CN100440981C - 无线内窥镜系统高码率超短距离的自动请求重发通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线内窥镜胶囊的医学图像传输领域，其特征在于：它采用了SP+SW混合的ARQ通信方法，依次含有以下步骤：无线内窥镜等待并根据接收到的命令发送图像；体外便携式无线接收装置发送重传错误包命令，同时传送错误包号及依据最大成功概率准则和能量效率最高准则得到的最佳包长；无线内窥镜根据重发命令确定是连续还是断续发送错误包，并在全部发送完毕后发出反馈错误包命令；等到一帧图像的数据包全部传送完毕，发出进行下一次图像采集的命令；若所发控制命令有误，无线内窥镜胶囊便等待，一直到收到正确的传输控制命令为止。本发明在不同信道质量下的效率均比SW ARQ方法要高至少12%。

Description

无线内窥镜系统高码率超短距离的自动请求重发通信方法

技术领域

本发明属于无线内窥镜系统的医学图像传输通信技术领域。

背景技术

双向、数字化无线内窥镜系统涉及与图像通信方面有关的主要性能指标和相关通信信道的特征包括：

a)体内到体外是高速率的图像传输(2Mbps)，而体外到体内是低速率发送简单的控制命令(128Kbps)。体内到体外码率是根据系统采集最大彩色图像尺寸(307200像素点)、最大传输图像的速率(2帧/秒)以及采用作者提出的一种基于Bayer彩色格式的无损和准无损图像压缩方法，其平均压缩率能达到2.18比特/像素点等来确定的。

b)囊外的便携式无线收发与数据传输装置是穿戴在患者身体上的，因此从胶囊内到体外图像接收装置的距离大约是在70cm内；

c)用于通信距离近，对于通信码率小于10Mbps以内的通信，无需考虑其多径干扰和码间串扰等问题；

d)采用ISM段的通讯频率：2.4GHz；

e)发端之间仅是人体的骨骼、肌肉、皮肤和其它各种组织，因此通信信道环境较好，存在干扰少，但电磁波的衰减较大。利用猪肉(厚7cm)模拟人体环境进行了通信信道的实测，如下表1测试结果。结果表明在ISM段的无线电波穿透人体的主要特点是衰减大。在916MHz时人体的组织带来的衰减大约在24dB，与文献中的结果基本相同，考虑频率为2.4GHz，如果加上自由空间带来的衰减，可以估算出从体内胶囊到体外的接收装置之间的衰减大约为72dB。

f)为便于分析，假设无线通信信道独立随机误码信道。

表1  ISM三个不同频率信号模拟穿透人体的信道衰减测试结果

发明内容

由上分析可知双向数字化无线内窥镜系统的通信属于一种高码率(2Mbps)、超短距离(≤70cm)的数字通信。当前一些高速率通信标准和协议，如蓝牙，HomeRF以及IEEE802系列的已发布通信标准等都不适合于无线内窥镜通信系统，因为这些协议相对是比较复杂，需要考虑相对恶劣的信道条件，如多径干扰和码间串扰等。而在无线内窥镜系统内，高质量、低复杂度的图像通信是整个系统设计的关键，因此该通信体制或协议设计的出发点是在保证高质量图像通信的前提下使胶囊内的通信电路实现尽量简单。由此本发明提出了一种低复杂性、高效率的双向数字化无线内窥镜的通信方案：

1)采用收发同载波频率的半双工无线通信方式，这样体内射频前端只需一个收发开关即可实现收发转换，无需双工器、环形器或双天线等方案，减小了体积，也降低了设计和封装难度；

2)为了保证高质量的图像通信，采用ARQ通信体制；

3)ASK的调制方式，使得电路实现简单，功耗低；

4)采用不对称的通信方式：从胶囊内到外的正向传输图像通道采用高码率，但从胶囊外往内部仅传输简单的控制命令，因此反向信道采用低码率通信；

5)系统信道编解码主要考虑两方面：

i)胶囊内的编码与解码方式必须简单，以保证胶囊内的低功耗；

ii)尽管ARQ方式是一种高可靠的错误控制技术，但它无法对正向信道不可检错与反向信道差错的情况进行处理，所以必须选择一种编码方式使得正向信道不可检错与反向信道差错出现的概率趋向于0。

因此，体内和体外的信道编解码方式均采用CCITT的CRC16bits的校验方式，其生成多项式为：G(x)＝x¹⁶+x¹²+x⁵+1。其不可检错的概率情况从文献可知：在数据包长为4096bytes，信道误码率10^-5时，其不可检错率＜10^-8，信道的误码率10^-6时，不可检错率＜10^-12。而实际的包长要比4096bytes短很多，因此采用CCITT的CRC16校验方式可以忽略正向信道不可检错和反向信道差错的情况。

6)支持系统休眠的机制。

7)胶囊内系统对采集的每一帧图像数据进行压缩后，会全存入SRAM中，以保证在信道比较差时能够反馈重传任何已出错的图像数据包，实现无损图像通信。

本发明的特征在于：该方法是一种在体内无线内窥镜胶囊和体外便携式无线收发机数据传输装置之间以2.4GHz通信频段通过独立随机误码信道、以CCITT的CRC16bits的校验方式、采用停止加等待和自动请求重发相混合的自动选择请求重发的半双工通信方法，所述内窥镜胶囊内置有由图像传感器、医学图像数据的调制和处理装置以及无线收发装置构成的数字集成电路芯片，以2Mbps的速率传输医学图像，所述体外便携式无线收发机数据传输装置由内置MCU的无线收发装置构成，以128Kbps的速率发送控制命令；所述半双工通信方法依先后有以下步骤：

步骤1：按下述在规定的一帧图像传输的最长时间t₀内成功传送一帧图像压缩数据的概率P_D(t≤t₀)最大准则和最大能量效率准则确定所述半双工通信方法中的反向信道即从体外到体内数据波特率B₁：

