CN115022147B - 基于WiFi有效载荷编码实现跨协议共存的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于WiFi有效载荷编码实现跨协议共存的方法，对受WiFi信号干扰的第一信号，所述方法通过在WiFi与第一信号的重叠子载波中设置最低星座点，以降低第一信号信道上WiFi信号功率。本发明基于WiFi的子载波级能量降低机制，以增强第一信号的传输。本发明方法工作在应用层，通过在WiFi与第一信号重叠子载波中设置功率最低的星座点来降低第一信号信道上的WiFi信号功率，使WiFi对第一信号链路的干扰变小，从而有利于第一信号的成功传输，因此完全兼容标准的物理和MAC层流程，而不需要更改商业WiFi和第一信号发射设备。

Description

基于WiFi有效载荷编码实现跨协议共存的方法

技术领域

本公开涉及异构无线网络领域，尤其涉及一种基于WiFi有效载荷编码实现跨协议共存的方法。

背景技术

物联网的繁荣使无线设备的数量呈指数级增长。无线设备采用异构的无线技术，每种技术由于各自的优缺点，都有其适合的应用场景。在拥挤的ISM(IndustrialScientific Medical，工业、科学和医疗)频段，异构无线设备不可避免地工作在重叠信道中，导致了严重的跨协议共存问题。

当前解决跨协议共存(Cross-Technology Coexistence)问题的主要方法为干扰避免，其主要有以下几类设计思路：

(1)利用物理层解决方案对抗跨协议干扰，比如：设计新的ZigBee包，具有更多的冗余，以减轻WiFi干扰。或者，利用多输入多输出(MIMO)技术和干扰消除技术，将WiFi和Zigbee信号分离成不同的数据流。或者，使ZigBee设备检测到被损坏的报文中存在跨协议干扰，然后将报文恢复。

(2)在异构设备之间交换协调信息进行协议设计，比如，通过使ZigBee设备传输特殊设计的信号，提高ZigBee对WiFi的可见性，从而使WiFi设备在ZigBee传输过程中保持静默。或者，使一个WiFi设备通过一个定制的导言向ZigBee设备传输协调信息，从而对它们的传输进行调度。或者，利用新兴的跨技术通信(CTC)，通过使异构设备之间的显式协调来实现干扰管理。例如，通过WiFi AP协调所有WiFi和ZigBee设备的数据传输，避免干扰，从而实现较高的网络吞吐量。或者，为CTC设计了网络层，由服务器对ZigBee传输进行调度；或者，设计定制网关，实现WiFi和ZigBee数据流在同一频段的并发传输，减少传输时延。或者，利用异构设备之间的双向协调实现高效的射频信道分配。

(3)通过预留通道来避免跨协议干扰。例如，让ZigBee设备先识别802.11b WiFi通道，然后在WiFi流量的保护频带上发送自己的数据包，避开跨协议干扰。

上述几种设计思路存在的问题是：如果利用物理层解决方案对抗跨协议干扰，往往需要对硬件进行修改，甚至需要新的收发器设计，而这些设计不能应用于现有的设备；如果在异构设备之间交换协调信息进行协议设计，会引起额外的分组传输，并且需要对标准进行实质性的修改；如果采用预留通道，它要求所有WiFi设备都在非重叠信道上工作，这在拥挤的ISM频段很难满足。

发明内容

针对上述现有技术，本发明所解决的技术问题至少是提供一种完全兼容标准的物理和MAC层、不需要更改硬件设备、就能缓解WiFi对其它协议信号干扰的方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提出一种基于WiFi有效载荷编码实现跨协议共存的方法，对受WiFi信号干扰的第一信号，所述方法在WiFi与第一信号重叠子载波中设置功率最低的星座点，降低第一信号信道上WiFi信号功率。

在上述技术方案中，本发明基于WiFi的子载波级能量降低机制，以增强第一信号的传输。本发明方法工作在应用层，通过在WiFi与第一信号重叠子载波中设置功率最低的星座点来降低第一信号信道上的WiFi信号功率，使WiFi对第一信号链路的干扰变小，从而有利于第一信号的成功传输，因此完全兼容标准的物理和MAC层流程，不需要更改商业WiFi和第一信号发射设备。

