CN115022923B - 一种Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种Wi‑Fi到ZigBee的高性能并发通信方法。本发明涉及无线通信技术领域，本发明通过建立WiFi发送端到不同ZigBee接收端的可用仿真帧，设计了WiFi到ZigBee的并行通信协议，不仅实现了较高的通信可靠性，而且大大提高了传输的并发性。本发明提出了两种先进的物理层CTC来提高现有解调质量，并从WiFi到ZigBee中选择候选仿真帧。然后，提出了一种从候选仿真帧中选择非干扰帧的算法，以便新协议可以使用此类代码进行并行通信。使用从WiFi到ZigBee的PCTC，WiFi发送器可以同时将多个信号传输到不同的ZigBee设备，并实现了高信噪比。

Description

一种Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信、Wi-Fi、ZigBee、跨技术通信、并发技术领域，是一种Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法。

背景技术

随着硬件和嵌入式系统的发展，各种IoT(物联网)设备出现并得到广泛应用，为通过物联网系统感知和观察物理世界带来了极大的便利。但是，这些设备可能会根据它们所涉及的场景或它们所服务的应用程序采用不同的协议。由于很多无线设备都挤在ISM频段，包括WiFi、蓝牙、ZigBee，它们可能会导致严重的干扰。为了提高异构物联网设备之间的通信效率，提出了一系列跨技术通信(Cross-Technology Communication，CTC)技术。

CTC技术的初始实现只使用数据包作为载体，如接收信号强度指标，帧长,或传输时间等。然而，上述CTC技术只能使用几个简单的信标，导致吞吐量低。为了提高两个异构物联网设备之间的吞吐量，学者提出了基于信号仿真的物理层CTC技术。与现有的数据包级CTC技术不同，新技术允许WiFi发送方模拟ZigBee帧。从而使WiFi发送方与ZigBee接收方直接通信，大大提高了WiFi到ZigBee的吞吐量。尽管两个异构物联网设备之间的通信质量和吞吐量已通过物理层CTC技术有其缺点。首先，由于直接信号仿真不够可靠，一些物理层CTC的可靠性无法得到保证。为了克服这个缺点，学者提出了一些新的物理层CTC技术。然而，新的物理层CTC不能大幅提高吞吐量。其次，由于不同协议的诸多限制，高采样率的设备很难模拟其他信号，限制了当前物理层CTC技术的应用范围。第三，现有的物理层CTC侧重于接收信号的仿真，但协议的差异和硬件限制导致仿真不完全，以免在解调过程中造成失真和错误。最后，现有的物理层CTC技术只考虑两个物联网设备之间的通信。它们确实加剧了无线干扰，但不能提高整个系统的吞吐量。

由于PCTC是按照物理层CTC构建的，所以我们将介绍802.15.4和802.11n的PHY层协议以及物理层CTC的原理作为背景资料，以提高论文的可读性，其中802.15.4和802.11n分别是ZigBee和WiFi采用的经典协议。

基于802.15.4协议，ZigBee使用OQPSK调制，即一个ZigBee帧包含4位数据信息，并使用直接序列扩展被扩展为32位码片，用c0、c1、c2...c31表示频谱(DSSS)，其中8位码片代表一个位数据信息。如图2所示，上述32位芯片分为两组：偶数芯片被调制到同相(I)载波上，奇数芯片被调制到正交载波上。相位(Q)载波，一个ZigBee帧的持续时间为16μs。图2简要显示了ZigBee节点的解调过程。无线电信号由天线接收并下变频到基带。然后它将被模数转换器(ADC)采样为同相/正交(I/Q)信号。之后，ZigBee解调器根据两个连续信号样本之间的相位差和阈值将信号输出为码片“1”或码片“0”。ZigBee接收器在收集到32个码片后，根据码片表中预定义的符号将这些码片映射成4位(即ZigBee符号)。

根据802.11n，WiFi信号采用OFDM调制，即每个WiFi帧最多有64个子载波，每个子载波采用正交幅度调制(QAM)调制。因此，每个子载波都与一个星座相关，如图3所示。WiFi帧的总持续时间为4μs，包括所有子载波和额外的循环前缀。由于每一帧都有许多独立的子载波要操作，这使得WiFi发射机具有很强的仿真能力可以仿真其他信号，例如ZigBee信号。