$P_D(t\≤t_0)=\underset{i=0}{\overset{\min \{N_1,N_2-N_1\}}{\mathrm{\Σ}}}p\left(i\right)$

其中，N₁为在t₀时间内最少必须传送的信息包数，排除需重传的信息包数：

L≥A+1

N₂为在t₀时间最大可能传送的信息包数，包括需重传的信息包数：

以上N₁和N₂计算式中，

表示取整数上限运算；

M为传输一帧压缩图像数据的总位数；

L为一个数据包的总位数；

A为一个数据包中非数据位总位数；

B为正向即从体内往体外的信道的数据波特率；

Δt为反馈重传一个包所需要的时间：Δt＝L₁/B₁；

L₁为反向控制命令数据包的长度；

p(i)为出错i次仍能在t₀时间内传输一帧图像的概率：

$p\left(i\right)=C_{N_1}^i\×P_r^i\×{(1-P_r)}^{N_1-i}(1-\underset{m=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{N_2-N_1}^m\×P_r^{N_2-N_1-m}\×{(1-P_r)}^m);$

P_r为误包率：

P_b为信道误码率，设定值：

$p\left(0\right)={(1-P_r)}^{N_1},$ p(0)为i＝0时的概率；

当各项指标及设计要求确定后，其中的t₀、B、L、L₁、M、A各值为已知值，而从系统方案待选的几个B₁可以求出对应的Δt，对于每个B₁求出的Δt以及所述其他已知参数，可以得到不同信道条件下(即不同P_b)下，P_D(t≤t₀)随包长L的变化曲线，以P_D高于一定值或P_D位于峰值附近一定范围作为标准，可以得到不同B₁下满足最大成功概率准则的最佳包长的范围

根据下述传输能量效率η计算公式，得到不同B₁下，η随包长L变化曲线：

$\mathrm{\η}=\frac{((L-A)/B)*{(1-P_b)}^L}{(L/B)+a*(L_1/B_1)*(1-{(1-P_b)}^L)}$

记

为给定的某个B₁下，η达到最大值时的最佳包长；

按照

落在

区间内的标准，确定所述半双工通信方法中的反向信道数据波特率B₁=128kbps，使得最大概率原则和最大能量效率原则能够同时得到满足。

步骤2：所述无线内窥镜的图像传感器采集到医学图像后全部存入SRAM中，并以一帧图像为单位，把每帧图像分割成包后进行按包传输：

每帧图像的帧结构为：

位同步训练序列码+帧同步码+n个数据包；

每包的包结构为：

数据包长度+图像数据+图像的结束标志和位置序号+CRC校验码；

步骤3：所述无线内窥镜胶囊等待体外便携式无线收发装置传来传输控制命令；

步骤4：所述体外便携式无线收发装置向所述无线内窥镜胶囊发出传输控制命令，该传输控制命令的包结构为：

同步训练码+胶囊识别码+控制命令+CRC检验码；

步骤5：所述无线内窥镜胶囊的无线收发装置向体外便携式无线收发装置一次性地逐包发送图像数据：

步骤6：所述体外便携式无线收发装置接收到步骤5所述图像数据后，如有若干数据包有错误时，便根据当前信道条件，确定需要重传的数据包以及相应的长度，然后把重传包的序号以及长度信息发送给无线内窥镜胶囊，在确定重传包的长度时，根据N₁、N₂、P_r、t₀、Δt、B、L、L_l、M、A各值为已知值，当把这些值以及步骤1所述B₁预置于MCU中，便可由此求最佳包长L_opt：

$L_{\mathrm{opt}}=\frac{A}{2}(1+\sqrt{1+4\frac{\mathrm{\γ}+P_b^{-1}}{A}});$

其中γ表示反向数据折合为正向数据所占的数据位数： $\mathrm{\γ}=\frac{W_r}{W_t}\frac{L_1}{B_1}B,$ W_t为胶囊内的发送功耗，W_r为胶囊内的接收功耗；

步骤7：所述无线内窥镜胶囊在收到步骤6所述的重传命令、错误包序号及相应的包长后，按以下不同情况予以不同的处理：

若：出现连续的包传输错误，则在传输完的有错误的连续包后，发一个反馈重传错误包信息给该体外便携式无线收发装置；

若：出现断续的包传输错误，则在发送完的有断续地出现错误的包后，总的发一个反馈重传错误包的信息给该体外便携式无线收发装置；

当每帧图像所有数据传输正确后，再向该体外便携式无线收发装置发一个确认全部图像数据传输正确的信号，同时启动所述图像传感器进行下一次采集图像并传输的过程；

步骤8：若所述无线内窥镜判断来自体外的传输控制命令有误时，则进入等待下一个传输控制命令的状态，一直到接收到正确的传输控制命令为止。

本发明不仅保证了2Mbps码率下无失真的图像传输，而且反向信道码率为约128Kbps时无线内窥镜胶囊内通信的能量效率以及在规定的时间内正确传输图像的概率均为最优。仿真实验表明：本发明的通信能量效率比SWARQ方案平均高出18％。

