1、通信傳輸的有效性和可靠性 差錯控制差錯控制基本理論基本理論1流量控制基本理論流量控制基本理論2信道共享技術基本理論信道共享技術基本理論3藍牙通信傳輸的有效性和可靠性藍牙通信傳輸的有效性和可靠性4第1頁/共82頁為什么要進行差錯控制信道傳輸特性不理想，加性噪聲的影響；在已知信噪比情況下需要達到一定的比特誤碼率指標；合理設計基帶信號，選擇調制解調方式，采用時域、頻域均衡，使比特誤碼率盡可能降低。但實際上，在許多通信系統中的比特誤碼率并不能滿足實際的需求。第2頁/共82頁三種常用差錯控制方式 檢錯重發(ARQ，Automatic Resend Query) 前向糾錯(FEC，Forward Erro

2、r Correction) 混合糾錯(HEC，Hybrid Error Correction) 第3頁/共82頁檢錯重發 檢錯重發是指在發送端經編碼后發送能夠發現錯誤的碼，接收端收到后，檢驗若有錯誤，則通過反向信道把這一結果反饋給發送端。然后，發送端把前面的信息重發一次，直到接收端認為已正確地收到信息為止。 檢錯重發系統有三種，即停止-等待重發、返回重發和選擇重發 第4頁/共82頁前向糾錯和混合糾錯 在前向糾錯中，發送端經編碼后發送能夠糾正錯誤的碼，接收端收到這些碼組經譯碼能自動發現并糾正傳輸中的錯誤。前向糾錯方式不需要反饋信道，特別適合于只能提供單向信道的場合。由于它能自動糾錯，因而延時小，

3、實時性好 混合糾錯是前向糾錯和檢錯重發方式的結合。在這種系統中發送端不但有糾錯能力，而且對超出糾錯能力的錯誤有檢測能力 第5頁/共82頁差錯控制編碼 按照差錯控制編碼的不同功能，可分為檢錯碼、糾錯碼和糾刪碼。 按照信息碼元和附加的監督碼元之間的檢驗關系，可分為線性碼和非線碼 按照信息碼元和附加監督碼元之間約束方式不同，可分為分組碼和卷積碼 第6頁/共82頁糾錯和檢錯的基本原理 信道編碼的基本思想是在被傳送的信息中附加一些監督碼元，在兩者之間建立某種校驗關系。 當這種校驗關系因傳輸錯誤而受到破壞時，可以被發現并予以糾正。 這種檢錯和糾錯能力是用信息量的冗余度來換取第7頁/共82頁糾錯和檢錯的基本

4、原理 若用00,10,01,11表示四種信息，由于每一種碼組都有可能出現，沒有多余的信息量。因此，若在傳輸中發生一個誤碼，則接收端無法檢測到1.需要有第三位監督碼元，保證碼組中“1”碼的個數為偶數，即形成000,011,101,1102.另外四種碼組001,010,100,111是禁用碼組3.接收時一旦發現這些禁用碼組，則表明傳輸中發生了誤碼第8頁/共82頁碼重和碼距 在信道編碼中，定義碼組中非零碼元的數目為碼組的重量，簡稱為碼重 把兩個碼組中對應碼位上具有不同二進制碼元的位數定義為兩碼組的距離，將其稱為漢明距離，簡稱為碼距 第9頁/共82頁碼距與糾錯能力一種編碼的最小碼距直接關系到這種碼的檢

5、錯和糾錯能力。對于分組碼有以下結論：在一個碼組內檢測e個誤碼，要求最小碼距在一個碼組內糾正t個誤碼，要求最小碼距在一個碼組內糾正t個誤碼，同時檢測e(et)個誤碼，要求最小碼距min1demin21dtmin1dte 第10頁/共82頁奇偶校驗碼 最常用的是奇偶校驗碼，因為其簡單易行。 在我國的7單位字符編碼標準中采用7bits碼組表示128種字符，為了檢查字符傳輸是否有錯，常在7bits碼組后加1bit作為奇偶校驗位，使得8位碼組中”1”或”0”的個數為偶數或奇數。第11頁/共82頁漢明碼漢明碼是糾正單個錯誤的線性分組碼。這類碼有以下特點：碼長：n=2m-1最小碼距：d=3信息碼位：k=2m