在上述技术方案中，所述设置包括下述步骤：

通过正交频分复用技术调制WiFi确定功率最低的星座点；

对每个功率最低的星座点，确定每个点中使功率最低的比特集合，将该比特集合作为有效比特集合；

使有效比特集合为指定的比特集合，但正交幅度调制点中的其它比特是任意的。

在上述技术方案中，所述指定的比特集合通过下述方式获得：

依次对WiFi比特数据进行有效载荷编码、扰码、卷积编码、交织操作；

所述对WiFi比特数据进行有效载荷编码为在WiFi比特数据中插入额外比特。

在上述技术方案中，所述额外比特通过下述步骤获得：

将WiFi比特数据经过扰码后得到的数据作为第一比特集合，将交织器前的有效比特集合作为第二比特集合，第二比特集合中的元素由有效比特的值和位置构成；

设置第三比特集合，将其作为对WiFi比特数据进行有效载荷编码后再经过扰码的数据集合；

获取第一比特集合的第1个数据作为当前第一比特，获取第二比特集合中第1个有效比特为当前第二比特；

获取第三比特集合中的第一个数据为当前第三比特；

标记S的步骤：将当前第三比特的下标和当前第二比特中位置大小进行比较判断：

若不需要插入额外比特，则使当前第三比特等于当前第一比特；获取下一个第一比特为当前第一比特，并在第三比特集合中设置下一个数据作为当前第三比特，返回标记S的步骤；

若需要插入额外比特为M1个，M1＞0，根据卷积编码转换时用到的M2个比特数量，M2＞0，从第三比特集合中获取卷积编码转换时用的M2-M1个第三比特；并从第二比特集合中，从当前第二比特开始，获取下一个第二比特，直至获取M1-1个第二比特，将M2-M1个第三比特以及M1个第二比特的值，代入卷积编码方程或卷积编码方程组求解额外比特；

将求解的M1个额外比特插入到第三比特集合中，并使当前第三比特等于当前第一比特；获取下一个第一比特为当前第一比特，获取当前第二比特之后的第M1个第二比特为当前第二比特，并在第三比特集合中获取下一个数据作为当前第三比特；返回标记S的步骤。

在上述技术方案中，插入的M1个额外比特和M2-M1个第三比特，经过卷积编码，生成M1个第二比特，因此在求解额外比特时，相当于对卷积编码进行反推求解。虽然卷积编码器增加了数据比特的冗余，不能生成任意的比特序列，而且这个过程不是一一对应的，但利用卷积编码的特点，能够确定多余的比特数。并且，交织过程将有效比特分散得足够远，使得卷积编码的反推是必然有解的。

在上述技术方案中，当卷积编码采用1/2编码率时，容易确定卷积编码的特点以及确定多余的比特数，而且其它编码率能通过1/2转换。

在一个实施例中，所述最低星座点4个。

在一个实施例中，所述第一信号包括ZigBee、蓝牙或2.4GLoRa或其它与WiFi有重叠子载波的信号，均可采用本发明的方法，通过设置功率最低的星座点来降低第一信号信道上的WiFi信号功率，从而减少WiFi对第一信号链路的干扰。

第二方面，本发明提出一种设备，所述设备为WiFi路由器或者手机，在所述设备上执行上述一所述的方法，以降低WiFi信号的功率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1、标准WiFi传输过程示意图；

图2、WiFi通道与ZigBee四个通道重叠的示意图；

图3、CSMA/CA机制示意图；

图4、WiFi发送与添加的额外比特示意图；

图5、WiFi添加了额外比特的频谱示意图；

图6、WiFi发送与添加额外比特流程示意图；

图7、插入有效比特后WiFi频谱示意图；

图8、1/2卷积编码过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

术语“第一”、“第二”、“第三”不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。限定有“第一”、“第二”、“第三”特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

图1为标准WiFi传输过程。数据比特先经过信道编码模块进行抗干扰，经过QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制)调制后转换为复数符号。然后，将QAM点经过S/P(串行到并行)模块映射到OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交频分复用技术)子载波中，经过IFFT(Inverse Fast FourierTransform，快速傅里叶逆变换)和P/S(并行到串行)处理后输出为时域OFDM(正交频分复用技术)符号。每个OFDM(正交频分复用技术)符号插入循环前缀以消除符号间干扰。信号最终经过射频前端传输。值得注意的是，OFDM使一个设备传输多个正交子载波信号，这些信号间隔很近，以并行传输数据。

本发明中的第一信号包括ZigBee、蓝牙或2.4GLoRa等。

下面以降低ZigBee信道上的WiFi信号功率为例。

工作在2.4GHz ISM频段的WiFi对ZigBee信号有不同的规格。在物理层上，WiFi采用OFDM(正交频分复用技术)和QAM(正交幅度调制)调制，而ZigBee采用DSSS(Direct Se-quence Spread Spectrum，直接序列扩频)和OQPSK(偏置正交相移键控)调制。除此之外，他们有不同的信道带宽。ZigBee有16个2MHz信道，信道间隔为5MHz，编号为11～26。WiFi有13个20MHz通道和25MHz通道间距，每个信道被划分为64个子载波，包括48个子载波、4个子载波和12个子载波。因此，一个WiFi信道与四个ZigBee信道重叠。每个包含64个子载波的WiFi信道与4个ZigBee信道以相同的方式重叠，如图2所示。