一般来说，WiFi发射机发送一帧的调制过程包括图3所示的五个步骤，即(i)信道编码，(ii)QAM调制(iii)OFDM和导频插入，(iv)逆傅立叶变换，和(v)循环前缀添加。由于WiFi帧的持续时间是4μs，而ZigBee帧的持续时间是16μs，我们可以使用4个WiFi帧来模拟一个ZigBee帧，并且在模拟过程中将上述步骤颠倒过来。物理层CTC正是基于这样的仿真。

物理层CTC采用信号仿真直接支持异构设备的通信。具体来说，要通过四个WiFi帧来构建一个ZigBee帧，WiFi有效载荷是按照以下步骤精心设计和选择的。

(1)给定一个所需的ZigBee信号，该信号将持续16μs，首先将其在时域上平均分为四部分。

(2)去除每个部分的循环前缀，对剩余的3.2μs信号进行FFT，得到对应的频域信号。该信号的频率为312.5KHz，与WiFi子载波的频率间隔完全匹配。

(3)使用最近的星座点映射和信道反向编码，将获得四个WiFi有效载荷并返回给发射机，封装为四个WiFi帧进行传送。

如果WiFi发送器连续发送上述WiFi帧，它们将被ZigBee接收器成功解码。

物理层ctc不可避免的固有误差介绍

虽然WiFi发射器发送的信息在设计WiFi载荷后可以被ZigBee节点接收和解码，但物理层CTC的过程仍然存在一些局限性，这可能会扩大传输错误或导致异构设备通信时传输失败.

限制1.边界不连续失真。根据上文的讨论，构建的四个WiFi帧应连续发送，以使ZigBee节点解码成功。如果不能保证上述条件，将导致传输失败。

限制2.循环前缀失真。因为对于商业WiFi设备，每个WiFi帧都需要一个持续时间约为0.8μs的循环前缀。因此，如图4所示，我们需要从每个ZigBee部分中切出3.2μs信号，其持续时间实际上是4μs，这样会丢失一些信息。

限制3.量化失真。物理层CTC主要基于QAM仿真。因此，给定ZigBee信号的每一部分首先通过FFT转换为频域信号，然后确定星座点和子载波。由于星座点和子载波是离散的，而给定的ZigBee信号是连续的，因此在变换过程中不可避免地会出现量化失真。

图4中给出的示例进一步验证了上述限制。图4显示了限制1：不连续失真。ZigBee帧是16μs连续信号，4个长度为4μs的WiFi帧拼接成一个ZigBee信号。在拼接过程中，三个边界点很可能是不连续的，这会导致信号跳变，带来相位噪声和频率噪声。图4显示了限制2：循环前缀失真。每个4μsWiFi信号模拟一个1/4ZigBee信号，但WiFi信号只有3.2μs独立，剩余部分由循环前缀填充，导致CP部分模拟错误。图4显示了限制3：量化失真。ZigBee信号通过FFT映射到星座图上的点，如图4所示，但WiFi无法传输任意幅度和相位调制的QAM信号。因此，只能找到最近的点并将其作为频域信号发送。频域信号的量化误差带来了时域信号的不准确。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，本发明提供了一种Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法，本发明提供了以下技术方案：

一种Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：选择一个现有的物理层CTC，得到采用的仿真帧，确定仿真帧的最大失真，并设置阈值θ等于该失真；选择最差失真的原因是为了避免候选集为空，并减少循环次数以简化搜索过程；

步骤2：对于每一帧f，当固有失真满足E^I _w2z(f)≥θ，将被修剪，将获得第一个候选集；

步骤3：让C₂＝C₁×C₁；对于每一对(f₁,f₂)∈C₂，判断当f₁和f₂组合时何时发生边界失效，当发生，从C₂中修剪(f₁,f₂)；并且(f₁,f₂)的固有失真满足E^I _w2z(f₁)+E^I _w2z(f₂)≥θ，(f₁,f₂)也将从C₂中剪除；

步骤4：让C_w2z＝C₂×C₂，对于每个((f₁,f₂),(f₃,f₄))∈C₃，判断当f₂和f₃组合时何时发生边界失效，当发生，则从C₃中修剪((f₁,f₂),(f₃,f₄))；并且组合框架的固有变形[f₁，f₂，f₃，f₄]还应满足否则将被修剪；

