關(guān)于丟包的問題

無線通信最常見的問題就是丟包，無論是簡單原始的433MHz通信，還是高精尖的5G信號，都會有丟包問題。解決丟包問題也是無線工程師的必要工作，丟包不可避免，但是遇到丟包了應(yīng)該怎么辦才是本文要談的。無線通信最重要的就是設(shè)計一套能夠解決應(yīng)用需求的通信協(xié)議，而通信協(xié)議包含這些要素：無線信號使用什么頻段、什么調(diào)制方式不被干擾、無線信號發(fā)給誰、如何保證無線信號送達(dá)目標(biāo)、多個相同的設(shè)備同時使用該怎么辦、接收端如何判斷收到的信號是否重復(fù)收或漏收……其實這些都是圍繞解決一個問題——丟包。

所以任何一種普遍使用的無線通信協(xié)議，都要分成若干邏輯層，每一個邏輯層。例如常見的Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙，它們都具備兩個共同的邏輯層——PHY物理層，MAC鏈路層。其中PHY層定義了頻段、調(diào)制方式以及傳輸方式。MAC層則定義了誰來發(fā)信號，誰來收信號，什么時候發(fā)信號?；镜腜HY層和MAC層解決了常見的物理丟包問題，但是無線設(shè)備的應(yīng)用場景十分復(fù)雜，因此各種通信協(xié)議之上還增加了諸如網(wǎng)絡(luò)層這些邏輯層用于保證通信的穩(wěn)定性，如Wi-Fi協(xié)議上 的TCP協(xié)議就是為了保證傳輸穩(wěn)定而設(shè)計的。例如ZigBee的PHY層和MAC層就為了減少丟包做了一些處理機(jī)制。

減少丟包處理機(jī)制

①PHY層的減少丟包機(jī)制：
物理層的丟包，就是發(fā)送端發(fā)送了信號，但是接收端沒有接收到信號。這也是最簡單也是最常見的原因，通常就是發(fā)射端的功率低了，發(fā)射端距離接收端太遠(yuǎn)。遇到這種情況，通常會想到的辦法就是提高發(fā)射功率，信號能發(fā)射得更遠(yuǎn)。但是根據(jù)香農(nóng)定律，在相同信道帶寬下，信號攜帶的信息量越少，對信噪比的需求越低，對信噪比需求越低就意味著對功率的需求越低。這時除了提高功率，還有一種方式就是擴(kuò)頻。比如典型的ZigBee上使用的DSSS擴(kuò)頻，原本ZigBee的信道帶寬有2MHz，也就是能在1秒鐘內(nèi)輸出2M個0或1的信號。通常我們使用8個0或1的信號表示一個字節(jié)，但是DSSS的作用下，需要64個0或1的信號來表示一個字節(jié)。這樣使用無線信號傳輸一個字節(jié)需要64個0或1，即使信號在傳輸過程中發(fā)生了失真，接收端也能對信號進(jìn)行糾錯。這也就是為什么ZigBee的傳輸穩(wěn)定性優(yōu)于433MHz通信。正常情況下，ZigBee在20dBm發(fā)射功率的情況下，傳輸距離可達(dá)1公里。還有一種情況，就是天線的問題。任何一種天線都有天線增益系數(shù)以及方向性。通常外置天線的增益就優(yōu)于PCB天線，在設(shè)備空間充足的情況下盡量選擇外置天線。而天線的方向性也是要考慮的因素，例如棒狀天線的信號覆蓋范圍就是一個扁球體，平行天線的位置信號非常好，而天線軸線延長線位置信號差得多。
②MAC層減少丟包的機(jī)制：以ZigBee的IEEE802.15.4系列協(xié)議為例，該協(xié)議的MAC層具有一下幾個重要的功能。載波偵聽和CSMA機(jī)制：IEEE802.15.4具備基于載波偵聽的CSMA機(jī)制。設(shè)備在每次發(fā)射信號前，會偵聽當(dāng)前信道是否繁忙，并在信道空閑的時候發(fā)射信號。很多sub-G芯片也帶有載波偵聽功能的，但是缺少類似CSMA這樣的協(xié)議機(jī)制。CSMA則規(guī)定了信道偵聽的方法：發(fā)射前在一個隨機(jī)時間內(nèi)持續(xù)偵聽信道，這樣就能適當(dāng)避免兩個相同的設(shè)備同時發(fā)射信號；隨機(jī)時間到達(dá)后嘗試發(fā)送信號，如果發(fā)送失敗就再偵聽一次，并且下一次隨機(jī)時間范圍繼續(xù)擴(kuò)大（2倍），這樣就能避免更多的設(shè)備同時發(fā)射信號；如果多次嘗試都失敗，而且達(dá)到了最大次數(shù)限制，那么這個信號就算丟包了。自動應(yīng)答機(jī)制：IEEE802.15.4-MAC層有兩種主要通信方式：廣播和點(diǎn)播。點(diǎn)播到目標(biāo)時，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)會返回ACK幀。發(fā)送端沒有收到ACK幀，會嘗試重傳信號，如果多次重傳都沒收到ACK就算丟包。另外接收端回復(fù)MAC-ACK的時候是不受CSMA機(jī)制可以強(qiáng)行發(fā)送的，發(fā)送端在CSMA機(jī)制下成功將點(diǎn)播信號送出去后，只需要0.2~0.5毫秒就能收到ACK。

