CN113225828B - 一种面向WiFi-ZigBee网络协同传输的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机应用技术领域，具体涉及一种面向WiFi‑ZigBee网络协同传输的方法，建立了共存网络协同传输模型，提出一种动态汇聚空白间隙技术，通过对WiFi网络通信过程中所产生的空白间隙进行合理调度，保障异质网络共存环境中ZigBee网络的数据传输；并且使用了一种非反馈的网络层数据编码技术，选择WiFi AP作为异质网络的协调者，根据周期内WiFi网络通信流量，确定需要发往网络中的数据包数量并会将数据进行数据编码，当发送的数据包的数量到达阈值后，无需收到接收方成功解码的反馈，就会停止数据包的生成与发送。本发明能够保护异质网络中ZigBee的通信不受WiFi干扰，降低数据包的传输时延，增加ZigBee网络的数据包接收率，改善WiFi‑ZigBee通信链路的不对称性并提升传输可靠性。

Description

一种面向WiFi-ZigBee网络协同传输的方法

技术领域

本申请涉及计算机应用技术领域，具体涉及一种面向WiFi-ZigBee网络协同传输的方法。

背景技术

物联网应用的普及促使了不同种类无线智能设备的爆炸式增长。不同无线技术在各自领域不断扩充自身的生存空间，逐渐出现了不同无线网络技术在同一物理空间共存的情况。除了无线网络内部设备间有数据通信的需求外，还有不同无线网络间跨网络、跨协议的数据共享与信息交换的需求。比如管理人员可以通过智能手机获取ZigBee节点对环境检测的实时数据。如何保障无线技术在异质网络共存环境下的通信性能成为影响物联网、移动互联网进一步发展的关键问题之一。

WiFi和ZigBee本身就有增强机制来应对网络内部的干扰，主要通过在时间上、频率上隔离不同协议的传输来完成。无线网络通信协议栈都会设计媒介接入控制协议(MAC协议)来控制共享的无线频率使用，MAC协议可以一定程度上避免同质干扰的出现。WiFi和ZigBee分别采用载波侦听多路访问(carrier sense multiple access，CSMA)协议、时分多路访问(time division multiple address，TDMA)协议从时间上对传输进行隔离；而频率隔离主要通过多信道技术使不同的网络协议运行在不同的频率上进而避免干扰。然而现有的无线网络通信协议在设计时并未考虑到与其他通信协议共存产生的影响，使得协议间会无视彼此正常的通信活动，并将除己方外的所有信号当作干扰。若在同一物理空间部署着多种不同无线技术的设备，则会形成一个异质无线网络共存环境。此时，不同协议相互之间产生巨大干扰，还会因为不能直接通信，无法进行对通信介质访问的协调操作，加剧通信资源紧张，制约物联网应用的发展。

共存问题成因分析：ISM(Industrial Scientific Medical Band，可供工业，科学和医学机构使用的频段)中的2.4GHz频段，其频谱范围从2400MHz-2500MHz共100MHz的带宽。而工作在此频段上的无线设备比如智能手机、笔记本电脑等都会使用现有的无线技术，如IEEE802.11/WiFi，IEEE802.15.4/ZigBee。当这些无线设备工作在同一区域上就会形成无线网络共存环境，导致一系列共存问题。随着物联网的不断发展，越来越多的应用需要2.4GHz的设备，使得2.4GHz频段上的无线网络共存问题越发严重。图1显示了在2.4GHz下WiFi和ZigBee无线技术的信道划分示意图。从图1中可以看出WiFi的一个信道覆盖了多数ZigBee的通信信道。当多种无线设备共存于一个空间时，在同一频谱空间工作时无法协调彼此对资源的利用，进而相互之间产生冲突导致共存问题。