附图说明：

图1.ARQ通信的流程框图。

图2.体内到体外传输图像的(a)帧结构和(b)包结构图。

图3.胶囊外到胶囊内传输控制命令的包结构。

图4.SR+SWARQ方案中传输的数据包顺序。

图5.数据包长L和在规定时间t₀＝0.5秒内传输一帧压缩图像的失败概率-logP_r之间的关系：

a：B₁＝32Kbps；b：B₁＝64Kbps；c：B₁＝128Kbps；

d：B₁＝256Kbps；e：B₁＝512Kbps。

图6.传输能量最大准则和常规吞吐量最大准则在可加性白噪声条件下效率和包长关系曲线。

图7.在无线内窥镜系统中SR+SWARQ方案与SWARQ方案在不同信道情况下的能量效率与包长的比较曲线。

图8.本发明的程序流程框图

图9.无线内窥镜系统的硬件构成框图

具体实施方式

有三种最基本的ARQ方案，即停止和等待(stop and wait)，选择重传(selective repeat)以及回退N步(go-back-N)等方案。其中只有停止和等待的ARQ方案能用于半双工的通信方式中，但该ARQ的通信效率比较低，因此，本发明提出了一种新的高效的“选择重发(selective-repeat)”和“停止等待(stop and wait)”混合的ARQ通信方案，具体方案如下：

1)ARQ方案中以一帧图像为单位，把每帧图像分割成若干个包进行传输，当每一帧图像传输完毕后，体内会等待体外发送的命令，根据该命令来确定下一步是反馈重传错误包，还是采集新的一帧图像进行传输。也即是“选择重发(selective repeat)”+“停止和等待(stopand wait)”混合ARQ通信方式，图1是ARQ通信的流程框图。胶囊内到胶囊外传输图像的帧与包结构如图2所示。胶囊外到胶囊内传输控制命令的包结构如图3所示。

2)在提出的SR+SW混合模式ARQ方案中，无线数据通信的传输过程可分为两个阶段：数据传输第一阶段是把从CMOS图像传感器采集和压缩后的一帧图像数据分成若干个数据包后，一次性通过无线信道传输到体外，然后等待接收来自体外的命令，当接收到来自体外的命令，然后进入数据传输的第二阶段；第二阶段是根据接收到的命令，选择在第一阶段传输出错的数据包进行重传，一直到整幅图像的所有数据包全部传输正确。图4中显示了在提出的ARQ方案中，传输的数据包顺序图。图中RTD表示环路延迟时间：即从胶囊发送完最后一个比特数据，到接收到体外发来新的数据命令之间的这段时间，也可用如下公式表示：

RTD＝电波传播延迟时间+胶囊外数据解码的时间+胶囊外到胶囊内的反向数据传输时间+胶囊内接收数据的解码时间    (1)

由于考虑无线内窥镜的通信距离非常短(大致在70cm左右)，因此无线电波所造成的环路延迟时间大约3.3nS，可以忽略。另外，由于胶囊外到胶囊内的反向传输码率(大约128kbps)相对体外和体内接收机部分的解码部分解码电路的处理速度(20MHz，40MHz)非常小，所需传输时间长，因此体内、外数据的解码时间同样可以忽略。系统的环路延迟时间可以简化为公式(2)，它主要是由胶囊外到胶囊内的反向数据传输时间所决定。

RTD≈胶囊外到胶囊内的反向数据传输时间＝包长/反向码率    (2)

本发明提出的ARQ方案中数据传输过程可描述如下：在胶囊外接收机收到一帧图像数据中，有若干数据包有错误时，体外系统会根据当前信道条件，确定需重传的数据包以及相应的长度，然后把重传包的序号以及长度信息发送给胶囊。如图4中在传输第一阶段的第一帧图像2，3和4数据包中有错误，则胶囊外接收机会根据信道条件把这三个需重传的数据包序号以及重新分配的包长信息发送回胶囊，而胶囊接收到该信号后会根据需重传的包以及包长，重新组织2，3，4包中的数据为m1个包(m1≥3)，然后重传这些包，一直到全部数据传输正确为止。当胶囊收到外部传来的ACK信号时，又开始重新采集新的一幅图像然后进行传输。值得注意的是，在本发明提出的SR+SW ARQ方案中对于那些传输正确后的数据包无须一个ACK信号进行确认，而只在每帧图像所有数据传输正确后有一个ACK信号，以用来启动CMOS图像传感器进行新的图像采集以及传输过程。然而在SW ARQ方案中，每个数据包传输正确后都必须有一个ACK信号来确认，因此与SW ARQ方案相比较，本发明提出的方案将会节省大量的等待接收ACK信号的时间。特殊情况下：a)当胶囊内判断接收到来自体外的控制命令传输出错时，胶囊内系统将不动作，继续等待接收下一个命令，而体外系统在没有接收到胶囊内的任何反馈数据时，会继续循环发送该控制命令；b)当信道条件恶劣时，胶囊内系统在反复无法收到正确的控制命令时，系统会自动进入休眠状态。

3)对发生错误包的重传情况分为两种进行处理：i)当接收到错误包连续的情况，接收端会向体内胶囊发送一次反馈重传命令，命令中含有第一个错误包的起始序号以及连续错误包中最后一个包的序号，胶囊将根据该命令把连续错误包作为一帧数据再次发送出去，见图4所示在发送第一幅图像时2，3，4包出错属于该情况；ii)错误包不连续情况，则体外针对每个不连续的错误包发送一次反馈重传的命令，如图4所示，在发送第二幅图像时，2和4包出错，由于两个包不连续，因此必须针对两个出错包分别发送NAK(2)和NAK(4)的重传信号。第二种错误包的重传方式类似于SW ARQ，只是每个包少一个反馈的ACK信号。

4)采用能根据信道条件动态自适应改变传输包长的ARQ机制，使得在不同信道条件下保证通信效率是最高，且在指定时间内能够正确传输一帧图像的概率最大。在信道误码率一定的前提下，本文提出采用如下两种自动请求重发(ARQ)体制的包长确定准则：

A)最大概率准则：即在规定时间内正确传输一帧图像的概率最大，作为包长选择标准，该标准保证图像通信中传输正确率和传输实时性。

B)最大能量效率准则：由于胶囊内的低功耗是关键，因此传输的能量效率最大仅指体内的无线收发信机以最小能量完成传输一幅图像，即选择最佳包长确保胶囊内能用最小的功耗完成一帧图像的传送，不考虑体外接收机和发信机的功耗。该标准保证在图像通信中胶囊内收发信机效率是最高。