为便于描述，将这四个ZigBee通道简称为CH1、CH2、CH3和CH4。从图2可以看到CH1-CH3与一个导频子载波重叠，而CH4与零子载波重叠。而且，这两种器件的传输功率都不对称。ZigBee设备传输功率不超过0dBm以此降低能耗；而WiFi传输功率可达20dBm，达到大覆盖的目的。

在MAC层上，WiFi和ZigBee网络都采用CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Accesswith Collision Avoid，带有冲突避免的载波侦听多路访问)机制来争夺信道。详细的CSMA/CA机制如图3所示。当设备开始传输数据包时，它首先等待DIFS(Distributed Inter-frame Spacing，分布式帧间间隙)时间；如果信道在DIFS期间是空闲的，设备然后等待一个随机持续时间，其中包括多个回退时间争夺信道；当回退槽的通道空闲时，回退定时器减少1，当通道繁忙时，回退定时器被冻结；当回退定时器为零时，设备最终可以发送一个数据包。在DIFS或每个回退时隙期间，设备应执行CCA(Clear Channel Assessment，空闲信道评估)，以确定信道是否空闲。如果检测到的信号能量低于预定义的阈值，则确定信道为空闲；否则就很忙。

这里WiFi和ZigBee的主要区别在于：WiFi DIFS是28μs，而ZigBee DIFS是320μs，WiFi回退时间插槽是9μs或20μs，而ZigBee回退时间插槽是320μs。这就导致了渠道竞争的极度不公平，WiFi设备总是能够获得传输的渠道。

采用本发明方法降低ZigBee信道上的WiFi信号功率，通过在WiFi与ZigBee重叠子载波中设置功率最低的星座点来降低ZigBee信道上的WiFi信号功率，使WiFi对ZigBee链路的干扰变小，从而有利于ZigBee的成功传输，不仅提高了ZigBee网络的性能，还提供更多的传输机会，避免了跨协议干扰。

该方法兼容物理层和MAC层的WiFi和ZigBee标准，可以轻松部署到商业设备，而不用额外的硬件。即：通过在WiFi与ZigBee重叠子载波中设置功率最低的星座点来降低ZigBee信道上的WiFi信号功率，使WiFi对ZigBee链路的干扰变小，从而有利于ZigBee的成功传输。

具体地，在采用本发明方法降低ZigBee信道上的WiFi信号功率时，以卷积编码采用1/2编码率为例，详述确定要插入额外比特的过程。其它编码率可通过1/2转换，从而实现简化反推有效比特的计算。

首先，在最后的OFDM调制中确定需要的特定子载波最低星座点如图4所示，重叠子载波的QAM点为功率最低的四个点。以QAM-16为例，每个点携带四个比特，但只有两个比特是重要的，这两个比特能够使功率最低，因此将这两个比特作为有效比特集合，如图5所示的阴影比特。同样，每一个QAM-64和QAM-256点分别有4个和6个有效比特。要做的就是插入额外的比特，使得有效比特是指定的比特，而QAM(正交幅度调制)点中其他比特可以是任意的。

结合确定需要的特定子载波最低星座点、WiFi与第一信号的重叠信道情况后，确定功率最低的星座点。通过确定功率最低的星座点，确定QAM调制之前的每个星座点中的有效比特集合。由于交织器是将输入比特按照某种规则一一映射到输出比特，从而能够获得交织之前的有效比特集合。将交织器前第k个有效比特的值和位置分别记作v_k，p_k，其中k∈[1，K]，K为要插入的有效比特的总数。

尽管卷积编码器增加了数据比特的冗余，不能生成任意的比特序列，但由于交织过程是用来减少解码误差，能够使得之前聚集在一起的有效比特被分散到很远的不同位置，从而使卷积编码也能够确定额外的比特。

根据有效比特{v_k，p_k}确定WiFi比特数据中需要插入的额外比特的过程如下：

(1)1/2速率卷积编码过程如图8所示。

在1/2速率卷积编码过程中，使用两个生成多项式g0＝(1011011)₂和g1＝(1111001)₂。卷积编码方程如下Eq.1所示，一个输入比特x_n触发两个编码比特y_2n-1和y_2n：