共存问题产生的影响包括：无线网络共存产生的的影响主要体现在降低网络的吞吐量、影响网络节点的数据包接收率和降低通信链路质量。根据已有的共存环境实验测量工作，在相同的传输频率下，WiFi与ZigBee之间造成的干扰非常严重，当WiFi AP(无线访问节点)靠近ZigBee节点进行数据传输时，ZigBee节点丢包率高达60％，而WiFi AP远离ZigBee通信范围之后，位于WiFi感知盲区时，其丢包率普便高于80％；同时WiFi网络的性能也受到很大影响，吞吐率降低30％，通信时延增加近20％。WiFi对ZigBee的干扰不仅受位置和距离的影响还与传输数据包的大小和时长有关。当WiFi网络进行文件传输时，有92％的ZigBee数据包丢失，同样WiFi网络在传输视频流时也导致了ZigBee网络30％的丢包率。ZigBee节点在数据包丢失时会采用重传机制，进一步导致网络流量增加和更高的能量消耗，加重对频谱的占用，产生恶性循环。

基于网关的异质网络共存方案主要是通过引入额外的硬件设备协调异质网络之间的通信活动，比如在WiFi设备上安装ZigBee的天线，使得此设备可以管理ZigBee网络，进行配置信息下发以及数据的汇聚，存在成本高、不灵活、可扩展性差等缺点。有研究提出在网关上安装双无线电的方法，以便网关能够感知两个信号以避免碰撞。然而，这种双无线电方法需要对网关进行硬件修改，这给在数百万现有网关上部署这些方法带来了巨大的成本负担。异质共存网络协同传输策略可以保障异质网络在跨技术干扰环境下的通信质量。大多数的协同传输策略通过更改MAC层的协议完成。但在2.4GHz上工作的无线协议会自由地竞争信道资源，若各个网络协议运行在不同的中心频率上，则可以解决异质网络之间对同一频谱资源竞争的问题。在无线环境动态变化的场景中，不同无线协议工作在互不干扰的固定频率上，其仍会受到跨技术干扰的影响，但采用自适应跳信道技术就可以应对上述场景。不同无线技术会根据历史的通信活动记录维护关于信道状态的统计表，主设备会不断根据通信质量进行更新，使设备工作在干扰最少的信道上。然而2.4GHz上划分出的信道数有限，若在干扰很大的环境中，可用的信道数小于共存无线网络的数量，此方法就会失效。

除此之外，还有利用WiFi通信数据流量信息，预测WiFi空白间隙的时间的方法。在这一方法中，通过改变ZigBee发送数据报文的长度进而改变ZigBee数据传输时间使其在空白间隙中传输数据。但是，WiFi的通信负载一旦增加，其自然产生的空白间隙可能无法满足ZigBee进行数据传输时的需求。为了解决这一问题，文献“Y.Wang，Q.Wang，Z.Zeng，and etal.，‘WiCop:Engineering WiFi temporal white-spaces for safe operations ofwireless body area networks in medical applications’，in Proc.of IEEE RTSS’11，pp.170-179，2011”通过专用设备发送经过特殊修改的WiFi数据报头抑制正常的WiFi设备之间的通信，从而为ZigBee的数据传输控制产生满足需求的空白间隙长度。但这一方法缺乏合理的通信机制导致效率的低下，且需要修改专用设备的代码和硬件，较为繁琐。还有研究认为共存环境中ZigBee传输之所以受到WiFi的压制，是因为ZigBee的通信功率低(信号弱)，距离较远时，ZigBee信号不能被WiFi检测到，却能受到高功率的WiFi信号的干扰。因此，该研究提出在WiFi节点附近放置额外设备，每次ZigBee通信前通过发送“忙”信号，使WiFi的CSMA机制能够避让ZigBee传输。

解决共存问题的关键突破口在于共存技术之间的通信协作，这需要跨越异质技术交换控制信息。而跨技术通信方案(cross-technology communication，CTC)实现了异质网络之间的直接通信，为网络共存的研究提供了一种新的渠道。首个跨技术通信方案通过信号能量的持续时间长短编码信息，实现WiFi与ZigBee之间的直接消息传递。还有研究利用UDP报文的传输速率，利用信号能量的强弱传递信息，实现WiFi与ZigBee之间的直接通信。除此以外，还有研究利用数据包的发送时间和发送功率实现较高速率的WiFi和ZigBee直接的跨技术通信。但这些跨技术通信方案都未解决异质网络环境下协同传输的调度问题，无法做到对网络资源的合理使用。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种面向WiFi-ZigBee网络协同传输的方法。

