送的轮询信令时，会检测缓冲区中是否存在等待发送的数据，如果存在，则依次发送缓冲区中的数据。在每次传输之后，不需要等待来自基站的确认回复。传输完成后发出结束信息，再等待来自基站的确认信息。

ACK数据中包含基站在这次轮询中接收的所有数据包及其计数，根据该信息，无线传感器节点检查是否有已经发送但没有被正确接收的数据包。如果存在，将重新发送，并且发送完成后仍然会有一个结束信息。ACK要求无线传感器节点在发送数据后，将发送的数据在缓冲区中存储一段时间，以便为再次发送做准备。缓冲区释放设计是在收到新轮询信号后，将上一轮询所发送的缓存数据包清空。

基于群ACK模式所改进的通信控制协议跟简单轮询通信协议的区别在于，前者由定时器中断触发器控制基站轮询信息的发送周期，虽然后者也有超时等待定时器，当定时器触发中断时，也会向下一个节点轮询，但更多的时候，是基站根据所收到的结束信息而启动轮询下一个节点。

4 实验比较

通信控制就是对信道干扰、能耗、时效、纠错等因素进行优化调控，实现更优化通信状态的控制实施过程。随着信道质量的降低和通信干扰的增加，通信过程中出错的概率相应增加，纠错控制的难度也会对应增加。要维持相应的正确率，系统的能量消耗必然相应增加。其间通信的往复率也会对应增加，系统通信的实时性就会有所降低。

与简单的错误检测和丢包处理相比，群ACK机制寻求尽量恢复因为通信干扰、信道衰落等原因导致的错误包，以增加通信的准确性和可靠性。案例检测系统是个实时在线的桥梁健康状态检测系统，传感器实时采集的数据是及时预警的基础。群ACK机制只是追求在有限的时间内尽力获得数据，而不追求极限纠错控制，由于及时获取当前数据比正确获得过去某个时段或时点数据的意义更大，所以群ACK机制更注重时效性与容错性之间的折中设计。

在实验中，我们利用1个无线感受器节点和1个基站，模拟案例大桥状态实时监测中的数据传输纠错控制问题。以最小的发射功率发送传感器节点数据，同信道的另1个感受器节点连续发送干扰信号。传感器节点加入不同的衰减器，其他条件保持不变。基于群ACK轮询通信机制、简单的错误检测和丢包处理模式，比较各种状态下基站接收数据的完整性。试验结果具体见图4所示。

丢包率曲线比较显示，在相同的信道环境、发射功率、干扰状态以及相同衰减器下，群ACK的轮询传输机制与简单的检错和丢包处理相比，提高了传感器数据的丢包率。当衰减比较小时，两者的丢包率都较低，特别是使用群ACK机制，丢包率几乎可以保持为零。随着衰减的增加，两种设备的丢包率相应增加，但是相比直接檢错丢包，群ACK的性能还是存在明显提升。当衰减较大时，群ACK的改善功效减弱。

通过检查由传感器节点接收的数据的完整性，基站计算由节点发送的数据包中未被正确接收的比例。这里的丢包率是传感器数据包的丢包率，而不是节点发送的所有数据包，所以不包括结束信息。此丢包率也可能是因为节点长时间没有收到轮询信号，缓存中的数据被盖覆导致的，因此丢包率也与节点灵敏度和基站发射功率相关。

5 结语

该文主要研究了桥梁工程无线通信中的纠错控制技术，阐述了纠错控制的必要性，介绍了3种采用的纠错控制技术以及案例所应用的基于群ACK轮询技术的CRC-16通信纠错技术。通过错误检测及丢包处理功效比较，结果显示该技术可以有效提高无线数据通信的可靠性。

参考文献

[1]徐其飞. 无线传感器网络差错控制技术研究[D]. 南京：南京理工大学， 2008.

[2]聂秋玉. 无线传感器网络中差错控制和拓扑控制技术研究[D]. 合肥：合肥工业大学， 2006.

[3]吉林， 丁华平， 沈庆宏. 基于无线传感器网络的桥梁结构健康监测[J]. 南京大学学报（自然科学版）， 2011（1）： 19-24.