CN109818983A - 一种ZigBee与WiFi组网通信认知抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种ZigBee与WiFi组网通信认知抗干扰方法，属于异构无线网技术领域。该方法包括以下步骤：S1：认知模块降低干扰；认知模块是利用GNU Radio构造流图，再通过结合USRP运行感知周围的频谱环境，使用文件存储感知获得的频谱信息和幅度信息；S2：网关功能模块组网通信。本发明通过GNU Radio结合USRP实现认知模块，为ZigBee和WiFi配置不同的工作频率，避免同频段网络间的通信干扰，另外在GNU Radio中通过构造ZigBee协议栈和WiFi协议栈来组建ZigBee‑WiFi网关流图，再结合USRP实现网关模块，达到利用软件无线电实现异构无线网络ZigBee和WiFi的组网通信。

Description

一种ZigBee与WiFi组网通信认知抗干扰方法

技术领域

本发明属于异构无线网技术领域，涉及一种ZigBee与WiFi组网通信认知抗干扰方法。

背景技术

近年来无线网络迅速发展，WiFi和ZigBee等通信标准得到广泛应用。WiFi的主要应用场景为局域网接入，ZigBee的应用场景为低功耗短距离点对点组网传输。ZigBee协议具有低速率，低功耗的特点，通过ZigBee协议自带的mesh功能，可以快速实现一个大规模的传感网络。WiFi协议具有高速率，便于接入互联网的特点，ZigBee无线传感器领域的强大功能与WiFi的本地IP网络通信领域的特殊优势相结合，具有良好的适应性和广阔的覆盖范围，ZigBee-WiFi网络有很大的发展空间，结合多种通信模式的优势进行组网通信的需求也日益明显。

ZigBee和WiFi同时部署于2.4GHz频段，由于两者具有不同的发射功率及带宽，ZigBee节点的通信对WiFi的可见性较低，WiFi设备间的通信会干扰到ZigBee节点间的通信。对处于同一网络中的设备可以采用MAC协议进行频谱共享，但传统的MAC协议对这两种异构无线网络的共存是无效的。认知无线电技术被认为是一种有效的方法来缓解频谱资源短缺，本发明将认知无线电技术应用到ZigBee与WiFi的组网通信中，解决同频段信号对ZigBee节点间通信的干扰，实现频谱共享。

然而由于ZigBee与WiFi是异构的无线网络，在物理层以及MAC层存在一定差异，两者对应的设备间并不能直接通信，需要搭建网关作为通信的桥梁。传统的硬件ZigBee-WiFi硬件网关，它主要包括ZigBee协调器模块、串口转化模块、WiFi通信模块、电源供电模块，不同模块间通过串口转化模块进行数据的转换和传输。由于各个模块集成为一体，硬件网关并不能查看网关内部的数据操作和传输，各个模块参数设置固定，缺乏灵活性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种ZigBee与WiFi组网通信认知抗干扰方法。通过开源软件无线电GNU Radio结合通用软件无线电外设USRP实现认知功能，为ZigBee网络和WiFi网络配置不同的工作频率，避免同频段网络间的通信干扰。以及利用GNU Radio和USRP搭建ZigBee-WiFi网关，通过软件可以定义网关的接收和发送，实现异构无线网络ZigBee和WiFi的组网通信。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种ZigBee与WiFi组网通信认知抗干扰方法，该方法包括以下步骤：

S1：认知模块降低干扰；认知模块是利用GNU Radio构造流图，再通过结合USRP运行感知周围的频谱环境，使用文件存储感知获得的频谱信息和幅度信息；

S2：网关功能模块组网通信。

进一步，所述步骤S1具体为：

S11：USRP通过接收子板对高频模拟信号进行下变频到模拟中频，降低信号频率，便于模数转换器ADC采样，将模拟信号转换为数字信号；

S12：USRP母板上的模数转换器ADC连接到FPGA，产生的中频数字信号经数字下变频器DDC，把信号由中频转换为基带复信号；

S13：s2v将基带复信号流转换成矢量信号，通过加汉明窗进行FFT快速傅里叶变换；

S14：c2mag将FFT后的复信号进行幅值平方处理，将c2mag处理后数据存储到message消息队列中，方便后续调用。

进一步，所述USRP在每次处理时的频谱带宽为4MHz。

进一步，所述USRP在检测大范围频谱时的流程为：

S111：确定频谱范围，从最小频率开始检测；

S112：认知模块感知频谱信息；

S113：读取message消息队列频谱数据；

S114：判断是否扫频到最大频率，若是则扫频完成，若不是，则进行调频，以4MHz进行步进，并跳到步骤S112。

进一步，所述步骤S2具体为：

S21：ZigBee终端采集信息发送到ZigBee协调器，协调器通过射频芯片发送数据到ZigBee-WiFi网关；

S22：USRP通过射频前端进行接收，然后通过IEEE 802.15.4物理层和MAC层进行解析，最后通过Rime层解析出实际数据，上传到Socket PDU；

S23：由ZigBee协议栈的Socket发送至WiFi协议栈的Socket PDU，再经过TUNTAPPDU产生IP数据包；

S24：IP数据包向下传递，经过WiFi的MAC层和物理层封装成帧，通过USRP的射频前端进行发送；

S25：WiFi网络中的节点进行数据帧的接收解析，最后得到ZigBee节点发送的实际数据。

进一步，所述ZigBee网络中ZigBee终端和ZigBee协调器使用TelosB节点，USRP1和USRP2采用的是北京海曼生产的USRP N210，USRP中的子板为UBX-40,它有一个全双工收发器，能够调谐的频率为10MHz到6GHz；电脑PC操作系统为Ubuntu 16.04；GNU Radio的版本为3.7.10；