为实现以上目的，本发明提供的一种面向WiFi-ZigBee网络协同传输的方法，选择WiFi AP作为WiFi网络和ZigBee网络之间的异质网络协调者，所述异质网络协调者能够获取WiFi网络和ZigBee网络的配置信息，所述ZigBee网络中的协调器会在一定时间间隔内向整个网络广播信标信息，信标帧中携带着ZigBee网络的配置参数，其他设备接收到信标帧之后会根据接收到的配置参数调整无线电收发模块的运行状态。所述WiFi AP能够通过被动接收ZigBee的信标帧获取其网络的配置信息，也能够主动发送配置信息的请求到ZigBee网络的协调器，在ZigBee网络的协调器接收到请求之后再将配置信息反馈给WiFi AP；在所述WiFi网络中，WiFi AP会通过发送控制帧和管理帧控制已接入设备的通信活动获取到WiFi网络中的配置信息。

具体地，本发明所述面向WiFi-ZigBee网络协同传输的方法，包括以下步骤：

步骤一、计算CTS持续时间

在t_i时刻，WiFi AP向网络中发送了一个持续时间为Duration(λ_i)的CTS数据包，WiFi网络的速率从λ_i变为λ_i'，当前CTS数据包发出去之后，若CTS持续时间减少了δ，会使得WiFi传输的数据包至少增加了λ_i'*δ，则在发送完CTS数据包之后，WiFi总的传输的数据包数量变为λ_i'*N+λ_i'*δ，其中N表示在WiFi-ZigBee通信中ZigBee网络的一个周期；

为了保证在发送CTS和发送CTS之后，WiFi总的流量基本不受影响，发送CTS之前的总流量为λ_i*N，根据上面计算出的发送CTS之后的总流量可得出δ＝(λ_i-λ_i')/λ_i'*N,紧接着去更新下一次数据包的持续时间，由此可得到：

Duration(λ_i′)＝Duration(λ_i)-δ

Duration(λ_i′)＝Duration(λ_i)-(λ_i-λ_i′)/λ_i′*N

步骤二、对网络层传输数据进行编码并计算传输最小数据包K_n

WiFi AP向ZigBee发送数据包时先对数据进行数据编码，WiFi的AP会发送多个编码后的数据包，ZigBee节点收到足够多的数据包后就可以完成解码操作进而获得发送的数据；

如果每个数据包的长度为l，包括控制信息，若距离ZigBee网络的协调器距离为d_n的ZigBee节点n在噪声信道中的误码率为P′_n，则数据包丢失率P_n表示为：

P_n＝1-(1-P′_n)^l

假设从接收器节点发送数据包的总数为k，接收器接收数据包的总数为M，则p_n的概率分布函数遵循二项分布：

要使得接收器节点n可以获得M个包的概率大于Q，从发送节点发送的数据包K_n的数量是：

其中M等于K′+2ln(S/δ)S，K′指原始数据包的个数，

接收端节点收到的数据包足够解码出原始数据；如果Q达到100％，则说明协调器发送的数据包使得ZigBee节点完整解码出数据，因此不需要向ZigBee网络中的协调器发送确认帧进行反馈；但在多数情况下不能保证Q＝100％，但如果Q非常接近100％，节点也可以接收大部分数据包；如果接收数据包的数量低于M，则任意节点可以向其邻居节点获取不同于本身收到的数若据包，直到最终接收到的数据包大于等于M；

步骤三、生成CTS数据帧

比较编码数据包发送完毕的时间(K_n*timeslot)和CTS设置的持续时间(Duration(λ_i′))，若编码数据包发送完毕的时间大于或者等于CTS设置的持续时间，则WiFi AP根据所设置的不同网络数据传输的优先级决定暂停ZigBee数据分发传输还是设置更长时间的CTS持续时间；如果WiFi网络数据优先，此时保证WiFi网络数据流量影响最小，生成CTS数据帧；反之，则保证WiFi AP发送给ZigBee节点足够多的数据包，并重新计算CTS的持续时间；若编码数据包发送完毕的时间小于CTS设置的持续时间，则设置ZigBee网络保障通信时隙，生成CTS数据帧；

