CN111601342B - 一种基于位错误的低速无线个域网错误数据包恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于位错误的低速无线个域网错误数据包恢复方法，涉及无线通信领域。在低速无线个域网IEEE 802.15.4信号接收设备中，收到的信号可能因为发生位偏移和位突变，使得数据包出错；利用这些规律，在接收端设计了一个恢复错误数据包的算法，通过移位操作、记录并使用相近的位出错规律，将接收到的出错数据还原回正确的数据，并使其通过CRC校验。本发明无需重新发送出错的数据包，降低了收发设备的能耗，同时不会产生额外的通信时延，大大提高了IEEE 802.15.4设备的数据包接收成功率。

Description

一种基于位错误的低速无线个域网错误数据包恢复方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于位错误的低速无线个域网错误数据包恢复方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)由于其低能耗，低成本和无线传输而广泛用于环境监测，智能家居，医疗保健等领域。然而，与有线网络相比，无线连接更容易受到衰减，多径效应和干扰，导致更高的分组丢失率。如何在降低能耗的同时提高传输可靠性和实时性能对于提高无线传感器网络的性能至关重要。

目前最常用的提高数据包接收成功率的方法有重传(Retransmission)和前向纠错(Forward Error Correction)。在重传方法中，当发送方没有收到ACK时，它将重新发送该数据包。减少重传负载的一种方法是部分重传，其将数据有效负载分成几个小块。在接收端可以通过接收的信号强度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)值等来判断出错的块，并在重传时只传输出错的块，从而节省重传负荷。前向纠错方法通过前向纠错码，在数据包的尾部添加冗余字节，当接收端接收到出错的数据包时，可以通过利用冗余字节进行逆向计算，将错误的数据块还原回来，从而避免重传，提高包的传输成功率。但是，重传的方法需要消耗额外的能量，并增加了网络时延。前向纠错的方法因为添加了冗余字节，牺牲了网络吞吐量，在接收端利用冗余字节进行逆向计算时需要一定的存储于计算资源，计算时间也不容忽略，使得网络延迟增加。

国内申请号为201810252472.4的名称为“一种流媒体传输的前向纠错方法和系统”的专利，依据当前网络质量和流媒体传输情况，动态调整发送端的前向纠错冗余参数；同时接收端使用前向纠错解码器对丢失数据包进行恢复。

重传的方法因为信号传输，大大增加了能量的消耗；前向纠错需要冗余字节，降低网络吞吐量；前向纠错还需要额外的编码器和解码器，增加了计算开销；发送端需要通过编码计算添加冗余字节，接收端需要通过计算解码出原数据包，增加了网络延迟。没有探索与利用数据包传输过程中在物理层的出错特性。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于位错误的低速无线个域网错误数据包恢复方法，将接收到的出错数据还原回正确的数据，并使其通过CRC校验；无需重新发送出错的数据包，降低了收发设备的能耗，同时不会产生额外的通信时延，大大提高了IEEE802.15.4设备的数据包接收成功率。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是在无需重传的情况下，提高包接受成功率，从而避免重传带来的额外能量消耗；在不添加冗余字节的前提下，提高包传输成功率，保证网络吞吐量；在提高包传输成功率的同时，减少额外的计算开销；利用物理层的位出错特性，将原来出错的数据包还原回来，提高传输成功率；减少恢复错误包时的资源开销，减少由此带来的网络延迟。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于位错误的低速无线个域网错误数据包恢复方法，包括以下步骤：