6、-m-1糾錯能力：t=1監督碼位：r= n-k =m式中，m為不小于2的正整數。給定m后，即可構造出具體的漢明碼(n,k) 第12頁/共82頁參考文獻 賈培軍.用MCS-51實現(7,4)漢明碼的譯碼方法.現代電子技術.2006年11期阮宜武.漢明碼檢驗系統的電路實現.網絡安全技術與應用.2005年08期趙建武.提高漢明碼對突發干擾的糾錯能力.單片機與嵌入式系統應用.2004年01期第13頁/共82頁循環碼 循環碼是一種分組的系統碼，通常前k位為信息碼元，后r位為監督碼元。 它除了具有線性分組碼的封閉性之外，還有一個獨特的特點：循環性。 所謂循環性是指：循環碼中任一許用碼組經過循環移位后所得到

7、的碼組仍為一許用碼組。 第14頁/共82頁循環碼 為了用代數理論研究循環碼，可將碼組用多項式來表示，稱之為碼多項式，即許用碼組可表示為 1210.NNAaaa a 121210.NNNNA DaDaDa Da第15頁/共82頁藍牙系統差錯控制在藍牙技術中使用了三種糾錯方案: 1/3FEC前向糾錯碼。 2/3FEC前向糾錯碼。 用于數據的ARQ方案。第16頁/共82頁藍牙系統差錯控制 對包進行FEC糾錯的目的是減少重傳次數，但在可以允許一些錯誤的情況下，使用FEC會導致效率不必要的減小，因此對于不同的包，是否使用FEC是靈活的 因為包頭包含了重要的鏈路信息，所以總是用1/3FEC進行保護。1/3

8、FEC就是將待編碼的數據重復三次。例如，若原數據是b0b1b2，經過編碼后成為b0b0b0b1b1b1b2b2b2 第17頁/共82頁藍牙系統差錯控制 2/3FEC碼是縮短的(15,10)漢明碼，其生成多項式是 5421gDDDD第18頁/共82頁藍牙系統差錯控制 ARQ是針對包內的有效載荷進行保護的差錯控制方法。 發送端發出一個包，接受端收到包后將檢查包的包頭的HEC以及有效載荷的CRC是否發生錯誤。如果檢查無誤則接受端返回一個AcK(ARQN=1)，若是發生錯誤則返回NK(ARQN0)要求發送端重發。這個過程可一直操作下去直到接收端收到正確的包或者出現超時為止第19頁/共82頁藍牙系統的安

9、全性 數據在存儲和傳輸過程中，都有可能被盜用、暴露或篡改，因此大量在通信網絡中存儲和傳輸的數據就需要保護。 對通信網絡的威脅可被分為被動攻擊和主動攻擊。截獲信息的攻擊稱為被動攻擊，而拒絕用戶使用資源的攻擊稱為主動攻擊。 對付被動攻擊可采用各種數據加密技術，而對付主動攻擊，則需要將加密技術與適當的鑒別技術相結合。 第20頁/共82頁流量控制基本理論第21頁/共82頁流量控制 數據傳輸中流量控制總是必需的 發方數據的速率必須使收方來得及接收。 當收方來不及接收時，就必須及時控制發方發送數據的速率。第22頁/共82頁理想化的數據傳輸過程 假設1：鏈路無差錯，所發送的任何數據都不會丟失或出錯。 假設2

10、：不管發端以多快的速率發送，收端總是來得及收下，并及時交給主機。 第23頁/共82頁理想化的數據傳輸過程假設2相當于認為： 接收緩沖區的容量無限大而永遠不會溢出； 接收速率與發送速率絕對精確相等。第24頁/共82頁停止等待協議ARQ 首先去掉第2個假定，認為信道還是無差錯的理想信道。 為了接收端的緩沖區不會溢出，最簡單的方法，就是每發送一幀就停下來。接收處理完成后發一個響應。這時，才發送下一個數據幀。 第25頁/共82頁停止等待協議ARQ 第26頁/共82頁停止等待協議ARQ 將第1個假設也去掉，實際中傳輸信道是不可靠。 通常數據幀后面會加上循環冗余校驗，收端返回的響應就必須區分收到幀校驗是正