步骤四、发送CTS数据帧

在WiFi与ZigBee数据通信期间和ZigBee设备间通信时，WiFi AP向网络中发送步骤三生成的WiFi CTS数据帧，其他WiFi设备接收到CTS数据包之后将不得不相应地延迟其数据传输的操作，从而使得ZigBee在通信时整个网络区域内没有WiFi信号的干扰；

步骤五、进行数据编码数据包发送

WiFi AP向ZigBee发送数据包时，对数据使用非反馈的数据编码，WiFi AP会产生无穷无尽的编码数据包，而接收方在收到一定数据量的不相同的数据包之后进行译码操作，在此期间收发端都不必考虑数据包的丢失问题；

步骤六、WiFi AP继续为WiFi网络提供服务

编码数据包发送完成后，WiFi AP暂停对ZigBee网络数据分发，继续为WiFi网络提供服务；

步骤七、收集周期T内WiFi流量

收集周期T内WiFi的历史流量，用于下一次CTS数据帧持续时间的计算，使得发送CTS数据包之前时间段N内的流量速率λ_i与发送CTS之后时间段N内的数据包速率λ_i′之间建立一个动态平衡。

进一步地，所述步骤一中，如果λ_i＜＝λ_i′，则表示此时设置的CTS持续时间是合适的；如果λ_i＞λ_i′，则说明CTS持续时间大于可用的持续时间，需要减少下一次发送到网络中的CTS数据包的持续时间。

进一步地，所述步骤五中，WiFi AP根据周期内WiFi网络通信流量确定需要发往网络中的数据包的数量，当WiFi AP发送的数据包的数量到达阈值后，就会停止数据包的生成与发送。WiFi AP的通信范围远于ZigBee节点，能使用广播使其传输距离内的节点都收到消息；而由于WiFi-ZigBee的通信链路不可靠，ZigBee节点们接收到的通过广播发出的数据包可能大不相同，而数据包编码的特点就是源节点可以使用不同的编码数据包来表示相同的数据。尽管每个节点收到的数据包不同并且由于通信距离或者链路的影响收不到足够多能用来解码的数据包，也可以从其邻居节点那里获取新的编码数据包。

进一步地，所述步骤五中，还包括判断编码数据包是否发送完成的步骤，如果答案为“否”，则会继续进行编码数据包的发送，如果答案为“是”，则进入步骤六。

进一步地，在步骤一之前设置异质网络数据传输优先级和设置WiFi流量丢失最大比率。

与现有技术相比，本申请具有以下技术效果：

本发明利用现有的CTC技术，实现了WiFi和ZigBee之间的直接通信，同时选择WiFiAP作为协调者来进行网络配置信息的收集和分发，保障异质网络共存环境中ZigBee网络的数据传输，减轻WiFi网络和ZigBee网络间的跨技术干扰；

(1)本发明使用CTS数据帧动态汇聚空白间隙用于ZigBee数据包的传输，保护异质网络中ZigBee的通信不受WiFi干扰，降低了数据包的传输时延，增加了ZigBee网络的数据包接收率；还可以保证WiFi网络的通信负载增加后产生的空白间隙能继续满足ZigBee网络进行数据传输时的需求；

(2)本发明同时利用非反馈的网络层数据编码技术，选择WiFi AP作为异质网络的协调者，WiFi AP根据周期内WiFi网络通信流量确定需要发往网络中的数据包数量并会将数据进行数据编码，当发送的数据包的数量到达阈值后，无需收到接收方成功解码的反馈，WiFi AP就会停止数据包的生成与发送，使得WiFi AP向ZigBee网络发送数据包时有较低的发送时间与时延，并改善WiFi-ZigBee通信链路的不对称性并提升传输可靠性，可以提高数据在WiFi-ZigBee不可靠链路上的数据包接收率，使得在不可靠的WiFi-ZigBee链路中传输数据的时延明显低于通过逐跳进行传输的时延。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为2.4GHz下信道划分方案；