因此，導(dǎo)致MAC層丟包常見的現(xiàn)象就是CSMA失敗丟包和MAC-ACK失敗丟包，和物理層的丟包不同的是這兩種丟包都可以被發(fā)送端自己檢測到。通常遇到這種丟包，應(yīng)用上的處理就是重傳。但是重傳也是要講究科學(xué)性的，比如惡意信號干擾導(dǎo)致CSMA失敗重傳就沒法解決；接收目標(biāo)不存在導(dǎo)致的 MAC-ACK失敗重傳也是沒法解決的。PHY層和MAC層的一系列處理機(jī)制都是為了減少丟包而設(shè)計的，但是無法保證絕對沒有丟包，因此無線應(yīng)用設(shè)計中，最關(guān)鍵的就是遇到丟包了該怎么辦。

無線應(yīng)用中丟包解決方法

以ZigBee傳輸為例，PHY層、MAC層、NWK層做了很多處理機(jī)制，丟包率幾乎達(dá)到0.1%~0.01%。但是如果應(yīng)用設(shè)計沒考慮到僅剩的0.1%~0.01%丟包問題，對應(yīng)用自身的影響就是致命的。在應(yīng)用中常見的對丟包的容錯，有如下解決辦法。①合理重傳：重傳是大家都能想到的方法，ZigBee就提供了CSMA失敗檢測和ACK失敗檢測。通常遇到以上兩種情況大家的常見做法就是數(shù)據(jù)重傳。但是重傳也要講究合理性，例如CSMA失敗，這個時候有可能是很多個節(jié)點(diǎn)同時在發(fā)射信號；例如設(shè)備上電的時候會把上電時的信息上報給網(wǎng)關(guān)，多個設(shè)備一起上電肯定會有很大的沖突率，CSMA失敗是很常見的事。因此，這時候遇到CSMA失敗不要立即重傳，可以隨機(jī)延時100毫秒~1秒再重傳，如果再次失敗說明同時傳輸?shù)脑O(shè)備確實太多，再隨機(jī)延時2~4秒，失敗再隨機(jī)延時4~8秒……。如果是ACK失敗則可以根據(jù)該次發(fā)射數(shù)據(jù)的實時性，延遲一個固定時間再重傳，一般在1秒以上5秒以下，因為有可能上次傳輸失敗是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)“不在狀態(tài)”，下次傳輸可能就自動好了。②設(shè)計時序規(guī)則：應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸時需要考慮出現(xiàn)丟包時該如何處理，例如OTA升級，文件傳輸。每一幀數(shù)據(jù)都是必不可少的，而且順序還要正確。所以這類無線傳輸應(yīng)用中，應(yīng)該對每一幀數(shù)據(jù)包都標(biāo)注上序號。發(fā)送端一旦檢測到丟包，可能會重傳數(shù)據(jù)幀。而接收端有可能是因為ACK沒有發(fā)送到發(fā)送端導(dǎo)致發(fā)送端誤判。如果接收端收到多一幀或少一幀數(shù)據(jù)，都可以從每一幀的序號判斷出來。③該放棄時要放棄：類似接收端不存在，或者信道遇到干擾的問題，通過MAC層都可以偵測到。例如出現(xiàn)連續(xù)長時間的ACK失敗，可能就是接收端不存在；連續(xù)長時間的CSMA失敗，可能就是遇到了干擾。接收端不存在的情況下完全可以放棄對這個接收端發(fā)送消息。信道被干擾的情況下可以做整體信道切換，也可以暫停全網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，保存當(dāng)前狀態(tài)，等待干擾消失后再恢復(fù)全部的傳輸。

不算丟包的“丟包”

無線通信上除了無線信號導(dǎo)致的丟包，還有軟件邏輯上的丟包。典型的就是通信的數(shù)據(jù)量超過了發(fā)送端或接收端的處理能力。比如ZigBee的傳輸速率只有250kbps，加上CSMA延遲，路由轉(zhuǎn)發(fā)，實際數(shù)據(jù)傳輸速率能夠達(dá)到5kbps~10kbps就很不錯了。發(fā)射端的應(yīng)用程序如果向發(fā)射端寫入數(shù)據(jù)的速度超過了發(fā)射端的傳輸速度，也會導(dǎo)致軟件丟包。通常各家芯片廠商的IEEE802.15.4的協(xié)議棧都會提供一個Send Confirm的回調(diào)接口，應(yīng)用程序向傳輸接口寫入需要傳輸?shù)南⒑?，約在幾毫秒到幾十毫秒內(nèi)收到Send Confirm回調(diào)觸發(fā)。同時一般射頻芯片SoC也會提供緩存來存儲寫入的數(shù)據(jù)幀，有可能應(yīng)用程序一次向射頻芯片寫入多個數(shù)據(jù)幀都被芯片SOC緩存起來，再慢慢的一幀一幀發(fā)射出去，然后Send Confirm回調(diào)被陸陸續(xù)續(xù)地觸發(fā)。如果應(yīng)用程序在發(fā)送消息的時候，每次向射頻SoC寫入傳輸消息，待Send Confirm觸發(fā)后再寫入下一條消息，就可以很好地規(guī)避軟件丟包的問題。

對于接收端也是如此，多個發(fā)送端向同一個接收端發(fā)送消息，CSMA很好的規(guī)避了沖突，發(fā)送端收到了各自的ACK，但是發(fā)送端發(fā)送的消息在接收端沒有得到正確的響應(yīng)。那么就有可能是接收端的處理能力有限，各個發(fā)送端累計發(fā)送的消息全部堆在接收端正在處理，這種情況就要考慮系統(tǒng)設(shè)計問題，減少接收端的處理壓力。

總結(jié)

對于丟包的容錯處理是無線通信設(shè)計的關(guān)鍵，現(xiàn)有成熟的通信協(xié)議雖然做了很多措施來降低丟包率，如果丟包一旦發(fā)生一定要有容錯機(jī)制來應(yīng)對，否則就算是千分之一或萬分之一的丟包，都會為整個無線系統(tǒng)帶來災(zāi)難性的后果。