11、確還是錯誤的； 如果校驗無誤，返回確認幀ACK；如果校驗錯誤，就向發端發出否認幀NAK，要求重發。第27頁/共82頁停止等待協議ARQ 發送端必須暫時保存已發送過的數據幀副本。 當線路質量太差的情況下，發送方在重發一定次數后，就不應再重發。 為避免出現死鎖現象，需要啟動一個超時定時器，超時定時器設置的重發時間需要依據網絡延時仔細選定。 為避免這種重復幀的情況，必須給每一個數據幀加上不同的發送序號。 編號所占用的比特數是有限的，發送序號會重復。第28頁/共82頁停止等待協議ARQ 第29頁/共82頁停止等待協議ARQtf是發送一個數據幀的時間，tf=lf/C(s)，lf是數據幀長，C(s)是數據

12、發送速率。tp是電信號在物理鏈路上傳播造成的延時；tpr是接收方主機處理的時間；ta是發送一個確認幀的時間。第30頁/共82頁停止等待協議ARQ 重發時間為 設接收端處理時間tpr和確認幀發送時間ta都遠小于傳播延時tp。即tout=2tp。prpaprpouttttttt第31頁/共82頁停止等待協議ARQ 設數據幀出錯的概率為p，正確傳輸一個數據幀平均所需時間為 當傳輸差錯概率增大，tAV也隨之增大， 當無差錯時，p=0 ，tAV=tT。 每秒成功發送的最大幀數即鏈路的最大吞吐量max=1/tAV1(1)/(1)iAVTTTittpip ttp第32頁/共82頁停止等待協議ARQ 停止等待

13、協議ARQ的優點是簡單，缺點是通信信道的利用率不高。 為克服這一缺點產生了連續ARQ技術。第33頁/共82頁連續ARQ 在送完一個數據幀后，不是停下來等待應答幀，而是可以連續發送若干個幀。 如果這時收到了接收端發來的確認幀，那么還可以接著發送數據幀。 由于減少等待時間，整個通信的吞吐量提高了。 第34頁/共82頁連續ARQ 由于連續發送了許多幀，所以應答幀不僅要說明是對那一幀進行確認或否認，而且應答幀本身也必須編號。 發送方每發完一個數據幀時都要設置超時定時器，只要在所設置的超時時間內沒收到確認幀，就重發相應的幀，包括在這個超時時間內已經連續發出的數據幀，也就是向回走N個幀。第35頁/共82頁

14、連續ARQ時序圖第36頁/共82頁連續ARQ 一方面因連續發送數據幀而提高了效率， 另一方面，必須把原來正確傳過的數據幀進行重傳(僅因為有一個幀出錯)，又使傳送效率降低。 若傳輸信道的傳輸質量很差時，連續ARQ并不優于停止等待協議。第37頁/共82頁連續ARQ 成功發送一個數據幀需要的時間是tf；當發生錯誤時，重發一個數據幀的時間為tT， 正確傳輸一個數據幀所需要的平均時間為1(1)/(1)1(1) /(1)iAVfTTfittpip ttptpp第38頁/共82頁連續ARQ 最大吞吐量max = 當傳播延時、重發時間、處理時間都遠小于一個數據幀的發送時間時（即tT近似于tf）采用停止等待與連

15、續ARQ沒多少區別。 為了減少開銷，連續ARQ協議還規定接收端可以在連續收到好幾個正確的數據幀以后，才對一個數據幀發確認信息。1/(1) /1(1)AVftptp第39頁/共82頁信道利用率和最佳幀長信道利用率和最佳幀長的關系如下： 如果數據幀取得很短，控制信息占的比例增大，導致信道利用率下降； 如果幀長取得太長，數據幀在傳輸過程中出錯的概率就增大，重傳次數增大，也會使信道利用率下降。第40頁/共82頁最佳幀長 設誤比特率為p，數據幀長為lf，每幀中數據為ld比特，控制信息為lh比特，hbhdoptlpll/第41頁/共82頁信道共享技術基本理論第42頁/共82頁信道共享技術 以動態分配信道資

16、源的多點接入方式提高了網絡利用率。多點接入技術主要有以下兩類。1)受控接入：輪叫輪詢，傳遞輪詢。2)隨機接入：ALOHA，CSMA和CSMA/CD。第43頁/共82頁輪詢 輪詢是一種非競爭的動態分配共享資源的系統 主站：某個集中控制點，向各分散用戶發出詢問信息包，探詢用戶是否有信息要發送。 分散用戶：只有待收到探詢后方能使用信道。第44頁/共82頁兩種探詢方式 輪叫輪詢：由主站按某種順序原則主從輪詢； 傳遞輪詢：既探詢信令按某種順序原則在各用戶站間傳遞。 傳遞輪詢的幀時延小于同樣條件下的輪叫輪詢的時延；站間的距離越大，傳遞輪詢的效果就越好。第45頁/共82頁吞吐量 吞吐量S，等于在發送時間內成