图2为异质网络协调者获取配置信息示意图；

图3为本发明实施例1面向WiFi-ZigBee网络协同传输的方法流程图；

图4为本发明的网络结构示意图；

图5为本发明的动态间隙调度示意图；

图6为数据包时延的概率分布图；

图7为实施例2实验设置的ZigBee网络节点拓扑图；

图8为实施例2发送500个原始数据包实验图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

一种面向WiFi-ZigBee网络协同传输的方法，选择WiFi AP作为WiFi网络和ZigBee网络之间的异质网络协调者，所述异质网络协调者能够获取WiFi网络和ZigBee网络的配置信息，异质网络协调者获取配置信息如图2所示，所述ZigBee网络中的协调器会在一定时间间隔内向整个网络广播信标信息，信标帧中携带着ZigBee网络的配置参数，即ZigBee协调器主动发送的配置信息，其他设备接收到信标帧之后会根据接收到的配置参数调整无线电收发模块的运行状态。所述WiFi AP能够通过被动接收ZigBee的信标帧获取其网络的配置信息，也能够主动发送配置信息的请求到ZigBee网络的协调器，在ZigBee网络的协调器接收到请求(Request)之后再将配置信息反馈(Response)给WiFi AP；在所述WiFi网络中，WiFi AP会通过发送控制帧和管理帧控制已接入设备的通信活动获取到WiFi网络中的配置信息。

如图3所示，所述面向WiFi-ZigBee网络协同传输的方法，具体包括以下步骤：

在现实网络环境中，WiFi的流量占据着主导地位，因此在本发明中基于CTS的空白间隙汇聚不能忽视对WiFi性能的影响，同时在某些应用场景中需要牺牲一部分WiFi传输的性能用于ZigBee关键数据的传输，在开始并初始化各模块后，具体选择WiFi流量优先还是ZigBee流量优先需要根据不同场景下的需求进行设置，同时还要设置WiFi流量丢失最大比率。

步骤一、计算CTS持续时间

在t_i时刻，WiFi AP向网络中发送了一个持续时间为Duration(λ_i)的CTS数据包(报文)，由于此报文的影响，WiFi网络的速率会从λ_i变为λ_i′，为了将对WiFi通信的影响降到最低，系统需要根据发送CTS数据包之前时间段N内的流量速率λ_i与发送CTS之后时间段N内的数据包速率λ_i′之间建立一个动态平衡。而N表示在WiFi-ZigBee通信中ZigBee网络的一个周期。

接着根据输入方与输出方WiFi网络速率之间的大小来更新下一次的CTS的持续时间Duration(λ_i′)。如果λ_i＜＝λ_i′，这意味着此时设置的CTS持续时间是合适的，对WiFi流量几乎没有影响。相反，如果向网络中发送的CTS的持续时间太长，它将延迟许多WiFi设备的传输。而当这个CTS持续时间结束时，流量需求高于信道容量，这将降低整个WiFi网络的吞吐量，由于这个原因，如果λ_i＞λ_i′，则说明CTS持续时间大于可用的持续时间。需要减少下一次发送到网络中的CTS报文的持续时间，以保证其他WiFi设备的传输性能。当前CTS数据包发出去之后，若CTS持续时间减少了δ，会使得WiFi传输的数据包至少增加了λ_i′*δ，则在发送完CTS数据包之后，WiFi总的传输的数据包数量变为λ_i′*N+λ_i′*δ，由于是为了保证在发送CTS和发送CTS之后，WiFi总的流量基本不受影响，发送CTS之前的总流量为λ_i*N，根据上面计算出的发送CTS之后的总流量可得出δ＝(λ_i-λ_i′)/λ_i′*N，紧接着去更新下一次数据包的持续时间，由此可得到：