WiFi网络为方便查看从网关接收的数据，采取USRP充当WiFi节点。

本发明的有益效果在于：

本发明结合软件定义无线电的优势，通过利用通用软件无线电外设USRP和GNURadio搭建ZigBee-WiFi网关，GNU Radio是一个开源的无线电软件，包含丰富的类库和信号处理模块，通过软件定义无线电的发送和接收方式，可以快速地搭建无线通信系统。USRP是一个与GNU Radio结合的硬件，用于实现无线电信号的发送和接收。ZigBee节点发送的数据包经过网关的转换，再由网关发送到WiFi节点设备，实现ZigBee与WiFi设备的通信。通过利用软件定义无线电的优势，使用GNU Radio和USRP实现网关模块，实现异构无线网络ZigBee和WiFi的通信。

本发明通过GNU Radio结合USRP实现认知模块，为ZigBee和WiFi配置不同的工作频率，避免同频段网络间的通信干扰，以及当有新的WiFi接入点加入，认知模块感知到周围的频谱环境发生变化，USRP充当ZigBee终端发送数据包到ZigBee网络的协调器，协调器选择空闲信道重新组网。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为认知模块利用USRP感知周围环境频谱信息；

图2为USRP步进感知检测大范围频谱；

图3为GNU Radio搭建ZigBee-WiFi网关；

图4为实施例组网示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明分为认知模块降低干扰和网关功能模块组网通信。认知模块是利用GNURadio构造流图，再通过结合USRP运行感知周围的频谱环境，使用文件存储感知获得的频谱信息和幅度信息。认知模块的设计如图1所示。

主要实施步骤如下：

(1)USRP通过接收子板对高频模拟信号进行下变频到模拟中频，降低信号频率，便于模数转换器ADC采样，将模拟信号转换为数字信号

(2)USRP母板上的模数转换器ADC连接到FPGA，产生的中频数字信号经数字下变频器(DDC)，把信号由中频转换为基带复信号。

(3)s2v(stream to vector)功能是将基带复信号流转换成矢量信号，通过加汉明窗进行FFT快速傅里叶变换

(4)c2mag(complex to magnitude squared)是将FFT后的复信号进行幅值平方处理，将c2mag处理后数据存储到message消息队列中，方便后续调用。

由于通用软件无线电外设USRP的性能限制，它每次所能处理的频谱范围为8MHz。如果处理带宽设置的越大，在同等参数条件下频谱分辨率越低，因此选择USRP每次处理的频谱带宽为4MHz。

本发明选择以4MHz为感知的步进，通过RF前端不断步进调频来达到感知大范围频谱的目的。此次研究的ZigBee与WiFi同工作于2.4GHz频带，ZigBee具有16个子信道，WiFi具有11个子信道。为了更好地感知周围环境的无线电频谱，选取的频率范围为2400MHz-2485MHz，USRP检测大范围频谱的流程如图2所示。

通过图2可知，根据频谱的检测范围，每次认知模块检测的频谱带宽为4MHz，存储频谱信息到相应的文件，通过判断扫频是否达到最大频率，以4MHz步进直至整个频谱范围检测完成。ZigBee与WiFi进行组网通信时网关模块会根据认知模块频谱信息选择合适的信道，减小较强的WiFi信号对ZigBee通信造成干扰。

ZigBee和WiFi网络的互通是依靠网关实现的，利用软件无线电GNU Radio搭建ZigBee-WiFi网关，网关中集成了ZigBee协议栈和WiFi协议栈两大部分。

网关模块构造如图3所示。

GNU Radio的编程是基于Python脚本语言和C++混合的方式。调用GNU Radio中使用C++编写的信号处理模块(block)，通过Python构造流图，编写连接ZigBee和WiFi协议栈中各个信号处理模块的脚本，最终完成ZigBee-WiFi网关的信号收发流图。

ZigBee协议栈的Rime层相当于无线传感器网络中的网络层，其主要用来实现广播通信，单播通信，可靠的单播连接。WiFi协议栈中的TUNTAP PDU信号处理模块功能是发送和接收IP数据包，Ethernet Encapsulation功能是封装和解析以太网帧。