17、功發送的平均幀數。 0S1，S=1是極限情況，這種情況下表明幀一個接一個地發出去，幀之間沒有空隙。第46頁/共82頁網絡負載 網絡負載為G，等于發送時間內總共發送的平均幀數，包括發送成功的幀和因沖突未發送成功的幀。第47頁/共82頁純ALOHA系統 一個幀發送成功的概率為： 吞吐量公式為： 上式中，當G=0.5時，吞吐量S可能達到最大值S=0.184。Gep2GGeS2第48頁/共82頁時隙ALOHA 用同步的代價換取了吞吐量的提高，成功發送的概率： 吞吐量公式為 此公式說明，當G=1時，S有最大值0.368，是純ALOHA的2倍。GePGGeS第49頁/共82頁CSMA CSMA屬于ALOH

18、A方式的改進。由于采用了附加的硬件裝置，每個站都能在發送數據前監聽信道上其它站是否在發送數據。 這種方式是公共信道上的分散用戶采用載波檢查方法來檢測信道上是否有發送信號以判斷信道的忙閑狀態，各用戶只能在信道空閑時發出自己的信息包。第50頁/共82頁載波檢測類型 一為堅持檢測，即分散用戶保持連續檢測信道，一旦發現信道空閑且需要發送便可向信道發送信息包； 另一為非堅持檢測方式，即分散用戶檢測到信道忙后，便等待一段隨機時間后再檢測，直到信道被檢測為空閑才發送信息包。第51頁/共82頁CSMA隨機接入過程可分為以下三個協議： ALOHA 非堅持CSMAp堅持CSMA。第52頁/共82頁第53頁/共82

19、頁CSMA/CD 由于信號在信道上以有限速度傳播，所以載波監聽并不能完全消除沖突。 一種稱為CSMA/CD的改進方式，即載波檢測-碰撞檢測，它能夠邊發送邊監聽，只要監聽到發生沖突，則沖突的雙方就必須停止發送。 由于電磁波在網絡上傳播需要時間，因此沖突仍有可能發生。這段可能發生沖突的時間間隔稱為爭用期。第54頁/共82頁當網絡負載G很小時 ALOHA 時隙ALOHA 非堅持CSMA 堅持CSMA CSMA/CD 輪詢 )21 (GGS)1 (GGS)21 (1 (GaGS)1(aGGS)1(aGGS)221 (GEaPGS第55頁/共82頁比較 在延時傳輸系統中，當延時系數a較小時，堅持CSMA

20、和CSMA/CD性能較好；當延時較大時，時隙ALOHA性能較好，它與延時無關。 對于中央控制的輪詢系統，則有最大的通過量，系統穩定。實際上，這種穩定是采用了拒絕排隊規則的。第56頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗第57頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗通信傳輸的有效性與可靠性分析實驗軟件簡介 使學生理解點對點通信中速率測試的方法，流量控制方法，以及與速率相關的因素。 在有誤碼率的情況下使用差錯控制，在通信的有效性和可靠性之間的折衷。 理解多臺主機共享信道時采取的多點接入技術的工作原理和性能仿真。輪詢，ALOHA，CSMA。第58頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗第59頁/共8

21、2頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗第60頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗2 數據傳輸速率分析實驗 在主界面中，點擊“測試”按鈕，打開“數據傳輸速率分析”實驗界面。2.1 鏈路管理 鏈路管理部分主要包括進行相關鏈路操作的按鈕。1選擇測試模式及端口，然后點擊“初始化設備”按鈕。此時將會彈出提示信息框告訴用戶是否啟動成功。 若成功，狀態欄將會顯示本機地址。第61頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗2.1 鏈路管理2如果選擇“與藍牙模塊連接”方式，初始化成功后，點擊“查詢周圍設備”按鈕。此時按鈕下方表格將會顯示查詢到設備的地址。查詢結束時將會顯示查詢到設備總數。3選擇一臺設備地址，并點擊“建