根据无线内窥镜系统对图像质量、帧率以及无线内窥镜胶囊低功耗的要求，包长的选择需在保证第一标准的前提下，尽量满足第二个标准。下面分别对两个包长确定标准进行讨论。

最大概率准则先做如下假设：

在规定的最大时间t₀内成功传递一帧图像压缩数据的概率为P_D(t≤t0)；

假定在规定的t₀时间内(一帧图像传输的最长时间)最少必须传送的信息包数为N₁(不包括需重传的信息包数)；

假定在规定的时间t₀内最大可能传送的信息包数为N₂(包括需重传的信息包数)；

由假设2)和3)能把假设1)等效转换成如下描述：在不超过N₂的包数内成功地传送由N₁个信息包组成的图像数据的概率为P_D；

信道误码模型假设为独立随机误码信道。独立随机误码信道的比特误码较分散，就重传次数而言是ARQ系统的最差信道环境。

重传机制：

传输完一帧图像后，在接收端对数据进行CRC校验，对发生错误的包进行反馈重传；

为了简化反馈重传的数学模型，在仿真情况中只考虑不连续包出错时反馈重传的情况。

根据前面对系统信道编码的检错性能的分析，系统只考虑正向信道可检错，反向信道无差错情况。

考虑无线内窥镜的信道质量高(信道误码率小于10^-4)，反向控制命令数据少(64bits)，为简化问题的分析，假设反向信道无误码。而且在实际系统设计中即使发生反向信道误码情况，胶囊内系统将不动作，体外系统会连续不断发送同一控制命令，在两次发生信道误码概率将小于10^-7，可以近似为不可能，因此即使发生一次反向信道误码，而第二次必然接收正确，那么此时环路延迟时间将不超过2mS，可以忽略由于反向信道误码带来的影响。

因此有如下几个关系式：

L≥A+1   (3)

N₂≥N₁，即：

其中Δt＝L₁/B₁，

表示取整数上限运算；B：正向信道数据波特率；B₁：反向信道数据波特率；t₀是规定成功传送一帧压缩图像数据允许的最大传送时间；L：一个数据包的长度；L₁：反向控制命令数据包的长度；A：一个数据包中非数据位数之和；M：传输一帧压缩图像数据的总位数；Δt是反馈重传一个包所需要的时间；N₁和N₂是整数。

根据前面的假设，我们可以得出如下的误码公式(6)(出错i次仍能够在规定时间内传输一帧图像的概率为p(i))：

$P_D(t\≤t_0)=\underset{i=0}{\overset{\min \{N_1,N_2-N_1\}}{\mathrm{\Σ}}}p\left(i\right)---\left(6\right)$

当i＝0时，

$p\left(0\right)={(1-P_r)}^{N_1}---\left(7\right)$

其中误包率P_r＝1-(1-P_b)^L，P_b是信道误码率。

当i≥1时，

$p\left(i\right)=C_{N_1}^i\×P_r^i\×{(1-P_r)}^{N_1-i}(1-\underset{m=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{N_2-N_1}^m\×P_r^{N_2-N_1-m}\×{(1-P_r)}^m)---\left(8\right)$

从(6)式可知P_D是由P_r，t₀，Δt，B，L，M，A等的值来确定的，其中P_r是信道误码类型的函数，N₂和N₁则根据系统的设计要求来确定。当一个通信系统的各项指标确定后，也即t₀，Δt，B，L，A，M各值为已知量，根据公式(6)求解在一定P_b条件下，得到包长度L和P_D之间的关系，从而获得最佳的包长度使得P_D的值最大，即实现了在规定时间内正确传输一帧图像的概率最大。

最大能量效率准则所作的假设和最大概率准则一样。另假设当胶囊内电路系统处于发射数据阶段时，胶囊内的功耗为W_t，当胶囊内电路系统处于接收体外命令数据阶段时，胶囊内的功耗为W_r。由于接收机结构相对发信机而言要简单而且码率低，因此有W_r＝aW_t，其中0＜a＜1。为了对提出的SR+SW ARQ方案的分析方便，本发明只对ARQ方案中错误包重传的第二种情况，即错误包不连续情况进行分析，这样提出的SR+SW ARQ方案就类似于SW ARQ方案，只是每个传输正确的包少一个对应的ACK信号。考虑一帧图像是由若干数据包组成，每个数据包的通信传输能量效率可以代表一帧图像的传输能量效率。因此从胶囊内的收发信机功耗角度考虑(由前面分析可以忽略正向信道不可检错与反向信道差错的情况)，成功发送一个数据包的平均功耗为：

$W_{\mathrm{AVG}}=W_t*(L/B)*(1-P_r)$

$+{2W}_t*(L/B)*(1-P_r)*P_r+W_r*(L_1/B_1)*(1-P_r)*P_r$

$+{3W}_t*(L/B)*(1-P_r)*P_r^2+{2W}_r*(L_1/B_1)*(1-P_r)*P_r^2$

$+{4W}_t*(L/B)*(1-P_r)*P_r^3+{3W}_r*(L_1/B_1)*(1-P_r)*P_r^3$

$+L---\left(9\right)$

$+{\mathrm{mW}}_t*(L/B)*(1-P_r)*P_r^{(m-1)}+(m-1)W_r*(L_1/B_1)*(1-P_r)*P_r^{(m-1)}$

$+L$

上式中，第一项W_t*(L/B)*(1-P_R)表示数据包经过第一次传输就正确时的平均功耗；

第二项2W_t*(L/B)*(1-P_r)*P_r+W_r*(L₁/B₁)*(1-P_r)*P_r表示数据包经过两次传输才正确时的平均功耗，因为提出的ARQ方案中没有ACK信号，所以胶囊只接收了一次NAK信号；