ZigBee-WiFi网关包括两条路径，一条是实线路径，网关接收ZigBee协调器发送的数据包，进行解帧，然后传输WiFi协议栈封装成WiFi协议帧进行发送。

另外一条是虚线路径，网关接收WiFi网络发送的数据包，经过解帧后经ZigBee协议栈封装成帧，由USRP发送到ZigBee网络。

图4为实施例组网示意图，ZigBee网络中ZigBee终端和ZigBee协调器使用TelosB节点，USRP1和USRP2采用的是北京海曼生产的USRP N210，USRP中的子板为UBX-40，它有一个全双工收发器，可调谐的频率从10MHz到6GHz。电脑PC操作系统为Ubuntu 16.04，GNURadio的版本为3.7.10。另外WiFi网络为了方便查看从网关接收的数据，采取USRP充当WiFi节点。

在ZigBee与WiFi的组网通信中，认知模块和网关模块是重要的组成部分。网关模块实现异构无线网络ZigBee设备与WiFi设备的互通，认知模块通过感知周围的频谱环境，根据存储到文件的频谱信息，分别为ZigBee网络和WiFi配置不同的工作频率，避免较强的WiFi信号对ZigBee通信造成干扰。

USRP1不仅实现了认知模块功能，还具有GNU Radio搭建的ZigBee发射机流图，当周围环境有新的WiFi节点加入，认知模块检测到与ZigBee网络信道重叠，USRP1会充当ZigBee发射机发送数据包到ZigBee网络的协调器，ZigBee协调器会根据能量检测算法切换到空闲信道重新组网来避免干扰。

以上内容讲述了采用认知无线电减小频谱间的干扰，关于ZigBee与WiFi通过网关组网通信，以ZigBee节点作为发送端和WiFi设备作为接收端举例，组网通信的主要步骤如下：

(1)ZigBee终端采集信息发送到ZigBee协调器，协调器通过射频芯片发送数据到ZigBee-WiFi网关

(2)USRP通过射频前端进行接收，然后通过IEEE 802.15.4物理层和MAC层进行解析，最后通过Rime层解析出实际数据，上传到Socket PDU

(3)由ZigBee协议栈的Socket发送至WiFi协议栈的Socket PDU，再经过TUNTAPPDU产生IP数据包

(4)IP数据包向下传递，经过WiFi的MAC层和物理层封装成帧，通过USRP的射频前端进行发送

(5)WiFi网络中的节点进行数据帧的接收解析，最后得到ZigBee节点发送的实际数据。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种ZigBee与WiFi组网通信认知抗干扰方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：认知模块降低干扰；认知模块是利用GNU Radio构造流图，再通过结合USRP运行感知周围的频谱环境，使用文件存储感知获得的频谱信息和幅度信息；

S2：网关功能模块组网通信。

2.根据权利要求1所述的一种ZigBee与WiFi组网通信认知抗干扰方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：

S11：USRP通过接收子板对高频模拟信号进行下变频到模拟中频，降低信号频率，便于模数转换器ADC采样，将模拟信号转换为数字信号；

S12：USRP母板上的模数转换器ADC连接到FPGA，产生的中频数字信号经数字下变频器DDC，把信号由中频转换为基带复信号；

S13：s2v将基带复信号流转换成矢量信号，通过加汉明窗进行FFT快速傅里叶变换；

S14：c2mag将FFT后的复信号进行幅值平方处理，将c2mag处理后数据存储到message消息队列中，方便后续调用。

3.根据权利要求1所述的一种ZigBee与WiFi组网通信认知抗干扰方法，其特征在于：所述USRP在每次处理时的频谱带宽为4MHz。

4.根据权利要求3所述的一种ZigBee与WiFi组网通信认知抗干扰方法，其特征在于：所述USRP在检测大范围频谱时的流程为：

S111：确定频谱范围，从最小频率开始检测；

S112：认知模块感知频谱信息；

S113：读取message消息队列频谱数据；

S114：判断是否扫频到最大频率，若是则扫频完成，若不是，则进行调频，以4MHz进行步进，并跳到步骤S112。

5.根据权利要求1所述的一种ZigBee与WiFi组网通信认知抗干扰方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：

S21：ZigBee终端采集信息发送到ZigBee协调器，协调器通过射频芯片发送数据到ZigBee-WiFi网关；

S22：USRP通过射频前端进行接收，然后通过IEEE802.15.4物理层和MAC层进行解析，最后通过Rime层解析出实际数据，上传到Socket PDU；

S23：由ZigBee协议栈的Socket发送至WiFi协议栈的Socket PDU，再经过TUNTAP PDU产生IP数据包；

S24：IP数据包向下传递，经过WiFi的MAC层和物理层封装成帧，通过USRP的射频前端进行发送；

S25：WiFi网络中的节点进行数据帧的接收解析，最后得到ZigBee节点发送的实际数据。

6.根据权利要求5所述的一种ZigBee与WiFi组网通信认知抗干扰方法，其特征在于：所述ZigBee网络中ZigBee终端和ZigBee协调器使用TelosB节点，USRP1和USRP2采用的是北京海曼生产的USRP N210，USRP中的子板为UBX-40,它有一个全双工收发器，能够调谐的频率为10MHz到6GHz；电脑PC操作系统为Ubuntu16.04；GNU Radio的版本为3.7.10；

WiFi网络为方便查看从网关接收的数据，采取USRP充当WiFi节点。