CN113079538B - 基于跨技术通信技术的异构设备协同传输机制 - Google Patents

基于跨技术通信技术的异构设备协同传输机制 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于跨技术通信的异构设备协同传输机制。其特征在于：采用跨技术通信方法协调WiFi设备和ZigBee设备的传输，实现两种异构设备对无线信道的无冲突接入。包含以下步骤：ZigBee接收节点发送一个包含了跨技术通信信息的信标。该信标在通知ZigBee发送节点可以进行数据收发的同时，也通过跨技术通信的信息告知周围的WiFi设备保持静默，从而避免了WiFi对ZigBee的干扰；本发明采用建立WiFi中转站解决跨技术干扰中的隐终端问题；采用跨技术通信方法，在不改变ZigBee硬件的情况下对ZigBee数据包进行特殊的编码保证能被WiFi设备解析。

Description

基于跨技术通信技术的异构设备协同传输机制
技术领域
本发明涉及一种基于跨技术通信技术的异构设备协同传输机制。确切地说，是一种由ZigBee接收端发起的MAC协议，由它告知中转站WiFi设备，并由该设备通知其他的WiFi设备进行退避，从而减少周围WiFi设备对ZigBee设备的干扰，实现WiFi和ZigBee设备的协同传输，属于无线通信技术领域。
背景技术
近年来，随着全球的物联网市场规模不断扩大，联网设备迅速增加，物联网已经成为全球各国的技术以及产业创新的重要发展战略。
大量的异构无线设备共存是物联网的一大特点。作为当下最流行的互联网接入方式之一，WiFi技术现在已经广泛存在于办公楼、学校、商场等人口集中的区域，它可以将智能手机、智能手表、平板电脑等各种设备以无线的方式进行连接。ZigBee作为一种短距离的无线通信技术，用于低成本、低功耗的无线网络。它的优势是设备简单，电池寿命长，可以方便地嵌入到各种控制器、传感器等设备中。
由于这两种设备已经广泛的部署在我们生活中，尤其是在智能家居、智能医疗等场景中。因此我们需要考虑WiFi设备和ZigBee设备之间的相互干扰和共存问题。原因如下：
(1)共享频段：WiFi设备和Zigbee设备都工作在ISM频段中的2.4GHz频段上，ZigBee建立在 802.15.4标准之上，WiFi建立在802.11标准之上，通过对比IEEE 802.15.4在2.4GHz频段的信道以及IEEE 802.11的信道情况可以发现其中绝大部分信道重叠，因此WiFi设备和ZigBee设备之间容易存在干扰。
(2)功率不对称：ZigBee作为低功耗技术，传输功率较低(例如CC2420的最大发射功率为0dBm)。而WiFi设备的发送功率是ZigBee的10到100倍(20-30dBm).因此ZigBee的数据传输往往受到WiFi 的干扰。
(3)感知能力和响应时间不同：由于ZigBee的功率太小，有时WiFi甚至无法感知ZigBee信号的存在。因此WiFi经常会抢占ZigBee的信道，甚至打断ZigBee的传输。即使当ZigBee信号可以被 WiFi感知到，但由于ZigBee的响应时间是WiFi的16倍，在无线资源的竞争中往往比WiFi慢很多，因此信道往往已经被WiFi抢占而无法获得传输机会。
(4)难以协调：传统上我们认为，不同技术的信号之间不能直接通信，因此异构设备之间难以协调彼此的数据传输。例如，由于WiFi和ZigBee使用不兼容的物理层调制和编码技术，因此它们无法相互解调和解码对方的数据包，也就无法通过交互控制信息而协调它们彼此的传输。
由于上述原因，异构技术之间难以避免互相干扰，这种异构设备之间的干扰被称作跨技术干扰。由于异构设备大量共存，跨技术干扰的现象往往十分严重。研究表明，在办公楼等室内WiFi密集的区域，跨技术干扰可导致ZigBee设备丢包率达到50％。
发明内容
本发明提出一种基于跨技术通信的物联网设备协同传输机制。该机制可以有效降低WiFi设备对 ZigBee设备的干扰，并且解决跨技术干扰中的隐终端问题。
本发明包括以下步骤：