步骤1、对接收到的每一个伪随机序列S，得到与标准表匹配后的出错位数N，判断N是否在[N_min，N_max]的范围内，并判断N是否大于出错阈值n；

步骤2、若N在[N_min，N_max]范围内，则认为所述伪随机序列S带有位出错信息，更新位错误信息矩阵M；

步骤3、若N大于所述出错阈值n，则认为所述伪随机序列S接收错误，执行恢复算法以得到正确的伪随机序列；

步骤4、若N不在[N_min，N_max]范围内，且N小于所述出错阈值n，则认为接收到的所述伪随机序列S是正确的，且无需要记录的位错误信息；

步骤5、当一个数据包被成功接收后，更新匹配表M^*。

进一步地，所述出错阈值n：0＜N_min≤N_max＜n。

进一步地，所述出错阈值n等于10。

进一步地，预定义a个临时表：M₁，M₂，......，M_a，用于存储最近的a个出现位错误的符号的出错特性。

进一步地，所述步骤2每收到一个新的带有位错误特性的所述伪随机序列S，就依次更新所述a个临时表，使得所述a个临时表中存储的是时间最近a个位错误特性。

进一步地，所述恢复算法利用移位操作、所述匹配表M^*，对收到的出错的所述伪随机序列S进行恢复。

进一步地，所述恢复算法包括以下步骤：

步骤3.1、设定平移最大值L，取平移位数初始值j设置为0；

步骤3.2、j＝j+1，将所述伪随机序列S向左平移j位，即高位丢弃，低位补0，得到将/>与所述标准表匹配，得到符号x和/>将所述伪随机序列S向右平移j位，即高位补0，低位丢弃，得到/>将/>与所述标准表匹配，得到符号y和/>

步骤3.3、如果则返回最小出错位数对应的符号；如果将较小出错位数的伪随机序列S_j与所述匹配表M^*匹配，得到N_j；

步骤3.4、如果N_j＜10，则返回最小出错位数对应的符号；如果N_j≥10且j≤L，则回到所述步骤3.2，如果N_j≥10且j＞L，则返回原始匹配的符号。

进一步地，所述步骤5中对所述数据包进行CRC校验。

进一步地，所述步骤5根据存储了位出错信息的所述a个临时表，计算更新所述匹配表M^*。

进一步地，所述步骤5对存储最近a个错误状态信息的所述a个临时表进行与运算，得到一个存储了综合错误信息的新表M⁺，即M⁺＝M₁&M₂&......&M_a，新的所述匹配表M^*＝M⁺xnor M。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：

在低速无线个域网IEEE 802.15.4信号接收设备中，实验发现接收到的信号可能因为发生位偏移和位突变，使得数据包出错(CRC校验失败)。利用这些规律，在接收端设计了一个恢复错误数据包的算法，通过移位操作、记录并使用相近的位出错规律，尝试将接收到的出错数据还原回正确的数据，并使其通过CRC校验。本发明无需重新发送出错的数据包，降低了收发设备的能耗，同时不会产生额外的通信时延，大大提高了IEEE 802.15.4设备的数据包接收成功率(Packet Reception Rate，PRR)。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的IEEE 802.15.4物理层数据发送过程图；

图2是本发明的一个较佳实施例的增加了恢复算法的IEEE 802.15.4物理层数据接收过程图；

图3是本发明的一个较佳实施例的符号与伪随机序列匹配表；

图4是本发明的一个较佳实施例的1位超前位偏移示例图；

图5是本发明的一个较佳实施例的1位滞后位偏移示例图；

图6是本发明的一个较佳实施例的位突变示例图；

图7是本发明的一个较佳实施例的数据包恢复方法流程图；

图8是本发明的一个较佳实施例的伪随机序列恢复算法流程图；

图9是本发明的一个较佳实施例的实施示例图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

低速无线个域网IEEE802.15.4协议中物理层使用了直接序列扩频技术(DirectSequence Spread Spectrum，DSSS)，物理层的编码与调制过程如图1所示，每四位二进制数据，被映射到一个符号上(符号0至符号15)，然后将每一个符号再映射成32位二进制数。符号(Symbol)映射到伪随机序列(Chip sequence)上的标准表如图3所示。最后再将数据调制到载波上发送出去。因为每个符号被映射到了32位的二进制伪随机序列上，所以具有一定的容错能力。接收端收到32位的伪随机序列S后，将S与IEEE802.15.4标准文档中的匹配表进行匹配，计算得到S与16个符号的汉明距离，并取其中最小汉明距离，记为N(显然地，0≤N≤32)，若N小于出错阈值n时(一般地，n＝10)，认为是正确接收的，当N≥n位时，就认为出错了，数据包被直接丢掉。

汉明距离表示两个等长字符串在对应位置上不同字符的数目，下面以符号0为例，计算伪随机序列S与标准匹配表中符号0的伪随机序列的汉明距离的方法如下：

如果收到的32位伪随机序列为：11010001010010100101011001101110

标准匹配表中符号0的伪随机序列为：11011001110000110101001000101110

这32位的字符串中，共有6位不同字符，汉明距离为6。

本发明根据实验中发现的几种显著的位出错模式，设计了出错数据包的恢复方法。实验发现的位出错模式包括三种：位超前、位滞后和位突变。下面以符号0为例，说明这三种位出错模式。