22、立ACL連接”按鈕。此時將會彈出提示信息框告訴用戶是否建鏈成功。4建鏈成功后即可進行速率測試與文件傳輸。 速率測試及文件傳輸完成后，若用戶不想繼續實驗，此時可點擊“斷開ACL連接”按鈕。程序將彈出信息框提示是否成功斷開鏈接。第62頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗2.1 鏈路管理5若斷開鏈接成功，可點擊“關閉HCI傳輸層”按鈕，此時傳輸層關閉，用戶若想繼續實驗，須重新啟動傳輸層并建鏈。每次關閉窗口前必須關閉傳輸層。6如果選擇“直接電纜連接”方式，初始化成功后即可進行速率測試與文件傳輸，步驟25省略。第63頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗2 數據傳輸速率分析實驗 2.2 速率測試

23、設置包長，包的數目及測試次數，點擊“發送”按鈕。此時將顯示測出速率的直方圖。 圖的下方將顯示每次發送數據量及花費時間。 發送過程中發送方狀態欄將會顯示“正在發送數據包”字樣，接收方顯示“正在接收數據包”字樣。發送結束時會彈出信息框提示。程序運行界面如下：第64頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗第65頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗2 數據傳輸速率分析實驗 2.3 文件傳輸 設置誤碼率等相關參數，然后點擊“要傳輸的文件”按鈕，將會彈出“打開文件”對話框 選擇要傳輸的文件，并點擊“開始傳輸”按鈕。 此時接收方計算機將會彈出“另存為”對話框， 選擇保存的路徑并單擊“保存”，文件傳輸開始

24、。傳輸過程中收發雙方狀態欄均會顯示傳送進度。傳輸結束時會彈出提示信息框。 傳輸結束后可進行文件比較。單擊“文件比較”按鈕， 選擇要比較的兩個文件(瀏覽按鈕可用來瀏覽本機內文件資源)，并點擊“文件比較”按鈕，將會顯示比較結果。第66頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗第67頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗仿真實驗 ：仿真1在下面的參數輸入欄里輸入相應的參數，例如：我們如下設定參數： 鏈路1容量(kb): 4.8; 鏈路2容量(kb):48; 傳播時延(ms):50; 誤比特率: 0.000001; 衛星鏈路延時(ms):350; 控制信息長度(bit):48;第68頁/共82頁通信傳

25、輸的有效性和可靠性實驗仿真實驗 ：仿真11. 點擊“開始”按鈕，我們可以看到相關圖形，各個線路之間的關系可以從圖中看出。圖下面的表格中，可以看到和線路有關的數據，這里是信道利用率最大時的幀長。2.如果有問題的話，可以點擊“相關資料”按鈕，會彈出一個幫助窗口。從中用戶可以找到自己想要的東西。3.點擊“關閉”按鈕，關閉子窗口，仿真一實驗結束。第69頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗信道利用率和幀長的關系 由于每個數據都必須包括一定的控制信息，所以即使是連續不斷地發送數據幀，信道的利用率也不會達到100%。當出現差錯時，數據幀的不斷重傳將使信道利用率進一步降低。 很明顯，信道利用率和最佳幀長的

26、關系如下：數據幀取得很短，控制信息占的比例增大，導致信道利用率下降，如果幀長取得太長，數據幀在傳輸過程中出錯的概率就增大，于是重傳的次數就增大，這也會使信道利用率下降。所以，存在一個最佳幀長，在此幀長下信道利用率最高。第70頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗信道利用率和幀長的關系信道利用率U： 其中p是數據幀的誤比特率；每幀中數據為ld比特，控制信息lh為比特；參數 這個式子清楚的表明了幀長對信道利用率的影響。 注：一般而言，發送幀的差錯率是誤比特率與幀長的乘積，所以，如果誤比特率取的很大，比如0.01。那么，在幀長為100（數據幀長加控制幀長）是，發送的差錯率已經是100%，利用率為0

27、。所以，在本仿真中，誤比特率不能大于0.01。fTtt第71頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗第72頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗第73頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗第74頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗第75頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗第76頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗第77頁/共82頁通信傳輸的有效性和可靠性實驗通信傳輸的有效性和可靠性實驗報告要求1.在速率測試中，設置包的個數為10，測試次數為10次。取不同的包長，記錄通過串口連接藍牙模塊和通過USB口連接藍牙模塊的測試結果（包括包長、數據量、花費時間和平均速率）。分析各次測試結果，從中得出結論。2.在文件傳輸測試中，傳輸一個大小為100Kb的文件，誤碼率分別設為0.001、0.01和0.05，幀長設為300字節，最大重傳次數為50。分別采用C