Duration(λ_i′)＝Duration(λ_i)-δ

Duration(λ_i′)＝Duration(λ_i)-(λ_i-λ_i′)/λ_i′*N

步骤二、对网络层传输数据编码进行编码并计算传输最小数据包K_n

WiFi AP向ZigBee发送数据包时先对数据进行数据编码，WiFi的AP会发送多个编码后的数据包，ZigBee节点收到足够多的数据包后就可以完成解码操作进而获得发送的数据。

如果每个数据包的长度为l，包括控制信息，若距离ZigBee网络中的协调器(汇聚节点)距离为d_n的ZigBee节点n在噪声信道中的误码率为P′_n，则数据包丢失率P_n表示为：

P_n＝1-(1-P′_n)^l

假设从接收器节点发送数据包的总数为k，接收器接收数据包的总数为M，则p_n的概率分布函数遵循二项分布：

要使得接收器节点n可以获得M个包的概率大于Q，从发送节点发送的数据包K_n的数量应该是：

其中M等于K′+2ln(S/δ)S，K′指原始数据包的个数，

接收端节点收到的数据包足够解码出原始数据。如果Q达到100％，则说明协调器发送的数据包使得ZigBee节点完整解码出数据，因此不需要向ZigBee网络中的协调器发送确认帧进行反馈。但在多数情况下不能保证Q＝100％，但如果Q非常接近100％，节点也可以接收大部分数据包。如果接收数据包的数量低于M，则任意节点可以向其邻居节点获取不同于本身收到的数若据包，直到最终接收到的数据包大于等于M。

步骤三、生成CTS数据帧

比较编码数据包发送完毕的时间(K_n*timeslot)和CTS设置的持续时间(Duration(λ_i′))。

若编码数据包发送完毕的时间大于或者等于CTS设置的持续时间，则WiFi AP根据所设置的不同网络数据传输的优先级决定暂停ZigBee数据分发传输还是设置更长时间的CTS持续时间。如果WiFi网络数据优先，此时保证WiFi网络数据流量影响最小，生成CTS数据帧。反之，则保证WiFi AP发送给ZigBee节点足够多的数据包，并重新计算CTS的持续时间。

若编码数据包发送完毕的时间小于CTS设置的持续时间，则设置ZigBee网络保障通信时隙，生成CTS数据帧。

步骤四、发送CTS数据帧

在WiFi与ZigBee数据通信期间和ZigBee设备间通信时，WiFi AP向网络中发送上一步骤生成的WiFi CTS控制帧，其他WiFi设备接收到CTS数据包之后将不得不相应地延迟其数据传输的操作，从而使得ZigBee在通信时整个网络区域内没有WiFi信号的干扰。

步骤五、进行数据编码数据包发送

WiFi AP向ZigBee发送数据包时，对数据使用非反馈的数据编码，WiFi AP会产生无穷无尽的编码数据包，而接收方会收到一定数据量的不相同的数据包之后进行译码操作，在此期间收发端都不必考虑数据包的丢失问题。

WiFi AP根据周期内WiFi网络通信流量确定需要发往网络中的数据包的数量。当WiFi AP发送的数据包的数量到达阈值后，就会停止数据包的生成与发送。WiFi AP的通信范围远于ZigBee节点，可以使用广播使其传输距离内的节点都收到消息。而由于WiFi-ZigBee的通信链路不可靠，ZigBee节点们接收到的通过广播发出的数据包可能大不相同，而数据包编码的特点就是源节点可以使用不同的编码数据包来表示相同的数据。尽管每个节点收到的数据包不同并且由于通信距离或者链路的影响收不到足够多能用来解码的数据包，也可以从其邻居节点那里获取新的编码数据包。

还包括判断编码数据包是否发送完成的步骤，如果答案为“否”，则会继续进行编码数据包的发送，如果答案为“是”，则进入步骤六。

步骤六、WiFi AP继续为WiFi网络提供服务

编码数据包发送完成后，WiFi AP暂停对ZigBee网络数据分发，继续为WiFi网络提供服务。

步骤七、收集周期T内WiFi流量

收集周期T内WiFi的历史流量，用于下一次CTS数据帧持续时间的计算，使得发送CTS数据包之前时间段N内的流量速率λ_i与发送CTS之后时间段N内的数据包速率λ_i'之间建立一个动态平衡。