其中，GF(2)为伽罗华域。X_n为输入卷积编码模块之前的比特数据，也是WiFi比特数据扰码后的数据。

(2)建立输入比特和有效比特的位置关系，本发明方法实施中采用符号表示向上取整。表1列出了第一个OFDM符号中有效比特的一个例子，其中采用了QAM-16，ZigBee信道为CH2，其中共有14位有效比特。

表1

从表1可以看出，有效比特有两种情况。第一种情况是，给定一个n，在公式1中y_2n或者y_2n-1其中一个是有效比特，而另一个任意。例如，当k＝9的时候，n＝63，而p_k＝2n-1＝125，将这种情况视为单有效比特。第二种情况则是y_2n和y_2n-1都是有效比特，例如k＝1和k＝2的时候，n＝15，将这种情况视为双有效比特。

(3)在当前实施过程中，卷积编码将7个输入比特进行编码输出，因此，输出比特不仅和当前输入比特x_n决定，而且由少量的过去比特x_n-1～x_n-6决定。当前比特x_n是图6输入卷积编码的比特，也可认为是WiFi数据经有效载荷编码并扰码后的输出比特。

将WiFi比特数据经过扰码后得到的数据作为第一比特集合，将交织器前的有效比特集合作为第二比特集合，第二比特集合中的元素记作{v_k，p_k}(k∈[1，K])，v_k和p_k分别表示交织器前第k个有效比特的值和位置，K为有效比特的总数。

设置第三比特集合，将其作为对WiFi比特数据进行有效载荷编码后再经过扰码的数据集合。第三比特集合设置的一种实现方式是，第三比特集合初始为空集，在每次判断后向里面添加一个比特数据。另一种实现方式，根据第一比特集合和第二比特集合的大小设置第三比特集合的大小，并赋予集合元素初值，在每次判断后进行值的更新。还有其它的实现方式，在此不在赘述。下面以第二种实现方式为例，第三比特集合元素初值任意。

(3.1)获取第一比特集合的第一个比特数据x′₁为当前第一比特，获取第三比特集合的第一个比特为x₁，将其作为当前第三比特，获取第一个有效比特的位置为当前第二比特位置p₁。

由当前第三比特x_n的下标和当前第二比特位置p_k的对应关系，判断是否需要插入额外比特。

(3.2)若当前第三比特的下标n不等于第二比特位置p_k，则不需要插入额外比特，此时使当前第三比特x_n等于第一比特x′_i，i的取值范围为1，2，…，N’，N’为WiFi比特数据的总数，n的取值范围1，2，…，N，N为最终得到第三比特集合的大小。

然后获取下一个第一比特x′_i+1，使其为当前第一比特。在第三比特集合中获取一个比特的位置为当前第三比特，重复执行(3.2)。

(3.3)由当前第三比特x_n的下标和当前第二比特位置p_k的对应关系，判断为插入单有效比特，具体地：

若2n-1等于第二比特位置p_k，则计算下述公式获得插入比特etr0：

若2n等于第二比特位置p_k，则计算下述公式获得插入比特etr0：

在计算后调整发送比特集合中元素的位置，使额外比特插入到发送比特中，并使将当前第一比特x′_i赋值给当前第三比特x_n。获取原始比特集合中下一个比特为当前第一比特，获取下一个第二比特为当前第二比特。在第三比特集合中获取下一个比特为当前第三比特，重复执行(3.2)

(3.4)由当前第三比特x_n的下标和当前第二比特位置p_k的对应关系，判断为插入双有效比特，上述公式(Eq.1)因交织过程会将有效比特分散得足够远，从而避免可能没有解的情况，无论在哪种QAM调制(正交幅度调制)和ZigBee信道组合中，均可以通过在指定的位置插入两个额外的比特来满足双有效比特。因此，无论在哪种情况下，都可以通过在WiFi比特数据上多插入一个比特来满足一个有效比特。上述额外比特在求解时，还可以指定为其它位置，这并不改变本发明方法的通过在WiFi与第一信号重叠子载波中设置功率最低的星座点，降低第一信号信道上WiFi信号功率的实现原理。

具体地，获取当前第二比特位置对应的当前第二比特的值v_k和下一个第二比特位置的值v_k+1，它们是卷积编码后的输出比特。将它们代入述公式获计算额外比特etr0，etr1；

在计算后将额外比特插入到第三比特集合中，并将当前第一比特x′_i赋值给当前第三比特x_n。获取第一比特集合中下一个比特作为当前第一比特，获取当前第二比特后的第2个有效比特为当前第二比特。在第三比特集合获取下一比特数据为当前第三比特，重复执行(3.2)。