位超前：如图4所示，如果接收到的32位伪随机序列，恰好与标准表中的伪随机序列超前了1位，则属于1位超前位偏移。

位滞后：如图5所示，如果接收到的32位伪随机序列，恰好与标准表中的伪随机序列滞后了1位，则属于1位滞后位偏移。

位突变：如图6所示，如果接收到的32位伪随机序列，与标准表中的伪随机序列进行匹配后，有多位出现了错误，但这种错误不能通过移位来校正，则属于位突变。

已增加了本发明的匹配恢复算法的物理层信号接收与解调过程如图2所示。整体的数据包恢复方法流程图如图7所示，包括以下步骤：

第一步：设置a个临时表：M₁，M₂，......，M_a，用于存储最近的a个出现位错误的符号的出错特性。在接收端物理层，对收到的每一个32位的伪随机序列S，先与标准表进行匹配，得到匹配出错的位数N。

对收到的每一个32位伪随机序列，计算其与标准表中16个符号之间各自的汉明距离N，得到N_i(i＝0，1，2，...，15)，并找到这16个汉明距离的最小值N_i。如果N_i＜n，则认为被正确接收，转至第二步进行位错误特性记录更新，如果N_i≥n，则认为数据包出现错误，转至第三步进行恢复操作。

第二步：如果N_min≤N_i≤N_max，则将S中的位错误信息记录下来。

依次更新M₁，M₂，......，M_a-1：M_i＝M_i+1(i＝1，2，...，a-1)，并将S中出错位的位置信息记录在临时表M_a中。

第三步：如果N_i≥n，执行伪随机序列恢复算法对S进行恢复，流程图如图8所示，具体步骤如下：

1、设定平移最大值L，取平移位数初始值j设置为0；

2、j＝j+1。将S向左平移j位(高位丢弃，低位补0)，得到将/>与标准表M匹配，得到符号x和/>将S向右平移j位(高位补0，低位丢弃)，得到/>将/>与标准表M匹配，得到符号y和/>

3、如果则返回最小出错位数对应的符号；如果将较小出错位数的伪随机序列S_j与表M^*匹配，得到N_j；

4、如果N_j＜10，则返回最小出错位数对应的符号；如果N_j≥10且j≤L，则回到第2步，如果N_j≥10且j＞L，则返回原始匹配的符号；

第四步：当一个数据包被成功接收后(即CRC校验正确)，更新匹配表M^*。然后准备接收下一个数据包的伪随机序列。

对存储最近a个错误状态信息的表进行与运算，得到一个存储了综合错误信息的新表M⁺，即M⁺＝M₁&M₂&......&M_a，新的匹配表M^*＝M⁺xnor M。

本发明根据阈值N_min，N_max来判断收到的伪随机序列S是否存储了位错误特性，其中0＜N_min≤N_max＜n，n为出错阈值，可由实验中数据包恢复效果的优劣来确定N_min，N_max的经验值。

预定义a个临时表：M₁，M₂，......，M_a，用于存储最近的a个出现位错误的符号的出错特性。每收到一个新的带有位错误特性的伪随机序列S，就依次更新这a个临时表，使得这a个临时表中存储的是时间最近a个位错误特性。

当收到的伪随机序列的出错位数N大于出错阈值时，恢复算法利用移位操作、根据位错误特性更新得到的匹配表M^*，将收到的伪随机序列S转换成并匹配得到新的符号，直至数据包接收完成，进行CRC校验。

当收到的伪随机序列的出错位数N不在[N_min，N_max]范围内，且小于出错阈值n，则认为这个伪随机序列是被正常接收的，其位错误信息是价值不足和无需存储的。

当接收到的数据包通过了CRC校验时，根据存储了位出错信息的a个临时表，计算更新得到新的符号与伪随机序列的匹配表M^*。

本发明的一个较佳实施例的实施示例图如图9所示。采用商用的Zigbee CC2530设备和RFX2401功放模块两套。一套CC2530+RFX2401作为ZigBee终端，另一套CC2530+RFX2401作为ZigBee协调器。终端与协调器组成一个网络，终端向协调器周期性发送固定长度的随机数据，本实施例中，以发送60个字节的应用层数据为例，采样USRP来抓取传输的数据包，并在USRP上实现了所提的恢复算法。

数据恢复方法的实施如下：

第一步：USRP每接收到一个伪随机序列S，先与标准表进行匹配，得到匹配出错的位数N；

第二步：如果N_min≤N≤N_max，则将S中的位错误信息记录下来。依次更新M₁，M₂，......，M_a-1：M_i＝M_i+1(i＝1，2，...，a-1)，并将S中出错位的位置信息记录在临时表M_a中。