步骤(1)，在ZigBee节点接收数据包之前，由ZigBee接收节点发送带有跨技术通信(CTC)信息的信标帧来通知WiFi中转站(CT-WiFi)和Zigbee发送节点。CT-WiFi的设置可以避免距离ZigBee 节点较远的WiFi端因为没有检测到ZigBee信标帧而发送WiFi信息，干扰ZigBee数据收发。
步骤(2)，CT-WiFi和Zigbee发送节点接收含有跨技术通信信息的信标。ZigBee的信标帧中包含了WiFi的退避时间信息，并通过跨技术通信的方法把这部分信息传递给CT-WiFi。此处采用的跨技术通信方法，是对ZigBee数据包的负载进行符号编码，构造一种能被WiFi设备检测出来的特殊信号模式，从而在ZigBee和WiFi这两种异构设备之间传递信息。此步骤使ZigBee节点和WiFi设备均可以收到Zigbee接收节点发送的信标帧的部分内容。
步骤(3)，CT-WiFi发送CTS(clean to send)消息，告知其他WiFi设备退避一段时间(即保持一段时间静默)，这个退避时间从ZigBee信标帧中得到。在其发送CTS的这段时间内，Zigbee发送节点需要等待一段时间(记为To)保证CT-WiFi发送完CTS消息，避免CTS消息对ZigBee节点发送数据造成干扰。
步骤(4)，CT-WiFi设备发送完CTS消息之后，Zigbee发送节点发送Zigbee数据包，此时其他 WiFi设备收到CTS，并根据CTS中的退避时间(包含在网络向量NAV中)进行退避。WiFi设备的退避采用了CSMA机制，WiFi退避时间TBACKOFF由数据传输时间TDATA、ZigBee发送等待时间To和ZigBee 信标时间TB三部分决定。
以上机制，可以保证WiFi设备不影响Zigbee节点间的数据收发。
这种基于跨技术通信的异构设备传输机制有以下优点：
(1)传输可靠：本发明保证了ZigBee在传输数据时，周围的WiFi已经被通知延迟。
(2)操作简便易于实现：本发明不需额外增加网关和不改变ZigBee节点已有的通信协议和通信模式，与已有的ZigBee网络无缝连接。
本发明利用了最新的跨技术通信技术设计了一种异构设备间的协同传输机制，实现了物联网中异构设备的协同传输，有效避免了ZigBee节点传输时受到WiFi设备的跨技术干扰，本发明为跨技术通信在物联网中的应用提供了新的可能，为其他的异构物联网技术的协同传输开辟了新的思路。
附图说明
图1为本发明提出的CT-MAC的流程图。
图2为CT-MAC的工作示意图。
图3为CT-MAC的时序图。
图4为本发明中的Zigbee信标帧结构。
图5为CTC消息的特殊符号组合。
图6为选择CT-WiFi时的两种情况示意图。
图7为本发明中CSMA/CA机制示意图。
图8为本发明实施例中的实验设备。
图9为无WiFi干扰、有WiFi干扰和采用CT-MAC机制三种情况下ZigBee丢包率对比图。
图10为有WiFi干扰和经过CT-MAC的ZigBee丢包率与WiFi发包间隔关系对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案等更加清楚，下面结合附图对本发明进一步详细说明。
(1)CT-MAC的整体框架：如图1所示，CT-MAC的实现流程主要包括以下步骤：首先，ZigBee 接收节点发送含有CTC的信标帧；同时，WiFi设备和ZigBee发送节点接收信标帧；然后，CT-WiFi 设备发送CTS消息通知远处WiFi设备退避，ZigBee发送节点等待CTS发送完毕；最终，ZigBee收发节点间进行数据传输，WiFi设备保持静默。
(2)CT-MAC的工作示意图：如图2所示，ZigBee接收节点广播信标，将其中的CTC消息发送至附近的WiFi设备，再让这一WiFi设备成为CT-WiFi通知其他远处的WiFi设备进行退避，从而减少周围WiFi设备对ZigBee节点收发数据的干扰。
(3)CT-MAC的时序图：如图3所示，ZigBee发送节点等待ZigBee接收节点发送信标帧，CT-WiFi 在接收信标帧后发送CTS消息，ZigBee发送节点之后再发送Zigbee数据包，其他WiFi设备退避直至ZigBee节点间完成数据传输，避免在ZigBee节点通信的过程中出现干扰。