当所有第一比特集合{x′_i}的值被遍历完时，最终得到第三比特集合{x_n}，n∈[1，N]，第三比特集合为第一比特集合插入额外比特的集合，这个过程如下表2示意性代码所示。{x_n}和{x′_i}都是加扰过的数据，图6中的发送比特通过对{x_n}解扰码得到。

由于扰码器是为了用来避免长串0或1比特的出现，因此扰码器是也将输入比特按照某种规则一一映射到输出比特，从而使得采用本发明方法能够实现确定插入有效比特的输出比特，并能够确定有效比特的值和要插入的位置，实现对WiFi有效载荷进行编码，从而生成发送比特。

本发明方法确定有效比特的过程如图6所示，当传输比特通过标准的WiFi传输过程时，重叠的子载波被填充最低的星座点，实现的WiFi频谱图如图7所示，重叠部分的频谱比周围的频谱功率大幅下降。

表2

将上述方法实施与基于USRP软件无线电平台、以及商用的ZigBee进行验证，此方法兼容物理层和MAC层的WiFi和ZigBee标准，可以轻松部署到商业设备，而不用额外的硬件，并且WiFi损失的吞吐量比现有技术方案小。所述商业设备包括WiFi路由器、手机等。

通过编码WiFi负载，使得WiFi的子载波级能量降低，从而有效地缓解缓协议干扰的机制，本发明方法不仅可以降低WiFi信号对ZigBee信号的干扰，还可降低WiFi信号对其它协议信号的干扰，比如蓝牙或2.4GLoRa。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本公开方法可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过专用硬件包括专用集成电路、专用CPU、专用存储器、专用元器件等来实现。一般情况下，凡由计算机程序完成的功能都可以很容易地用相应的硬件来实现，而且，用来实现同一功能的具体硬件结构也可以是多种多样的，例如模拟电路、数字电路或专用电路等。但是，对本公开而言更多情况下，软件程序实现是更佳的实施方式。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (8)

1.一种基于WiFi有效载荷编码实现跨协议共存的方法，其特征在于，对受WiFi信号干扰的第一信号，所述方法在WiFi与第一信号重叠子载波中设置功率最低的星座点，降低第一信号信道上WiFi信号功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置包括下述步骤：

通过正交频分复用技术调制WiFi确定功率最低的星座点；

对每个功率最低的星座点，确定每个点中使功率最低的比特集合，将该比特集合作为有效比特集合；

使有效比特集合为指定的比特集合。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述指定的比特集合通过下述方式获得：

依次对WiFi比特数据进行有效载荷编码、扰码、卷积编码、交织操作；

所述对WiFi比特数据进行有效载荷编码为在WiFi比特数据中插入额外比特。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述额外比特通过下述步骤获得：

将WiFi比特数据经过扰码后得到的数据作为第一比特集合，将交织器前的有效比特集合作为第二比特集合，第二比特集合中的元素由有效比特的值和位置构成；

设置第三比特集合，将其作为对WiFi比特数据进行有效载荷编码后再经过扰码的数据集合；

获取第一比特集合的第1个数据作为当前第一比特，获取第二比特集合中第1个有效比特为当前第二比特；

获取第三比特集合中的第一个数据为当前第三比特；

标记S的步骤：将当前第三比特的下标和当前第二比特中位置大小进行比较判断：

若不需要插入额外比特，则使当前第三比特等于当前第一比特；获取下一个第一比特为当前第一比特，并在第三比特集合中设置下一个数据作为当前第三比特，返回标记S的步骤；

若需要插入额外比特为M1个，M1＞0，根据卷积编码转换时用到的M2个比特数量，M2＞0，从第三比特集合中获取卷积编码转换时用的M2-M1个第三比特；并从第二比特集合中，从当前第二比特开始，获取下一个第二比特，直至获取M1-1个第二比特，将M2-M1个第三比特以及M1个第二比特的值，代入卷积编码方程或卷积编码方程组求解额外比特；

将求解的M1个额外比特插入到第三比特集合中，并使当前第三比特等于当前第一比特；获取下一个第一比特为当前第一比特，获取当前第二比特之后的第M1个第二比特为当前第二比特，并在第三比特集合中获取下一个数据作为当前第三比特；返回标记S的步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述星座点4个。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一信号包括ZigBee、蓝牙或2.4GLoRa。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述卷积编码采用1/2编码率。

8.一种设备，所述设备为WiFi路由器或手机，其特征在于，在所述设备上执行权利要求1-权利要求7任一所述方法，以降低WiFi信号的功率。