步骤5：返回C_w2z及其对应的ZigBee数字帧C_z。

优选地，所述步骤1具体为：

步骤1.1：接收机计算两个相邻信号波形之间的相位差，即θ，如下所示：

θ＝∠(s(n)×s^*(n-1))＝±π/4+σ (1)

其中，θ的理想值等于π4，σ表示由干扰和噪声引起的误差，因此，σ决定了接收器的解调置信度；

步骤1.2：分别使用QAM失真、循环失真和边界失效来评估帧的质量；s(t)＝acos(ωt+φ)+bsin(ωt+φ)表示WiFi的单个子载波的信号，其中，WiFi的每一帧有48个可控数据子载波，每个子载波由64-QAM调制，a和b是星座上的IQ值，ω是信号的角频率，φ是初始相位；

步骤1.3：ZigBee的带宽仅为2MHz，WiFi子载波间距为312.5KHz，用于ZigBee仿真的组合符号满足：

对于每个循环中的任何t∈[0，3.2μs]；

WiFi采用OFDM技术，每个子载波的频率为312.5KHz，组合符号的持续时间等于3.2μs(＝1/312.5KHz)；每个WiFi帧的持续时间为4μs，因此循环前缀的持续时间为0.8μs，令c(t)表示帧中的循环前缀，则满足c(t)＝s(t-3.2)

对于任何t∈(3.2μs，4μs]；

用f(t)表示的帧中的信号可以由下式确定：

优选地，所述步骤2具体为：

给定一个帧f和两个时隙，t_q1和t_q2，让s是属于f的符号部分，从t_q1到t_q2的f的QAM失真计算为：

where 0≤t_q1≤t_q2≤3.2μs and

θ_w2z(t)＝∠(s(t)×s^*(t-1)) (5)

考虑到长度为16μs的ZigBee符号将被解调为32个芯片，每个芯片的宽度等于0.5μs；使用的时隙一般为{0μs，0.5μs，1μs，...，3μs}；对于任意帧f，由于当θ_w2z(t)接近±π/4时，ZigBee解调信号更准确、更容易，因此QAM失真最小的帧是构建PCTC的最佳选择。

优选地，所述步骤3具体为：

循环前缀失真，设f为给定帧和为循环前缀的两个时隙，则f从到的循环前缀失真计算为

where 3.2＜t_q1≤t_q2≤4μs and

θ_w2z(t)＝∠(c(t)×c^*(t-1))＝±π/4+σ (6)

一帧中每个芯片的宽度等于0.5μs，使用的离散时隙是循环前缀的{3.5μs，4μs}，对于任何t∈(3.2μs，4μs]，c(t)＝s(t-3.2)，有：

将考虑不连续失真，将通过边界的突然变化来为边界失效，

边界失效给定两个相邻帧f1和f2，一个阈值θ，让和分别是f1和f2的结束和开始时隙，当且仅当时，f1和f2发生边界失效；其中f1和f2可由公式(3)确定。

优选地，所述步骤4具体为：

确定候选帧集和互相关阈值l，l-非干扰帧：

l-不干扰帧让是集合CZ中的两个框架，那么f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)被称为l-不干扰帧，当且仅当其中表示离散信号f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)的互相关满足下式(9)并且1是f_Z ⁽ⁱ⁾的长度：

WiFi帧有8位，而f_Z ⁽ⁱ⁾对于任何f_Z ⁽ⁱ⁾∈C_Z都包含4个WiFi帧，因此，在我们的情况下，l＝32；

有l-不干扰子集的定义：

l-不干扰子集对于任何子集当且仅当f_Z ^(j)∈S,时，f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)被称为l-不干扰子集；

检索最大l-不干扰子集的问题定义如下：

输入：返回的候选框集C_Z，以及互相关阈值l

输出：用于并行通信的帧集，用PF_Z表示，其中

并且PF_Z是l-不干扰子集；

对于任何满足定义的S，有|PF_Z|≥|S|。

优选地，当f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)的互相关大于给定阈值l，则保留f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)之间的边；这样的边将被删除

上述构造在多项式时间内完成，检索最大l-不干扰子集的问题等于寻找最大独立集的问题，最大独立集的问题是NP完全的，检索最大l-不干扰子集的问题也是NP完全的。

优选地，调用以检索候选框架集C_z进行处理；

对于C_z、f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)的每一对帧，根据公式(9)计算R(f_Z ⁽ⁱ⁾,f_Z ^(j))；

