第六章 通信传输的有效性和可靠性
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世界上没有——100%可靠的信息传递
蓝牙系统差错控制
对包进行FEC纠错的目的是减少重传次数，但在 可以允许一些错误的情况下，使用FEC会导致效 率不必要的减小，因此对于不同的包，是否使用 FEC是灵活的
因为包头包含了重要的链路信息，所以总是用 1/3FEC进行保护。1/3FEC就是将待编码的数据 重复三次。例如，若原数据是b0b1b2，经过编码 后成为b0b0b0b1b1b1b2b2b2
问信息包，探询用户是否有信息要发送。 分散用户：只有待收到探询后方能使用信道。
世界上没有——100%可靠的信息传递
混合纠错(HEC，Hybrid Error Correction)
世界上没有——100%可靠的信息传递
检错重发
检错重发是指在发送端经编码后发送能够 发现错误的码，接收端收到后，检验若有 错误，则通过反向信道把这一结果反馈给 发送端。然后，发送端把前面的信息重发 一次，直到接收端认为已正确地收到信息 为止。
连续ARQ
成功发送一个数据帧需要的时间是tf；当发生错 误时，重发一个数据帧的时间为tT，
正确传输一个数据帧所需要的平均时间为
tAV t f (1 p) ipitT tT /(1 p) t f [1 ( 1) p]/(1 p) i 1
世界上没有——100%可靠的信息传递
连续ARQ
最大吞吐量λmax = 1/ tAV (1 p) / t f [1 ( 1) p]
检错重发系统有三种，即停止-等待重发、 返回重发和选择重发
世界上没有——100%可靠的信息传递
前向纠错和混合纠错
在前向纠错中，发送端经编码后发送能够纠正错 误的码，接收端收到这些码组经译码能自动发现 并纠正传输中的错误。前向纠错方式不需要反馈 信道，特别适合于只能提供单向信道的场合。由 于它能自动纠错，因而延时小，实时性好
为了接收端的缓冲区不会溢出，最简单的方法 ，就是每发送一帧就停下来。接收处理完成后 发一个响应。这时，才发送下一个数据帧。
世界上没有——100%可靠的信息传递
停止等待协议ARQ
世界上没有——100%可靠的信息传递
停止等待协议ARQ
将第1个假设也去掉，实际中传输信道是不可靠。 通常数据帧后面会加上循环冗余校验，收端返回
的响应就必须区分收到帧校验是正确还是错误的 ； 如果校验无误，返回确认帧ACK；如果校验错误 ，就向发端发出否认帧NAK，要求重发。
世界上没有——100%可靠的信息传递
停止等待协议ARQ
发送端必须暂时保存已发送过的数据帧副本。 当线路质量太差的情况下，发送方在重发一定次数后，就
不应再重发。 为避免出现死锁现象，需要启动一个超时定时器，超时定
，导致信道利用率下降； 如果帧长取得太长，数据帧在传输过程中出错
的概率就增大，重传次数增大，也会使信道利 用率下降。
世界上没有——100%可靠的信息传递
最佳帧长
设误比特率为p，数据帧长为lf，每帧中数 据为ld比特，控制信息为lh比特，
ldopt lh / pb lh
世界上没有——100%可靠的信息传递
世界上没有——100%可靠的信息传递
蓝牙系统的安全性
数据在存储和传输过程中，都有可能被盗用、暴露或 篡改，因此大量在通信网络中存储和传输的数据就需 要保护。
对通信网络的威胁可被分为被动攻击和主动攻击。截 获信息的攻击称为被动攻击，而拒绝用户使用资源的 攻击称为主动攻击。
对付被动攻击可采用各种数据加密技术，而对付主动 攻击，则需要将加密技术与适当的鉴别技术相结合。
混合纠错是前向纠错和检错重发方式的结合。在 这种系统中发送端不但有纠错能力，而且对超出 纠错能力的错误有检测能力
世界上没有——100%可靠的信息传递
差错控制编码
按照差错控制编码的不同功能，可分为检 错码、纠错码和纠删码。
按照信息码元和附加的监督码元之间的检 验关系，可分为线性码和非线码
按照信息码元和附加监督码元之间约束方 式不同，可分为分组码和卷积码