本发明的网络结构图如图4所示。在本发明中选择WiFi AP作为WiFi-ZigBee网络的协调者，图中的左边框内部的箭头代表着WiFi网络中WiFi AP和各个WiFi设备之间的相互通信(发送CTS帧)，右边框内部的箭头代表着ZigBee网络中ZigBee协调器和ZigBee节点之间的相互通信，两个框之间的箭头则代表着WiFi AP作为异质网络的协调者从ZigBee网络中的ZigBee协调器获取网络的配置信息并与其他的ZigBee节点进行通信。从图中可以看出WiFi AP不仅可以获得WiFi网络的配置信息，同样可以通过ZigBee网络中的协调器来获得ZigBee网络的配置信息，进而明确WiFi网络与ZigBee网络的数据传输需求以及数据传输时机。

本发明的动态间隙调度如图5所示。在WiFi与ZigBee数据通信期间，若ZigBee设备间要进行通信时，WiFi AP会根据计算CTS的持续时间向WiFi网络发送CTS控制帧，其他WiFi设备接收到CTS数据包之后将相应地延迟其数据传输的操作，从而使得ZigBee在通信时整个网络区域内没有WiFi信号的干扰。

实施例2

利用TOSSIM仿真工具进行仿真实验。

实验统计了仿真的40个ZigBee节点中每个节点收到指定数量数据包所使用时间，绘制出如图6所示的数据包时延的概率分布图(图中左边虚线使用CTS汇聚，右边虚线未用CTS汇聚)。从图中可以看出使用CTS汇聚空白间隙比不使用CTS的策略能更早的到达收敛的状态，平均降低了2.45倍的传输时间，这样意味着整个网络有着更低的能量消耗，在不使用CTS策略时WiFi的通信导致ZigBee数据包丢失从而引起的重传使得整个网络的能耗越来越高，数据包接收时延也会增加很多倍。

使用仿真工具生成40个ZigBee节点，节点之间的拓扑关系如图7所示，整个网络设置了3跳。由于采用了网络层的数据编码技术，当需要发送500个原始数据包时，接收端至少需要585个数据包才能进行信息解码。图8对比了ZigBee逐跳传输策略与WiFi AP协同传输策略数据包接收延时的概率分布(图中，长虚线为ZigBee逐跳传输，短虚线为WiFi AP协同传输)。

通过图8实验结果可以看出有WiFi AP参与的协同传输策略使得到所有节点到达收敛状态需要的时间比ZigBee网络逐跳传输使用的时间快1.7倍。说明即使WiFi-ZigBee通信链路不稳定，在使用了本申请非反馈的网络编码技术之后，整个ZigBee网络的数据接收时延也比传统经过逐跳传输的时延低。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种面向WiFi-ZigBee网络协同传输的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一、计算CTS持续时间

在t_i时刻，WiFi AP向网络中发送了一个持续时间为Duration(λ_i)的CTS数据包，WiFi网络的速率从λ_i变为λ_i'，当前CTS数据包发出去之后，若CTS持续时间减少了δ，会使得WiFi传输的数据包至少增加了λ_i'*δ，则在发送完CTS数据包之后，WiFi总的传输的数据包数量变为λ_i'*N+λ_i'*δ，其中N表示在WiFi-ZigBee通信中ZigBee网络的一个周期；

为了保证在发送CTS和发送CTS之后，WiFi总的流量基本不受影响，发送CTS之前的总流量为λ_i*N，根据上面计算出的发送CTS之后的总流量可得出δ＝(λ_i-λ_i')/λ_i'*N,紧接着去更新下一次数据包的持续时间，由此可得到：

Duration(λ_i')＝Duration(λ_i)-δ

Duration(λ_i')＝Duration(λ_i)-(λ_i-λ_i')/λ_i'*N

步骤二、对网络层传输数据进行编码并计算传输最小数据包K_n

WiFi AP向ZigBee发送数据包时先对数据进行数据编码，WiFi的AP会发送多个编码后的数据包，ZigBee节点收到足够多的数据包后就可以完成解码操作进而获得发送的数据；