当Cz非空时，进行以下操作；

从C_z中选择一个帧f_Z ⁽ⁱ⁾，它具有最小的当多个帧满足上述条件，则选择与其理想数字帧的汉明距离最小的帧；

让PF_z＝PF∪{f_Z ^(j)}

从C_z中删除

最后，返回PF_z为最终可用的正交帧，将正交帧部署在zigbee帧映射表上就可以解调wifi的并发信号，从而实现并发通信。

一种Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信系统，所述系统包括：

物理层建立模块，所述物理层建立模块选择一个现有的物理层CTC，得到采用的仿真帧，确定仿真帧的最大失真，并设置阈值θ等于该失真；选择最差失真的原因是为了避免候选集为空，并减少循环次数以简化搜索过程；

候选集模块，所述候选集模块对于每一帧f，当固有失真满足E^I _w2z(f)≥θ，将被修剪，将获得第一个候选集；

边界模块，所述边界模块让C₂＝C₁×C₁；对于每一对(f₁,f₂)∈C₂，判断当f₁和f₂组合时何时发生边界失效，当发生，从C₂中修剪(f₁,f₂)；并且(f₁,f₂)的固有失真满足E^I _w2z(f₁)+E^I _w2z(f₂)≥θ，(f₁,f₂)也将从C₂中剪除；

修剪模块，所述修剪模块让C_w2z＝C₂×C₂，对于每个((f₁,f₂),(f₃,f₄))∈C₃，判断当f₂和f₃组合时何时发生边界失效，当发生，则从C₃中修剪((f₁,f₂),(f₃,f₄))；并且组合框架的固有变形[f₁，f₂，f₃，f₄]还应满足否则将被修剪；

返回模块，所述返回模块返回C_w2z及其对应的ZigBee数字帧C_z。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法。

本发明具有以下有益效果：

本发明为了克服上述问题，提高整个物联网系统的通信质量，本发明研究了并行跨技术通信(PCTC)。通过建立WiFi发送端到不同ZigBee接收端的可用仿真帧，设计了WiFi到ZigBee的并行通信协议，不仅实现了较高的通信可靠性，而且大大提高了传输的并发性。现有的物理层CTC不能直接利用，因为它们的仿真帧不足以支持并行通信，而且它们的解调失真不是最优的。因此，在我们的发明中，我们首先提出了两种先进的物理层CTC来提高现有解调质量，并从WiFi到ZigBee中选择候选仿真帧。然后，提出了一种从候选仿真帧中选择非干扰帧的算法，以便新协议可以使用此类代码进行并行通信。使用我们从WiFi到ZigBee的PCTC，WiFi发送器可以同时将多个信号传输到不同的ZigBee设备，并实现了高信噪比(SNR)。

本发明为了提高通信质量和检索PCTC的候选仿真帧，提出了两种新的高级物理层CTC，可以尽可能地避免解调失真。

本发明相比传统CTC技术，PCTC可以实现置信度更高的传输，可以实现并发传输，使系统的总吞吐量更高。

附图说明

图1为PCTC结构图；

图2为ZigBee接收机和zigbee信号；

图3为wifi发射机和wifi信号；

图4为物理层限制；

图5为PCTC框架结构；

图6为实现原理示意图；

图7为循环前缀误差示意图；

图8为算法1；

图9为算法2示意图；

图10为算法2；

图11为传统仿真信号和我们仿真信号的结果比较图；其中(1)为传统结果(2)为我们的结果

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1至图11所示，本发明为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：本发明涉及一种Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法。

一种Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：选择一个现有的物理层CTC，得到采用的仿真帧，确定仿真帧的最大失真，并设置阈值θ等于该失真；选择最差失真的原因是为了避免候选集为空，并减少循环次数以简化搜索过程；

步骤2：对于每一帧f，当固有失真满足E^I _w2z(f)≥θ，将被修剪，将获得第一个候选集；

步骤3：让C₂＝C₁×C₁；对于每一对(f₁,f₂)∈C₂，判断当f₁和f₂组合时何时发生边界失效，当发生，从C₂中修剪(f₁,f₂)；并且(f₁,f₂)的固有失真满足E^I _w2z(f₁)+E^I _w2z(f₂)≥θ，(f₁,f₂)也将从C₂中剪除；