世界上没有——100%可靠的信息传递
蓝牙系统差错控制
2/3FEC码是缩短的(15,10)汉明码，其生成 多项式是
g D D5 D4 D2 1
世界上没有——100%可靠的信息传递
蓝牙系统差错控制
ARQ是针对包内的有效载荷进行保护的差错控制 方法。
发送端发出一个包，接受端收到包后将检查包的 包头的HEC以及有效载荷的CRC是否发生错误。 如果检查无误则接受端返回一个AcK(ARQN=1)， 若是发生错误则返回NK(ARQN＝0)要求发送端重 发。这个过程可一直操作下去直到接收端收到正 确的包或者出现超时为止
λmax=1/tAV
世界上没有——100%可靠的信息传递
停止等待协议ARQ
停止等待协议ARQ的优点是简单，缺点是 通信信道的利用率不高。
为克服这一缺点产生了连续ARQ技术。
世界上没有——100%可靠的信息传递
连续ARQ
在送完一个数据帧后，不是停下来等待应 答帧，而是可以连续发送若干个帧。
如果这时收到了接收端发来的确认帧，那 么还可以接着发送数据帧。
生了误码
世界上没有——100%可靠的信息传递
码重和码距
在信道编码中，定义码组中非零码元的数 目为码组的重量，简称为码重
把两个码组中对应码位上具有不同二进制 码元的位数定义为两码组的距离，将其称 为汉明距离，简称为码距
世界上没有——100%可靠的信息传递
码距与纠错能力
一种编码的最小码距直接关系到这种码的检错和纠 错能力。对于分组码有以下结论： 在一个码组内检测e个误码，要求最小码距
时器设置的重发时间需要依据网络延时仔细选定。 为避免这种重复帧的情况，必须给每一个数据帧加上不同
的发送序号。 编号所占用的比特数是有限的，发送序号会重复。
世界上没有——100%可靠的信息传递
停止等待协议ARQ
世界上没有——100%可靠的信息传递
停止等待协议ARQ
tf是发送一个数据帧的时间，tf=lf/C(s)，lf是 数据帧长，C(s)是数据发送速率。
世界上没有——100%可靠的信息传递
停止等待协议ARQ
设数据帧出错的概率为p，正确传输一个数据帧平
均所需时间为
tAV tT (1 p) ipitT tT /(1 p)
当传输差错概率增大，it1AV也随之增大，
当无差错时，p=0 ，tAV=tT。
每秒成功发送的最大帧数即链路的最大吞吐量
世界上没有——100%可靠的信息传递
纠错和检错的基本原理
信道编码的基本思想是在被传送的信息中附加一 些监督码元，在两者之间建立某种校验关系。
当这种校验关系因传输错误而受到破坏时，可以 被发现并予以纠正。
这种检错和纠错能力是用信息量的冗余度来换取
世界上没有——100%可靠的信息传递
纠错和检错的基本原理
当传播延时、重发时间、处理时间都远小于一 个数据帧的发送时间时（即tT近似于tf）采用停 止等待与连续ARQ没多少区别。
为了减少开销，连续ARQ协议还规定接收端可 以在连续收到好几个正确的数据帧以后，才对 一个数据帧发确认信息。
世界上没有——100%可靠的信息传递
信道利用率和最佳帧长
信道利用率和最佳帧长的关系如下： 如果数据帧取得很短，控制信息占的比例增大
dmin Biblioteka Baidue 1
在一个码组内纠正t个误码，要求最小码距 dmin 2t 1
在一个码组内纠正t个误码，同时检测e(e>t)个误码 ，要求最小码距 dmin t e 1
世界上没有——100%可靠的信息传递
奇偶校验码
最常用的是奇偶校验码，因为其简单易行。
在我国的7单位字符编码标准中采用7bits码组表 示128种字符，为了检查字符传输是否有错，常 在7bits码组后加1bit作为奇偶校验位，使得8位码 组中”1”或”0”的个数为偶数或奇数。
第六章 通信传输的有效性和可靠性
通信传输的有效性和可靠性
1
差错控制基本理论
2
流量控制基本理论
3
信道共享技术基本理论
4
蓝牙通信传输的有效性和可靠性
世界上没有——100%可靠的信息传递
为什么要进行差错控制