第m项mW_t*(L/B)*(1-P_r)*P_r ^(m-1)+(m-1)W_r*(L₁/B₁)*(1-P_r)*P_r ^(m-1)表示数据包经过m次传输才正确接收时的平均功耗。

在上式中忽略了在每一幅图像数据传输成功后接收一次ACK信号所需的功耗，因为该功耗与整个成功传输一幅图像数据所需的功耗相比是非常小的常量，因此不影响对方案的分析，是合理的。

上式可以简化为(10)式：

$W_{\mathrm{AVG}}=\frac{W_t*(L/B)}{(1-P_r)}+\frac{W_r*(L_1/B_1)*P_r}{(1-P_r)}---\left(10\right)$

$=\frac{W_t*(L/B)+W_r*(L_1/B_1)*P_r}{(1-P_r)}$

那么可以获得成功传输一幅图像的传输能量效率表达式：

$\mathrm{\η}=\frac{W_t*\left((L-A)\text{/B}\right)}{W_{\mathrm{AVG}}}+\frac{W_t*((L-A)/B)*(1-P_r)}{W_t*(L/B)+W_r*(L1/B1)*P_r}---\left(11\right)$

把P_r＝1-(1-P_b)^L带入(11)式，可以获得在不同误码率P_b的前提下，动态调整包长L和η值的函数关系式(12)，求极值可以获得传输图像能量效率最大时对应的最佳包长值。

$\mathrm{\η}=\frac{W_t*((L-A)/B)*{(1-P_b)}^L}{W_t*(L/B)+W_r*(L_1/B_1)*(1-{(1-P_b)}^L)}$

$=\frac{((L-A)/B)*{(1-P_b)}^L}{(L/B)+a*(L_1/B_1)*(1-{(1-P_b)}^L)}---\left(12\right)$

因此最大能量效率准则即是保证通过调整包长变量L，来使得η值最大。在实际设计的无线内窥镜系统中a＝0.7，可以通过选择反向码率B₁，使得方案中的两个准则都得到满足，这将在下面进行讨论。

SR+SW ARQ方案中反向码率的选择：根据要实现的系统性能指标，可以获得(3)-(12)式中用到各变量参数的具体值如下：

M＝640×480×2.2+96＝675936bits，t₀＝0.7s，Δt＝0.00088s，B＝2M bps，A＝6×8＝48bits，L₁＝112bits，a＝0.7。

最大概率准则的应用和仿真结果分析：由于无线内窥镜系统的通信信道质量较好，在试验仿真中只考虑了P_b≤10^-4的情况。把M、t₀、Δt、B、B₁、A等值代入公式(6)-(8)，可以得出L和P_r(P_r＝1-P_D，P_r表示传输一帧图像的失败概率)的关系，如图5中显示了信道误码率为10^-7，10^-6，10^-5，3.0*10^-5，4.0*10^-5，10^-4等六种误码率情况下的L和-logP_r的关系曲线。由于计算精度问题，导致计算的P_r值只能达到10^-16，因此图中的曲线出现了切顶的现象，但这并不影响问题的分析。我们可以在讨论前作如下处理：

a)在图像失败概率达到很小时，即传输一帧图像失败概率logP_r＜-15时，近似认为P_r＝0；

b)在图像失败概率值比较大时，把曲线峰值附近-logP_r值相差为0.1％的值近似认为与峰值相等。

从图5可知道最佳包长是存在于一个带宽区间，如表2统计了在“最大概率准则”下的不同信道误码率、不同反向信道码率的最佳包长情况。根据该仿真结果可以得出如下结论：

1)当信道误码率越低时，最佳包长的带宽也就越宽；

2)信道误码率低时的最佳包长的带宽覆盖了信道误码率高时的最佳包长带宽；

3)环路延迟时间Δt(忽略电磁波传播时间和硬件的延迟时，Δt和反向信道码率成反比)越小，最佳包长的带宽相应会越宽，而且在低信道误码率时，最佳包长的最大值也越大；

图5中曲线的振荡和阶梯现象是由于当压缩图像数据长度不能被一个数据包长度整除时导致的现象。

表2不同码率与不同信道误码率条件下最佳包长带宽表，带宽的单位是字节

最大能量效率准则与仿真结果分析：把实际无线内窥镜系统设计的数据代入传输能量效率公式(11)中，可以得到在不同反向码率条件下最佳包长，如表3所示。

表3在最大能量效率准则下，不同码率(体外到体内)与不同信道误码率条件下的最佳包长表，L单位是字节

综合前面最大概率准则下获得的结果分析知道，最佳包长值是在一个带宽区域内，而按照最大能量效率准则下获得的最佳包长是唯一的一个最佳值。为保证通信系统能够同时具有最高传输的能量效率和最大传输正确率，也即使得传输的能量效率包长最佳值能落在正确传输概率的最佳包长区域内。从表2和表3可知，当信道误码率增加时，要同时能满足两个标准的要求，只有提高反向信道的码率才能达到。通过选择反向信道码率值B₁，可以获得同时满足两个标准意义下的最佳包长值。从表2和表3分析，显然只有在B₁≥28Kbps时，在P_b＝10^-4的信道条件下最佳包长仍能同时满足两个准则的要求，因此实际系统中选择B₁＝128Kbps，它保证了胶囊内接收机电路实现的低复杂度和低功耗，而且系统在信道质量较低(P_b＝1.0×10^-4)时也能工作在比较高的传输正确率上(P_r＜10^-2.2)和效率上(η＝77.59％)。

