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无线传输协议减少网络丢包率有哪些处理机制?

前文讲解了是什么是无线通信应用中的网络丢包率,本文亿佰特物联网无线通信技术人员整理了可以减少网络丢包率的处理机制,如下文所示:

①PHY层的减少丢包机制:

物理层的丢包,就是发送端发送了信号,但是接收端没有接收到信号。这也是最简单也是最常见的原因,通常就是发射端的功率低了,发射端距离接收端太远。

遇到这种情况,通常会想到的办法就是提高发射功率,信号能发射得更远。但是根据香农定律,在相同信道带宽下,信号携带的信息量越少,对信噪比的需求越低,对信噪比需求越低就意味着对功率的需求越低。

这时除了提高功率,还有一种方式就是扩频。比如典型的ZigBee模块上使用的DSSS扩频,原本ZigBee的信道带宽有2MHz,也就是能在1秒钟内输出2M个0或1的信号。通常我们使用8个0或1的信号表示一个字节,但是DSSS的作用下,需要64个0或1的信号来表示一个字节。这样使用无线信号传输一个字节需要64个0或1,即使信号在传输过程中发生了失真,接收端也能对信号进行纠错。这也就是为什么ZigBee的传输稳定性优于433MHz通信。正常情况下,ZigBee模块在20dBm发射功率的情况下,传输距离可达1公里。

网络丢包率减少机制

还有一种情况,就是天线的问题。任何一种天线都有天线增益系数以及方向性。通常外置天线的增益就优于PCB天线,在设备空间充足的情况下尽量选择外置天线。而天线的方向性也是要考虑的因素,例如棒状天线的信号覆盖范围就是一个扁球体,平行天线的位置信号非常好,而天线轴线延长线位置信号差得多。

②MAC层减少丢包的机制:

ZigBee的IEEE 802.15.4系列协议为例,该协议的MAC层具有以下几个重要的功能。

载波侦听和CSMA机制:

IEEE 802.15.4协议具备基于载波侦听的CSMA机制。设备在每次发射信号前,会侦听当前信道是否繁忙,并在信道空闲的时候发射信号。很多sub-G芯片也带有载波侦听功能的,但是缺少类似CSMA这样的协议机制。CSMA则规定了信道侦听的方法:发射前在一个随机时间内持续侦听信道,这样就能适当避免两个相同的设备同时发射信号;随机时间到达后尝试发送信号,如果发送失败就再侦听一次,并且下一次随机时间范围继续扩大(2倍),这样就能避免更多的设备同时发射信号;如果多次尝试都失败,而且达到了最大次数限制,那么这个信号就算丢包了。

自动应答机制:

IEEE 802.15.4协议MAC层有两种主要通信方式:广播和点播。点播到目标时,目标节点会返回ACK帧。发送端没有收到ACK帧,会尝试重传信号,如果多次重传都没收到ACK就算丢包。另外接收端回复MAC-ACK的时候是不受CSMA机制可以强行发送的,发送端在CSMA机制下成功将点播信号送出去后,只需要0.2~0.5毫秒就能收到ACK。

因此,导致MAC层丢包常见的现象就是CSMA失败丢包和MAC-ACK失败丢包,和物理层的丢包不同的是这两种丢包都可以被发送端自己检测到。通常遇到这种丢包,应用上的处理就是丢包重传功能机制。但是重传也是要讲究科学性的,比如恶意信号干扰导致CSMA失败重传就没法解决;接收目标不存在导致的 MAC-ACK失败重传也是没法解决的。

PHY层和MAC层的一系列处理机制都是为了减少丢包而设计的,但是无法保证绝对没有丢包,因此无线应用设计中,最关键就是遇到丢包了该怎么办。

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