信道传输特性不理想，加性噪声的影响； 在已知信噪比情况下需要达到一定的比特
误码率指标； 合理设计基带信号，选择调制解调方式，
tp是电信号在物理链路上传播造成的延时； tpr是接收方主机处理的时间； ta是发送一个确认帧的时间。
世界上没有——100%可靠的信息传递
停止等待协议ARQ
重发时间为tout t p t pr ta t p t pr 设接收端处理时间tpr和确认帧发送时间ta
都远小于传播延时tp。即tout=2tp。
世界上没有——100%可靠的信息传递
连续ARQ时序图
世界上没有——100%可靠的信息传递
连续ARQ
一方面因连续发送数据帧而提高了效率， 另一方面，必须把原来正确传过的数据帧进行重
传(仅因为有一个帧出错)，又使传送效率降低。 若传输信道的传输质量很差时，连续ARQ并不优
于停止等待协议。
世界上没有——100%可靠的信息传递
假设2：不管发端以多快的速率发送，收 端总是来得及收下，并及时交给主机。
世界上没有——100%可靠的信息传递
理想化的数据传输过程
假设2相当于认为： 接收缓冲区的容量无限大而永远不会溢出； 接收速率与发送速率绝对精确相等。
世界上没有——100%可靠的信息传递
停止等待协议ARQ
首先去掉第2个假定，认为信道还是无差错的理 想信道。
世界上没有——100%可靠的信息传递
汉明码
汉明码是纠正单个错误的线性分组码。这类 码有以下特点： 码长：n=2m-1 最小码距：d=3 信息码位：k=2m-m-1 纠错能力：t=1 监督码位：r= n-k =m
式中，m为不小于2的正整数。给定m后，即 可构造出具体的汉明码(n,k)
世界上没有——100%可靠的信息传递
若用00,10,01,11表示四种信息，由于每一种码 组都有可能出现，没有多余的信息量。因此，若 在传输中发生一个误码，则接收端无法检测到
1. 需要有第三位监督码元，保证码组中“1”码的个 数为偶数，即形成000,011,101,110
2. 另外四种码组001,010,100,111是禁用码组 3. 接收时一旦发现这些禁用码组，则表明传输中发
采用时域、频域均衡，使比特误码率尽可 能降低。但实际上，在许多通信系统中的 比特误码率并不能满足实际的需求。
世界上没有——100%可靠的信息传递
三种常用差错控制方式
检错重发(ARQ，Automatic Resend Query)
前向纠错(FEC，Forward Error Correction)
世界上没有——100%可靠的信息传递
流量控制基本理论
流量控制
数据传输中流量控制总是必需的 发方数据的速率必须使收方来得及接收。 当收方来不及接收时，就必须及时控制发
方发送数据的速率。
世界上没有——100%可靠的信息传递
理想化的数据传输过程
假设1：链路无差错，所发送的任何数据 都不会丢失或出错。
信道共享技术基本理论
信道共享技术
以动态分配信道资源的多点接入方式提高 了网络利用率。多点接入技术主要有以下 两类。
1)受控接入：轮叫轮询，传递轮询。 2)随机接入：ALOHA，CSMA和CSMA/CD。
世界上没有——100%可靠的信息传递
轮询
轮询是一种非竞争的动态分配共享资源的系统 主站：某个集中控制点，向各分散用户发出询
循环码
循环码是一种分组的系统码，通常前k位为 信息码元，后r位为监督码元。
它除了具有线性分组码的封闭性之外，还 有一个独特的特点：循环性。
所谓循环性是指：循环码中任一许用码组 经过循环移位后所得到的码组仍为一许用 码组。
世界上没有——100%可靠的信息传递
蓝牙系统差错控制
在蓝牙技术中使用了三种纠错方案: 1/3FEC前向纠错码。 2/3FEC前向纠错码。 用于数据的ARQ方案。
由于减少等待时间，整个通信的吞吐量提 高了。
世界上没有——100%可靠的信息传递
连续ARQ
由于连续发送了许多帧，所以应答帧不仅 要说明是对那一帧进行确认或否认，而且 应答帧本身也必须编号。