在确定了反向信道的码率后，最佳包长确定则只需要考虑最大能量效率准则即可。

SR+SW ARQ方案的性能仿真分析：为了更好地分析SR+SW ARQ方案，本发明先对方案中用到的最大能量效率准则以及在该准则条件下获得的最佳包长公式进行分析。

最佳包长的公式推导：为了分析和获得最佳包长的公式，先做如下假设：

1) $\mathrm{\α}=\frac{W_r}{W_t}$ 表示胶囊内系统在接收控制命令状态时的功耗与发射图像数据状态时的功耗之比；

2) $\mathrm{\β}=\frac{B_1}{B}$ 表示反向传输码率和正向传输码率之比；

3) $\mathrm{\θ}=\frac{L_1}{L}$ 表示反向数据量和正向数据量之比；

4)表示反向传输一个包的时间和正向传输一个包的时间之比；

5)

表示胶囊内处于接收状态时的能量消耗和发射状态时能量消耗之比；

6) $\mathrm{\ϵ}=1-\frac{A}{L}$ 表示数据包中有效数据比例，表示数据包效率，

于是有：

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\ϵ}{(1-P_b)}^L}{1+\mathrm{\χ}-\mathrm{\χ}{(1-P_b)}^L}=\frac{(1-\frac{A}{L}){(1-P_b)}^L}{1+\frac{\mathrm{\γ}}{L}-\frac{\mathrm{\γ}}{L}{(1-P_b)}^L}---\left(13\right)$

其中 $\mathrm{\γ}=\frac{W_r}{W_t}\frac{L_1}{B_1}B$ 表示反向数据折合为正向数据所占的数据位数。这样问题更清楚：无线传输的能量效率η和数据包效率ε成正比，当α与

越小，无线传输的能量效率也越高。

对η求倒数，η′_L＝0，可得如下式：

A+γ-(1-P_b)^Lγ+(L-A)(L+γ)ln(1-P_b)＝0

${(1-P_b)}^L=1-{\mathrm{LP}}_b+\frac{L^2-L}{2}{P_b}^2-...$

$\ln (1-P_b)=-P_b-\frac{{P_b}^2}{2}-...$

$L^2-\mathrm{AL}-A(\mathrm{\γ}+\frac{1}{P_b})=0$

$L_{\mathrm{opt}}=\frac{A}{2}(1+\sqrt{1+4\frac{\mathrm{\γ}+P_b^{-1}}{A}})---\left(14\right)$

因此可以获得最大能量效率准则下的最佳包长公式(14)。

最大能量效率准则性能分析：在常规ARQ方案中的效率η是指设计的通信系统的吞吐率。为了分析最大能量效率准则的性能，本发明将把该准则与常规追求吞吐量最大的准则进行比较。如果从吞吐量的角度分析，正确传输一个包的平均所需时间是：

$T_{\mathrm{AVG}}=(L/B)\×(1-P_r)$

$+2\×(L/B)\×(1-P_r)\×P_r+(L_1/B_1)\×(1-P_r)\×P_r$

$+3\×(L/B)\×(1-P_r)\×P_r^2+2\×(L_1/B_1)\×(1-P_r){\×P}_r^2$

$+4\×(L/B)\×(1-P_r)\×P_r^3+3\×(L_1/B_1)\×(1-P_r)\×P_r^3$

$+L$

$+m\×(L/B)\×(1-P_r)\×P_r^{(m-1)}+{(m-1)}_r\×(L_1/B_1)\×(1-P_r)\×P_r^{(m-1)}---\left(15\right)$

$+L$

$=\frac{L/B+L_1/B_1\×P_r}{1-P_r}$

因此吞吐量的效率是：

$\mathrm{\η}=\frac{B/T_{\mathrm{AVG}}}{L-A}=\frac{(L-A)/B}{(L/B+L_1/B_1\×P_R)}\×(1-P_r)---\left(16\right)$

对公式(16)求导可以获得最佳包长的公式(17)

$L_{\mathrm{opt}}^{\′}=\frac{A}{2}(1+\sqrt{1+4\frac{\frac{B}{B_1}\×L_1+P_b^{-1}}{A}})---\left(17\right)$

比较传输能量最大准则和常规吞吐率最大准则的公式(14)和(17)容易看出，当W_t＝W_r，即α＝1时，公式(14)和(17)则完全相等。这是因为常规吞吐率公式中没有考虑通信系统发送和接收时功耗的不同。因此本发明提出的传输能量最大准则更适合于那些关心功耗的系统，特别是类似无线内窥镜系统的微型电子医疗系统。图6显示了最大能量准则和常规吞吐率最大准则在可加性白噪声条件下效率和包长的关系，从传输能量效率的角度可以看出：本发明提出的效率公式(13)和最佳包长的公式(14)要比采用常规吞吐率最大准则获得的效率公式(16)和最佳包长公式(17)精确，当信道误码率P_b＝1.0e-3时，效率公式要精确69％，最佳包长要精确20％；当信道误码率P_b＝1.0e-4时，效率公式要精确20％，最佳包长要精确6％。从图6也可知道当信道质量越好时，即误码率很小(P_b＜1.0e-5)，最大能量效率准则和常规吞吐率最大准则越来越逼近，这是由于信道几乎无误码，所以胶囊内系统的通信时的功耗主要开销在了图像数据的发送上，而无须接收反馈重传的NAK信号。

根据上面分析可知，当无线内窥镜系统的误码率P_b＞1.0e-5时，本发明提出的最大能量效率准则能明显更好地保证系统通信能量的效率。

SR+SW ARQ方案的性能分析：为说明本发明提出的混合ARQ方案的有效性，将把该方案与SW ARQ方案进行比较。在SW ARQ方案中，有正确传输一个数据包所需的平均功耗公式：