(4)含有CTC信息的Zigbee信标帧结构：如图4所示，依次包含以下部分：包头、有效载荷以及循环冗余校验码(CRC)其中，CTC信息的构造是基于有效载荷编码的跨技术通信方法，通过对CTC 信息进行特殊的符号编码而保证被WiFi端接收到。该方法利用了WiFi空闲监听时进行前导码检测的特点，使ZigBee产生具有特殊模式的符号能被WiFi的前导序列检测中的自相关函数检测到。
(5)CTC消息的特殊符号组合：如图5所示，连接的ZigBee符号(6，7)(E，F)分别表示0，1，其中灰色的部分是连续的正弦区域，通过连接这两个符号可以使这段连续的正弦区域最大化。经过分析发现在任意数目的符号组合中，(6，7)(E，F)这两种组合产生的稳定相位最长。当这种组合产生了稳定的相位，因而当WiFi端进行前导码检测时可以识别到相关峰，即可以识别ZigBee的信息。本实施例中为了实现跨技术通信，从ZigBee端到WiFi端通信做了以下工作：在ZigBee的发送端它需要构造一个包含0xEF以及0x67的数据包，分别代表跨技术信息的比特0和比特1，这两种特殊的模式都可以被WiFi端的前导序列检测模块识别。本发明使用软件无线电平台USRP N210来模拟实现WiFi 的接收端。
(6)中转站CT-WiFi的选择：对于中转功能的WiFi设备选择，有以下两类情况，如图6所示。
a.多个WiFi设备均收到CTC信标：当多个WiFi设备都在ZigBee的通信范围之内，并收到了含有CTC信息的信标帧时。首先，根据WiFi固有的CSMA/CA载波侦听机制，这些WiFi设备会先进行侦听。在侦听到信道空闲后，将使用二进制指数退避算法(BEB)随机选择争用窗口中的时隙，等待时间最少的WiFi设备最先做出反应向其他WiFi设备发出退避的通知(CTS)，从而成为CT-WiFi；其他WiFi 设备收到CTS后保持静默。
b.没有WiFi设备接收到CTC信标:当WiFi设备均在ZigBee通信范围之外，从而没有WiFi能收到ZigBee信标时。ZigBee节点的传输很可能会受到WiFi的干扰。在ZigBee节点受到干扰而丢包后, 通过检测信号强度指示(RSSI)和丢包情况来综合判断是否受到WiFi的干扰。当发现受到WiFi干扰时，采取跳频避免持续被WiFi影响。
(7)ZigBee发送等待时长To的设置：Zigbee发送节点设定的等待时长To等于WiFi的最大等待窗口以及发送CTS通知消息的时间之和，本发明中CTS长度为203us，等待时间包含分布协调功能帧间间隔DIFS和竞争窗口的时间，其中DIFS的时长为50us,CW竞争窗口(Contention window)最大时长为31个slots，因此总等待时长为203+50+31*20＝873us。
(8)WiFi退避机制：如图7所示，WiFi设备的退避机制采用了CSMA/CA机制，CSMA/CA即载波侦听多路访问与碰撞避免机制。工作期间有四次信息交换又称为四次握手，首先发送端发出短的RTS (request to send)来预约信道，接收端在收到后经过SIFS短帧间间隔之后，接着作出答复发出CTS 同意预约，接着发送端开始数据传输，接收端收到后会再发ACK表示接收完成。在RTS和CTS消息中包含有一个NAV字段，说明了WiFi的退避时间。根据该字段设置计时器，当计时器的时间减少到0时就会被认为信道空闲可以进行数据传输。
(9)WiFi退避时长TBACKOFF的设置：WiFi退避时间TBACKOFF包含数据传输时间TDATA、ZigBee 发送等待时间To和ZigBee信标时间TB三部分。其中，TDATA和TB的时间由ZigBee中数据包和信标的长度来计算，即T_BACKOFF＝T_DATA+T_O+T_B。数据包最长时间为4.256ms，ZigBee信标时间TB为 264us，To时长为873us，所以本发明中WiFi设备的退避时间设为5.393ms。