如果每个数据包的长度为l，包括控制信息，若距离ZigBee网络的协调器距离为d_n的ZigBee节点n在噪声信道中的误码率为P'_n，则数据包丢失率P_n表示为：

P_n＝1-(1-P'_n)^l

假设从接收器节点发送数据包的总数为k，接收器接收数据包的总数为M，则p_n的概率分布函数遵循二项分布：

要使得接收器节点n可以获得M个包的概率大于Q，从发送节点发送的数据包K_n的数量是：

其中M等于K'+2ln(S/δ)S，K'指原始数据包的个数，

接收端节点收到的数据包足够解码出原始数据；如果Q达到100％，则说明协调器发送的数据包使得ZigBee节点完整解码出数据，因此不需要向ZigBee网络中的协调器发送确认帧进行反馈；但在多数情况下不能保证Q＝100％，但如果Q超过90％，节点也可以接收80％以上的数据包；如果接收数据包的数量低于M，则任意节点可以向其邻居节点获取不同于本身收到的数若据包，直到最终接收到的数据包大于等于M；

步骤三、生成CTS数据帧

比较编码数据包发送完毕的时间和CTS设置的持续时间，若编码数据包发送完毕的时间大于或者等于CTS设置的持续时间，则WiFi AP根据所设置的不同网络数据传输的优先级决定暂停ZigBee数据分发传输还是设置更长时间的CTS持续时间；如果WiFi网络数据优先，此时保证WiFi网络数据流量影响最小，生成CTS数据帧；反之，则保证WiFi AP发送给ZigBee节点足够多的数据包，并重新计算CTS的持续时间；若编码数据包发送完毕的时间小于CTS设置的持续时间，则设置ZigBee网络保障通信时隙，生成CTS数据帧；

步骤四、发送CTS数据帧

在WiFi与ZigBee数据通信期间和ZigBee设备间通信时，WiFi AP向网络中发送步骤三生成的WiFiCTS数据帧，其他WiFi设备接收到CTS数据包之后将不得不相应地延迟其数据传输的操作，从而使得ZigBee在通信时整个网络区域内没有WiFi信号的干扰；

步骤五、进行数据编码数据包发送

WiFi AP向ZigBee发送数据包时，对数据使用非反馈的数据编码，WiFi AP会产生无穷无尽的编码数据包，而接收方在收到一定数据量的不相同的数据包之后进行译码操作，在此期间收发端都不必考虑数据包的丢失问题；

步骤六、WiFi AP继续为WiFi网络提供服务

编码数据包发送完成后，WiFi AP暂停对ZigBee网络数据分发，继续为WiFi网络提供服务；

步骤七、收集周期T内WiFi流量

收集周期T内WiFi的历史流量，用于下一次CTS数据帧持续时间的计算，使得发送CTS数据包之前时间段N内的流量速率λ_i与发送CTS之后时间段N内的数据包速率λ_i'之间建立一个动态平衡。

2.根据权利要求1所述面向WiFi-ZigBee网络协同传输的方法，其特征在于，所述步骤一中，如果λ_i<＝λ_i'，则表示此时设置的CTS持续时间是合适的；如果λ_i>λ_i'，则说明CTS持续时间大于可用的持续时间，需要减少下一次发送到网络中的CTS报文的持续时间。

3.根据权利要求1所述面向WiFi-ZigBee网络协同传输的方法，其特征在于，所述步骤五中，WiFi AP根据周期内WiFi网络通信流量确定需要发往网络中的数据包的数量，当WiFiAP发送的数据包的数量到达阈值后，就会停止数据包的生成与发送。

4.根据权利要求1所述面向WiFi-ZigBee网络协同传输的方法，其特征在于，所述步骤五中，还包括判断编码数据包是否发送完成的步骤，如果答案为“否”，则会继续进行编码数据包的发送，如果答案为“是”，则进入步骤六。

5.根据权利要求1所述面向WiFi-ZigBee网络协同传输的方法，其特征在于，在步骤一之前设置异质网络数据传输优先级和设置WiFi流量丢失最大比率。

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