发送方每发完一个数据帧时都要设置超时 定时器，只要在所设置的超时时间内没收 到确认帧，就重发相应的帧，包括在这个 超时时间内已经连续发出的数据帧，也就 是向回走N个帧。
蓝牙系统差错控制
对包进行FEC纠错的目的是减少重传次数，但在 可以允许一些错误的情况下，使用FEC会导致效 率不必要的减小，因此对于不同的包，是否使用 FEC是灵活的
因为包头包含了重要的链路信息，所以总是用 1/3FEC进行保护。1/3FEC就是将待编码的数据 重复三次。例如，若原数据是b0b1b2，经过编码 后成为b0b0b0b1b1b1b2b2b2
问信息包，探询用户是否有信息要发送。 分散用户：只有待收到探询后方能使用信道。
世界上没有——100%可靠的信息传递
混合纠错(HEC，Hybrid Error Correction)
世界上没有——100%可靠的信息传递
检错重发
检错重发是指在发送端经编码后发送能够 发现错误的码，接收端收到后，检验若有 错误，则通过反向信道把这一结果反馈给 发送端。然后，发送端把前面的信息重发 一次，直到接收端认为已正确地收到信息 为止。
连续ARQ
成功发送一个数据帧需要的时间是tf；当发生错 误时，重发一个数据帧的时间为tT，
正确传输一个数据帧所需要的平均时间为
tAV t f (1 p) ipitT tT /(1 p) t f [1 ( 1) p]/(1 p) i 1
世界上没有——100%可靠的信息传递
连续ARQ
最大吞吐量λmax = 1/ tAV (1 p) / t f [1 ( 1) p]
检错重发系统有三种，即停止-等待重发、 返回重发和选择重发
世界上没有——100%可靠的信息传递
前向纠错和混合纠错
在前向纠错中，发送端经编码后发送能够纠正错 误的码，接收端收到这些码组经译码能自动发现 并纠正传输中的错误。前向纠错方式不需要反馈 信道，特别适合于只能提供单向信道的场合。由 于它能自动纠错，因而延时小，实时性好
为了接收端的缓冲区不会溢出，最简单的方法 ，就是每发送一帧就停下来。接收处理完成后 发一个响应。这时，才发送下一个数据帧。
世界上没有——100%可靠的信息传递
停止等待协议ARQ
世界上没有——100%可靠的信息传递
停止等待协议ARQ
将第1个假设也去掉，实际中传输信道是不可靠。 通常数据帧后面会加上循环冗余校验，收端返回
的响应就必须区分收到帧校验是正确还是错误的 ； 如果校验无误，返回确认帧ACK；如果校验错误 ，就向发端发出否认帧NAK，要求重发。
世界上没有——100%可靠的信息传递
停止等待协议ARQ
发送端必须暂时保存已发送过的数据帧副本。 当线路质量太差的情况下，发送方在重发一定次数后，就
不应再重发。 为避免出现死锁现象，需要启动一个超时定时器，超时定
，导致信道利用率下降； 如果帧长取得太长，数据帧在传输过程中出错
的概率就增大，重传次数增大，也会使信道利 用率下降。
世界上没有——100%可靠的信息传递
最佳帧长
设误比特率为p，数据帧长为lf，每帧中数 据为ld比特，控制信息为lh比特，
ldopt lh / pb lh
世界上没有——100%可靠的信息传递
世界上没有——100%可靠的信息传递
蓝牙系统的安全性
数据在存储和传输过程中，都有可能被盗用、暴露或 篡改，因此大量在通信网络中存储和传输的数据就需 要保护。
对通信网络的威胁可被分为被动攻击和主动攻击。截 获信息的攻击称为被动攻击，而拒绝用户使用资源的 攻击称为主动攻击。
对付被动攻击可采用各种数据加密技术，而对付主动 攻击，则需要将加密技术与适当的鉴别技术相结合。
混合纠错是前向纠错和检错重发方式的结合。在 这种系统中发送端不但有纠错能力，而且对超出 纠错能力的错误有检测能力
世界上没有——100%可靠的信息传递
差错控制编码
按照差错控制编码的不同功能，可分为检 错码、纠错码和纠删码。
按照信息码元和附加的监督码元之间的检 验关系，可分为线性码和非线码
按照信息码元和附加监督码元之间约束方 式不同，可分为分组码和卷积码
世界上没有——100%可靠的信息传递
蓝牙系统差错控制