$W_{\mathrm{AVG}}^{\′}=W_t\×(L/B)\×(1-P_r)+W_r\×(L_1/B_1)\×(1-P_r)$

$+2W_t\×(L/B)\×(1-P_r)\×P_r+2W_r\×(L_1/B_1)\×(1-P_r)\×P_r$

$+3W_t\×(L/B)\×(1-P_r)\×P_r^2+3W_r\×(L_1/B_1)\×(1-P_r){\×P}_r^2$

$+4W_t\×(L/B)\×(1-P_r)\×P_r^3+4W_r\×(L_1/B_1)\×(1-P_r)\×P_r^3$

$+L---\left(18\right)$

$+m{W}_t\×(L/B)\×(1-P_r)\×P_r^{(m-1)}+m{W}_r\×(L_1/B_1)\×(1-P_r)\×P_r^{(m-1)}$

$+L$

$=\frac{W_t\×(L/B)+W_r\×(L_1/B_1)}{(1-P_r)}$

上式与SR+SW ARQ方案中的公式(9)相比，数据发送部分的功耗是相同的，不同在于命令数据接收部分的能量要多开销一次。这是由于在SW ARQ方案中对传输的每个数据包在传输正确后都将有一个ACK信号确认，而本发明提出的ARQ方案中则无需该ACK信号。因此可以获得SW ARQ方案的通信能量效率公式(19)：

$\mathrm{\η}=\frac{W_t(L-A)/B}{W_{\mathrm{AVG}}^{\′}}$

$=\frac{W_t(L-A)/B*(1-P_r)}{W_t*(L/B)+W_r*(L_1/B_1)}$

$=\frac{(L-A)*{(1-P_b)}^L}{L+a*(L_1/B_1)*B}---\left(19\right)$

$=\frac{(L-A)*{(1-P_b)}^L}{L+\mathrm{\γ}}$

那么根据上式以及本发明提出方案中的通信能量效率公式(13)可以获得如图7所示的在无线内窥镜系统中SR+SW ARQ方案与SW ARQ方案的在不同信道情况下的能量效率与包长的比较曲线。从图中可以看出本发明提出的ARQ方案的通信能量效率明显要超出SW ARQ方案很多。表4也具体列出了在三种主要不同信道误码率情况中两个方案的效率值的具体比较。可以看出本发明提出的ARQ方案与SW ARQ方案相比，在无线内窥镜信道质量好的情况下(P_b＜1.0e-5)能量效率要高出14.5％；在信道质量一般情况下(P_b＝1.0e-4)能量效率要高出26.1％；而在信道质量较差的情况下(P_b＞1.0e-3)能量效率要高出13.4％；因此平均效率要高出18％。

表4在无线内窥镜系统中，三种主要不同信道误码率情况下SR+SW ARQ方案与

SW ARQ与案的效率比较

从上面的分析可以看出本发明提出的SR+SW ARQ方案的通信能量效率明显要超出SWARQ方案很多，能够更适合本发明设计的无线内窥镜系统，使得系统的通信能量开销的效率最高，从而保证了胶囊内系统的工作时间尽可能的长。

SR+SW ARQ方案的实现：由于提出的ARQ通信方案中只能通过CRC校验知道传输一个图像数据包是否出错，但无法知道一个图像数据包中有多少数据出错，因此很难准确求出信道的误码率P_b。考虑系统的通信信道质量非常高，可假设P_b＜＜1，根据误包率公式P_r＝1-(1-P_b)^L，有近似公式P_r＝1-(1-L*P_b)，本系统中采用了如下的近似估算P_b的公式：

P_b＝P_r/L    (20)

P_r值的计算则可用下式求得：

设计的无线内窥镜ARQ通信方案中的动态自适应包长调整的方案的实现流程见图8。在实际系统中为了防止在信道误码率估算的初始阶段估算误差比较大导致自适应的时间比较长，在信道估算的初始阶段，系统采用容许的最差信道(p_e＝10^-4)的最佳包长91Bytes作为当前的包长，以缩短信道的估算时间来加快自适应的速度。其中是否处于信道估算初始阶段的判断准则如下：1)只有系统从休眠状态进入工作状态、系统上电启动或系统连续无差错成功传送4帧图像数据(连续2秒钟时间)后，当有误包出现时，则系统才进入信道估算的初始阶段；2)在系统进入信道估算的初始阶段后，只有成功地发送完2帧图像数据后(用足够的数据来保证系统获得正确的信道估算)，系统才能退出信道估算初始阶段。

本发明分析了双向、数字化无线内窥镜系统的特点及其通信信道的特征，首次提出了一种应用在无线内窥镜系统中的高码率、超短距离、半双工的SR+SW ARQ无线通信方案。方案中给出了自适应包长确定的两个准则，即最大概率准则和最大能量效率准则。在这两个准则的前提下，使得该ARQ方案不仅保证了高码率(2Mbps)条件下无失真的图像传输，而且通过对反向信道码率的选择(128kbps)使得传输图像时无线内窥镜胶囊内通信的能量效率以及在规定时间内正确传输图像概率均达到最优。本发明还给出了在最大能量效率准则下，自适应动态包长确定的具体公式和传输能量的效率公式，理论分析和仿真结果表明这两个公式比基于常规的吞吐率最大准则下的效率和最佳包长公式更适合于无线内窥镜系统。试验仿真结果也表明提出的SR+SW ARQ方案有着明显比SW ARQ方案高许多的通信能量效率(平均高出18％)。最后本发明给出了该ARQ方案的具体实现。提出的高码率、超短距离、混合ARQ无线通信方案，以及高效的动态包长确定准则也可推广应用到微型电子医疗系统中的无线数据传输领域。

Claims (2)