(10)本发明实施例的实验设备：如图8所示，在本实施例中实现CT-MAC的实验设备为软件无线电设备USRP N210、Tmote sky节点、笔记本电脑。其中USRP作为WiFi干扰源，Tmote sky作为ZigBee 收发节点，笔记本电脑作为软件开发与检测平台。在ZigBee设备上，本发明采用的软件平台是Contiki 操作系统，硬件平台是Tmote sky节点。
(11)无WiFi干扰、有WiFi干扰和采用CT-MAC机制三种情况下ZigBee丢包率对比图：如图9 所示。此处实验场景设置为：Tmote sky节点之间连续发送1000个数据包，测试10次。设置两个节点间的距离为1米，2米，3米，4米，5米，6米，USRP发送WiFi信号周期性的进行干扰，WiFi干扰源距离ZigBee节点接收端距离为2米。如图9所示，在加了CT-MAC机制之后，ZigBee节点间的丢包率明显降低，降幅约为35％。从1米至6米丢包率分别为5.27％，7.2％，12.55％，18.23％，34.21％， 50.3％。实验表明，在使用了CT-MAC机制之后ZigBee的丢包率已经有了明显改善，平均丢包率降低 35％。CT-MAC可以有效帮助ZigBee节点避免周围WiFi设备的干扰。
(12)有WiFi干扰和经过CT-MAC的ZigBee丢包率与WiFi发包间隔关系对比图，如图10所示。此处实验场景设置为：ZigBee节点发送1000个包，两节点相距1米，WiFi设备距离ZigBee节点2 米，WiFi信号发包间隔从1ms增加至15ms。由图10可知经过CT-MAC之后ZigBee节点的丢包率在发包间隔1ms时从100％下降到20％左右，而在发包间隔10ms之后接近无干扰时的丢包率。实验表明， CT-MAC可以使ZigBee节点间通信丢包率明显降低。
通过以上两个实验证明：本发明提出的基于跨技术通信的物联网异构协同传输机制(CT-MAC)可以有效的降低WiFi对ZigBee的跨技术干扰，保证了WiFi与ZigBee有效地协同传输。

Claims (5)

1.一种基于跨技术通信的异构设备协同传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
Zigbee接收节点广播信标，将其中的CTC消息发送至所述Zigbee接收节点附近的WiFi设备和ZigBee发送节点，这些WiFi设备在侦听到信道空闲后，将使用二进制指数退避算法(BEB)随机选择争用窗口中的时隙，等待时间最少的WiFi设备最先做出反应向其他WiFi设备发出退避的通知(CTS)，从而成为CT-WiFi；所述CTC消息包括0xEF以及0x67，当WiFi端进行前导码检测时可以识别到相关峰，即可以识别ZigBee的信息；
ZigBee发送节点等待一段时间To，保证中转WiFi设备发送完CTS消息；
Zigbee发送节点正常发送数据包；此时，其他WiFi设备接收到CTS消息后，根据CTS消息中携带的网络向量保持一段时间静默，避免干扰ZigBee数据传输。
2.如权利要求1所述的一种基于跨技术通信的异构设备协同传输方法，其特征在于，
在选择中转站WiFi的过程中时，当没有WiFi设备接收到CTC信标，且WiFi设备均在ZigBee的通信范围之外时，检测ZigBee的通信信号的信号强度指示RSSI和丢包情况来判断是否受到WiFi的干扰，当发现受到WiFi干扰时，采取跳频避免持续被WiFi影响。
3.如权利要求2所述的一种基于跨技术通信的异构设备协同传输方法，其特征在于，
在ZigBee发送节点等待CTS消息发送完毕的过程中，所述ZigBee发送节点的等待时间To等于WiFi的最大等待窗口以及发送CTS消息的时间之和。
4.如权利要求3所述的一种基于跨技术通信的异构设备协同传输方法，其特征在于，
接收到所述CTS消息的所述WiFi设备的退避机制采用CSMA/CA机制。
5.如权利要求4所述的一种基于跨技术通信的异构设备协同传输方法，其特征在于，
接收到所述CTS消息的所述WiFi设备的静默时间包含数据传输时间TDATA、ZigBee发送等待时间To和ZigBee信标时间TB三部分。
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