第三步：如果N≥10，则执行伪随机序列恢复算法，对出错的伪随机序列进行恢复，得到最终匹配的符号；如果N＜10，则该伪随机序列被正确解码接收；

第四步：如果一个数据包成功通过CRC校验，即成功被接收，则认为记录在a个临时表中的信息是有效的，通过以下计算得到动态匹配表M^*：M⁺＝M₁&M₂&......&M_a，新的匹配表M^*＝M⁺xnor M。

第五步：接收下一个数据包中的伪随机序列，并重复以上步骤。

伪随机序列恢复算法的执行过程如下：

第一步：输入出错的伪随机序列S，并设定平移最大值L，取平移位数初始值j设置为0；

第二步：j＝j+1。将S向左平移j位(高位丢弃，低位补0)，得到将/>与标准表M匹配，得到符号x和/>将S向右平移j位(高位补0，低位丢弃)，得到/>将/>与标准表M匹配，得到符号y和/>

第三步：如果则返回最小出错位数对应的符号；如果将较小出错位数的伪随机序列S_j与表M^*匹配，得到N_j；

第四步：如果N_j＜10，则返回最小出错位数对应的符号；如果N_j≥10且j≤L，则回到第二步，如果N_j≥10且j＞L，则返回原始伪随机序列与标准表匹配得到的符号。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于位错误的低速无线个域网错误数据包恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对接收到的每一个伪随机序列S，得到与标准表匹配后的出错位数N，判断N是否在[N_min,N_max]的范围内，并判断N是否大于出错阈值n；

步骤2、若N在[N_min,N_max]范围内，则认为所述伪随机序列S带有位出错信息，更新位错误信息矩阵M；

步骤3、若N大于所述出错阈值n，则认为所述伪随机序列S接收错误，执行恢复算法以得到正确的伪随机序列；

步骤4、若N不在[N_min,N_max]范围内，且N小于所述出错阈值n，则认为接收到的所述伪随机序列S是正确的，且无需要记录的位错误信息；

步骤5、当一个数据包被成功接收后，更新匹配表M^*；

所述出错阈值n：0<N_min≤N_max<n；

所述出错阈值n等于10；

所述恢复算法利用移位操作、所述匹配表M^*，对收到的出错的所述伪随机序列S进行恢复；

所述恢复算法包括以下步骤：

步骤3.1、设定平移最大值L，取平移位数初始值j设置为0；

步骤3.2、j＝j+1，将所述伪随机序列S向左平移j位，即高位丢弃，低位补0，得到将与所述标准表匹配，得到符号x和/>将所述伪随机序列S向右平移j位，即高位补0，低位丢弃，得到/>将/>与所述标准表匹配，得到符号y和/>

步骤3.3、如果则返回最小出错位数对应的符号；如果将较小出错位数的伪随机序列S_j与所述匹配表M^*匹配，得到N_j；

步骤3.4、如果N_j<10，则返回最小出错位数对应的符号；如果N_j≥10且j≤L，则回到所述步骤3.2，如果N_j≥10且j>L，则返回原始匹配的符号。

2.如权利要求1所述的基于位错误的低速无线个域网错误数据包恢复方法，其特征在于，预定义a个临时表：M₁，M₂，……，M_a，用于存储最近的a个出现位错误的符号的出错特性。

3.如权利要求2所述的基于位错误的低速无线个域网错误数据包恢复方法，其特征在于，所述步骤2每收到一个新的带有位错误特性的所述伪随机序列S，就依次更新所述a个临时表，使得所述a个临时表中存储的是时间最近a个位错误特性。

4.如权利要求1所述的基于位错误的低速无线个域网错误数据包恢复方法，其特征在于，所述步骤5中对所述数据包进行CRC校验，CRC校验正确，所述数据包被成功接收。

5.如权利要求3所述的基于位错误的低速无线个域网错误数据包恢复方法，其特征在于，所述步骤5根据存储了位出错信息的所述a个临时表，计算更新所述匹配表M^*。

6.如权利要求5所述的基于位错误的低速无线个域网错误数据包恢复方法，其特征在于，所述步骤5对存储最近a个错误状态信息的所述a个临时表进行与运算，得到一个存储了综合错误信息的新表M⁺，即M⁺＝M₁&M₂&……&M_a，新的所述匹配表M^*＝M⁺ xnor M。