1.无线内窥镜系统高码率超短距离的自动请求重发通信方法，其特征在于：该方法是一种在体内无线内窥镜胶囊和体外便携式无线收发机数据传输装置之间以设定的通信频段通过独立随机误码信道、以CCITT的CRC16bits的校验方式、采用停止加等待和自动请求重发相混合的自动选择请求重发的半双工通信方法，所述内窥镜胶囊内置有由图像传感器、医学图像数据的调制和处理装置以及无线收发装置构成的数字集成电路芯片，以2Mbps的速率传输医学图像，所述体外便携式无线收发机数据传输装置由内置MCU的无线收发装置构成，以128Kbps的速率发送控制命令；所述半双工通信方法依先后有以下步骤：

步骤1：按下述在规定的一帧图像传输的最长时间t₀内成功传送一帧图像压缩数据的概率P_D最大准则和最大能量效率准则确定所述半双工通信方法中的反向信道即从体外到体内数据波特率B₁：

$P_D(t\≤t_0)=\underset{i=0}{\overset{\min \{N_1,N_2-N_1\}}{\mathrm{\Σ}}}p\left(i\right)$

其中，N₁为在t₀时间内最少必须传送的信息包数，排除需重传的信息包数：

N₂为在t₀时间最大可能传送的信息包数，包括需重传的信息包数：

以上N₁和N₂计算式中，

表示取整数上限运算；

M为传输一帧压缩图像数据的总位数；

L为一个数据包的总位数；

A为一个数据包中非数据位总位数；

B为正向即从体内往体外的信道的数据波特率；

Δt为反馈重传一个包所需要的时间：Δt＝L₁/B₁；

L₁为反向控制命令数据包的长度；

p(i)为出错i次仍能在t₀时间内传输一帧图像的概率：

$p\left(i\right)=C_{N_1}^i\×P_r^i\×{(1-P_r)}^{N_1-i}(1-\underset{m=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{N_2-N_1}^m\×P_r^{N_2-N_1-m}\×{(1-P_r)}^m);$

P_r为误包率：

P_b为信道误码率，设定值：

$p\left(0\right)={(1-P_r)}^{N_1},$ p(0)为i＝0时的概率；

当各项指标及设计要求确定后，其中的t₀、B、L、L₁、M、A各值为已知值，而从系统方案待选的几个B₁可以求出对应的Δt，对于每个B₁求出的Δt以及所述参数t₀、B、L、L₁、M、A，能得到不同信道条件下，即不同P_b下，P_D随包长L的变化曲线，以P_D高于一定值或P_D位于峰值附近一定范围作为标准，能得到不同B₁下满足最大成功概率准则的最佳包长的范围 ${[L_{\mathrm{opt},\min },L_{\mathrm{opt},\max }]}_{B_1};$

根据下述传输能量效率η计算公式，得到不同B₁下，η随包长L变化曲线：

$\mathrm{\η}=\frac{((L-A)/B)*{(1-P_b)}^L}{(L/B)+a*(L_1/B_1)*(1-{(1-P_b)}^L)}$

记

为给定的某个B₁下，η达到最大值时的最佳包长；

按照

落在 ${[L_{\mathrm{opt},\min },L_{\mathrm{opt},\max }]}_{B_1}$ 区间内的标准，确定所述半双工通信方法中的反向信道数据波特率B₁＝128kbps，使得最大概率原则和最大能量效率原则能够同时得到满足；

步骤2：所述无线内窥镜的图像传感器采集到医学图像后全部存入SRAM中，并以一帧图像为单位，把每帧图像分割成包后进行按包传输：

每帧图像的帧结构为：

位同步训练序列码+帧同步码+n个数据包；

每包的包结构为：

数据包长度+图像数据+图像的结束标志和位置序号+CRC校验码；

步骤3：所述无线内窥镜胶囊等待体外便携式无线收发装置传来传输控制命令；

步骤4：所述体外便携式无线收发装置向所述无线内窥镜胶囊发出传输控制命令，该传输控制命令的包结构为：

同步训练码+胶囊识别码+控制命令+CRC检验码；

步骤5：所述无线内窥镜胶囊的无线收发装置向体外便携式无线收发装置一次性地逐包发送图像数据；

步骤6：所述体外便携式无线收发装置接收到步骤5所述图像数据后，如有若干数据包有错误时，便根据当前信道条件，确定需要重传的数据包以及相应的长度，然后把重传包的序号以及长度信息发送给无线内窥镜胶囊，在确定重传包的长度时，根据N₁、N₂、P_r、t₀、Δt、B、L、L₁、M、A各值为已知值，当把这些值以及步骤1所述B₁预置于MCU中，便可由此求最佳包长L_opt：

$L_{\mathrm{opt}}=\frac{A}{2}(1+\sqrt{1+4\frac{\mathrm{\γ}+P_b^{-1}}{A}});$

其中γ表示反向数据折合为正向数据所占的数据位数： $\mathrm{\γ}=\frac{W_r}{W_t}\frac{L_1}{B_1}B,$ W_t为胶囊内的发送功耗，W_r为胶囊内的接收功耗；

步骤7：所述无线内窥镜胶囊在收到步骤6所述的重传命令、错误包序号及相应的包长后，按以下不同情况予以不同的处理：

若：出现连续的包传输错误，则在传输完的有错误的连续包后，发一个反馈重传错误包信息给该体外便携式无线收发装置；

若：出现断续的包传输错误，则在发送完的有断续地出现错误的包后，总的发一个反馈重传错误包的信息给该体外便携式无线收发装置；

当每帧图像所有数据传输正确后，再向该体外便携式无线收发装置发一个确认全部图像数据传输正确的信号，同时启动所述图像传感器进行下一次采集图像并传输的过程；

步骤8：若所述无线内窥镜判断来自体外的传输控制命令有误时，则进入等待下一个传输控制命令的状态，一直到接收到正确的传输控制命令为止。

2、根据权利要求1所述的无线内窥镜系统高码率超短距离的自动请求重发通信方法，其特征在于：所述的通信频段为2.4GHz。

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