2/3FEC码是缩短的(15,10)汉明码，其生成 多项式是
g D D5 D4 D2 1
世界上没有——100%可靠的信息传递
蓝牙系统差错控制
ARQ是针对包内的有效载荷进行保护的差错控制 方法。
发送端发出一个包，接受端收到包后将检查包的 包头的HEC以及有效载荷的CRC是否发生错误。 如果检查无误则接受端返回一个AcK(ARQN=1)， 若是发生错误则返回NK(ARQN＝0)要求发送端重 发。这个过程可一直操作下去直到接收端收到正 确的包或者出现超时为止
λmax=1/tAV
世界上没有——100%可靠的信息传递
停止等待协议ARQ
停止等待协议ARQ的优点是简单，缺点是 通信信道的利用率不高。
为克服这一缺点产生了连续ARQ技术。
世界上没有——100%可靠的信息传递
连续ARQ
在送完一个数据帧后，不是停下来等待应 答帧，而是可以连续发送若干个帧。
如果这时收到了接收端发来的确认帧，那 么还可以接着发送数据帧。
生了误码
世界上没有——100%可靠的信息传递
码重和码距
在信道编码中，定义码组中非零码元的数 目为码组的重量，简称为码重
把两个码组中对应码位上具有不同二进制 码元的位数定义为两码组的距离，将其称 为汉明距离，简称为码距
世界上没有——100%可靠的信息传递
码距与纠错能力
一种编码的最小码距直接关系到这种码的检错和纠 错能力。对于分组码有以下结论： 在一个码组内检测e个误码，要求最小码距
时器设置的重发时间需要依据网络延时仔细选定。 为避免这种重复帧的情况，必须给每一个数据帧加上不同
的发送序号。 编号所占用的比特数是有限的，发送序号会重复。
世界上没有——100%可靠的信息传递
停止等待协议ARQ
世界上没有——100%可靠的信息传递
停止等待协议ARQ
tf是发送一个数据帧的时间，tf=lf/C(s)，lf是 数据帧长，C(s)是数据发送速率。
世界上没有——100%可靠的信息传递
停止等待协议ARQ
设数据帧出错的概率为p，正确传输一个数据帧平
均所需时间为
tAV tT (1 p) ipitT tT /(1 p)
当传输差错概率增大，it1AV也随之增大，
当无差错时，p=0 ，tAV=tT。
每秒成功发送的最大帧数即链路的最大吞吐量
世界上没有——100%可靠的信息传递
纠错和检错的基本原理
信道编码的基本思想是在被传送的信息中附加一 些监督码元，在两者之间建立某种校验关系。
当这种校验关系因传输错误而受到破坏时，可以 被发现并予以纠正。
这种检错和纠错能力是用信息量的冗余度来换取
世界上没有——100%可靠的信息传递
纠错和检错的基本原理
当传播延时、重发时间、处理时间都远小于一 个数据帧的发送时间时（即tT近似于tf）采用停 止等待与连续ARQ没多少区别。
为了减少开销，连续ARQ协议还规定接收端可 以在连续收到好几个正确的数据帧以后，才对 一个数据帧发确认信息。
世界上没有——100%可靠的信息传递
信道利用率和最佳帧长
信道利用率和最佳帧长的关系如下： 如果数据帧取得很短，控制信息占的比例增大
dmin Biblioteka Baidue 1
在一个码组内纠正t个误码，要求最小码距 dmin 2t 1
在一个码组内纠正t个误码，同时检测e(e>t)个误码 ，要求最小码距 dmin t e 1
世界上没有——100%可靠的信息传递
奇偶校验码
最常用的是奇偶校验码，因为其简单易行。
在我国的7单位字符编码标准中采用7bits码组表 示128种字符，为了检查字符传输是否有错，常 在7bits码组后加1bit作为奇偶校验位，使得8位码 组中”1”或”0”的个数为偶数或奇数。
第六章 通信传输的有效性和可靠性
通信传输的有效性和可靠性
1
差错控制基本理论
2
流量控制基本理论
3
信道共享技术基本理论
4
蓝牙通信传输的有效性和可靠性
世界上没有——100%可靠的信息传递
为什么要进行差错控制
信道传输特性不理想，加性噪声的影响； 在已知信噪比情况下需要达到一定的比特
误码率指标； 合理设计基带信号，选择调制解调方式，
tp是电信号在物理链路上传播造成的延时； tpr是接收方主机处理的时间； ta是发送一个确认帧的时间。
世界上没有——100%可靠的信息传递
停止等待协议ARQ
重发时间为tout t p t pr ta t p t pr 设接收端处理时间tpr和确认帧发送时间ta
都远小于传播延时tp。即tout=2tp。
世界上没有——100%可靠的信息传递
连续ARQ时序图
世界上没有——100%可靠的信息传递
连续ARQ
一方面因连续发送数据帧而提高了效率， 另一方面，必须把原来正确传过的数据帧进行重
传(仅因为有一个帧出错)，又使传送效率降低。 若传输信道的传输质量很差时，连续ARQ并不优
于停止等待协议。
世界上没有——100%可靠的信息传递
假设2：不管发端以多快的速率发送，收 端总是来得及收下，并及时交给主机。
世界上没有——100%可靠的信息传递
理想化的数据传输过程
假设2相当于认为： 接收缓冲区的容量无限大而永远不会溢出； 接收速率与发送速率绝对精确相等。
世界上没有——100%可靠的信息传递
停止等待协议ARQ
首先去掉第2个假定，认为信道还是无差错的理 想信道。
世界上没有——100%可靠的信息传递
汉明码
汉明码是纠正单个错误的线性分组码。这类 码有以下特点： 码长：n=2m-1 最小码距：d=3 信息码位：k=2m-m-1 纠错能力：t=1 监督码位：r= n-k =m
式中，m为不小于2的正整数。给定m后，即 可构造出具体的汉明码(n,k)
世界上没有——100%可靠的信息传递
若用00,10,01,11表示四种信息，由于每一种码 组都有可能出现，没有多余的信息量。因此，若 在传输中发生一个误码，则接收端无法检测到
1. 需要有第三位监督码元，保证码组中“1”码的个 数为偶数，即形成000,011,101,110
2. 另外四种码组001,010,100,111是禁用码组 3. 接收时一旦发现这些禁用码组，则表明传输中发
采用时域、频域均衡，使比特误码率尽可 能降低。但实际上，在许多通信系统中的 比特误码率并不能满足实际的需求。
世界上没有——100%可靠的信息传递
三种常用差错控制方式
检错重发(ARQ，Automatic Resend Query)
前向纠错(FEC，Forward Error Correction)
世界上没有——100%可靠的信息传递
流量控制基本理论
流量控制
数据传输中流量控制总是必需的 发方数据的速率必须使收方来得及接收。 当收方来不及接收时，就必须及时控制发
方发送数据的速率。
世界上没有——100%可靠的信息传递
理想化的数据传输过程
假设1：链路无差错，所发送的任何数据 都不会丢失或出错。
信道共享技术基本理论
信道共享技术
以动态分配信道资源的多点接入方式提高 了网络利用率。多点接入技术主要有以下 两类。
1)受控接入：轮叫轮询，传递轮询。 2)随机接入：ALOHA，CSMA和CSMA/CD。
世界上没有——100%可靠的信息传递
轮询
轮询是一种非竞争的动态分配共享资源的系统 主站：某个集中控制点，向各分散用户发出询
循环码
循环码是一种分组的系统码，通常前k位为 信息码元，后r位为监督码元。
它除了具有线性分组码的封闭性之外，还 有一个独特的特点：循环性。
所谓循环性是指：循环码中任一许用码组 经过循环移位后所得到的码组仍为一许用 码组。
世界上没有——100%可靠的信息传递
蓝牙系统差错控制
在蓝牙技术中使用了三种纠错方案: 1/3FEC前向纠错码。 2/3FEC前向纠错码。 用于数据的ARQ方案。
由于减少等待时间，整个通信的吞吐量提 高了。
世界上没有——100%可靠的信息传递
连续ARQ
由于连续发送了许多帧，所以应答帧不仅 要说明是对那一帧进行确认或否认，而且 应答帧本身也必须编号。
发送方每发完一个数据帧时都要设置超时 定时器，只要在所设置的超时时间内没收 到确认帧，就重发相应的帧，包括在这个 超时时间内已经连续发出的数据帧，也就 是向回走N个帧。