步骤4：让C_w2z＝C₂×C₂，对于每个((f₁,f₂),(f₃,f₄))∈C₃，判断当f₂和f₃组合时何时发生边界失效，当发生，则从C₃中修剪((f₁,f₂),(f₃,f₄))；并且组合框架的固有变形[f₁，f₂，f₃，f₄]还应满足否则将被修剪；

步骤5：返回C_w2z及其对应的ZigBee数字帧C_z。

可行性分析：WiFi在传输过程中会增加一定的冗余度，以提高传输的可靠性。在802.11n协议中，该值至少为1/6。WiFi有48个数据载体，对应一个288位的有效载荷。因此，它最多只能完全独立控制WiFi的240位载荷，然后控制40个独立的子载波。但是在本文中，我们只需要7个数据子载波就可以完全独立控制，并且没有信道编码的影响。

具体实施例二：

本申请实施例二与实施例一的区别仅在于：

由于现有物理层CTC的局限性，很难利用它们在异构无线系统中构建并发通信。因此，要实现PCTC(并发跨技术通信)，提高异构系统的可靠性和并发性，需要按照以下两个思路：

(1)根据ZigBee解码过程构建最佳的wifi帧到zigbee符号的映射表，来重构WiFi有效载荷

(2)获得尽可能多的一系列正交码构建可并发传输的映射表来实现并发传输。

为了实现以上两个思路，PCTC的构建框架主要由两部分组成如图PCTC框架所示。

第一部分为：新型物理层的构建，又分为失真误差分析和新型跨技术通信物理层构建算法两部分；其中失真误差分析部分，我们详细分析了经典物理层CTC的失真，包括QAM、OFDM、Cyclic Prefix(循环前缀)引起的失真以及量化失真，并从接收机的角度对这些失真都进行了建模。使得不同因素造成的误差可以在后面的算法中被统一处理；其中算法部分，我们基于失真模型，提出了寻找最优帧集C_w2Z的算法，这个集合中的wifi帧都可以高可信度，低传输误差的被zigbee接收机接受识别为ZigBee候选帧集合C_z，

第二部分为：并发传输。我们给出了检索l-非干扰帧集的算法。在该算法中我们将之前引入的失真带来的误差和互相关误差结合起来，算法最终得到了在保证传输质量的情况下的可用正交帧集合PF_W2Z。下面分别对这两部分进行具体介绍。

所述步骤1具体为：

步骤1.1：接收机计算两个相邻信号波形之间的相位差，即θ，如下所示：

θ＝∠(s(n)×s^*(n-1))＝±π/4+σ (1)

其中，θ的理想值等于π4，σ表示由干扰和噪声引起的误差，因此，σ决定了接收器的解调置信度；

步骤1.2：分别使用QAM失真、循环失真和边界失效来评估帧的质量；

s(t)＝acos(ωt+φ)+bsin(ωt+φ)表示WiFi的单个子载波的信号，其中，WiFi的每一帧有48个可控数据子载波，每个子载波由64-QAM调制，a和b是星座上的IQ值，ω是信号的角频率，φ是初始相位；

步骤1.3：ZigBee的带宽仅为2MHz，WiFi子载波间距为312.5KHz，用于ZigBee仿真的组合符号满足：

对于每个循环中的任何t∈[0,3.2μs]；

WiFi采用OFDM技术，每个子载波的频率为312.5KHz，组合符号的持续时间等于3.2μs(＝1/312.5KHz)；每个WiFi帧的持续时间为4μs，因此循环前缀的持续时间为0.8μs，令c(t)表示帧中的循环前缀，则满足c(t)＝s(t-3.2)

对于任何t∈(3.2μs,4μs]；

用f(t)表示的帧中的信号可以由下式确定：

上述解调机制表明，星座图最近的点不一定是最佳解调点。如图11(1)(2)所示，星座中距离较远的信号获得较好的置信度。因而采用wifi模拟的方式得到的最“像”信号不一定是从解调角度来说最好的，右图显示了WiFi仿真和WiFi可用帧的ZigBee解调结果，分别存在8个错误点和3个错误点。WiFi仿真不是生成Physical-CTC使用的帧的最佳方式。然而，如何找到最优帧仍然是一个值得研究的问题。

具体实施例三：

本申请实施例三与实施例二的区别仅在于：

所述步骤2具体为：

给定一个帧f和两个时隙，和让s是属于f的符号部分，从到的f的QAM失真计算为：

where 0≤t_q1≤t_q2≤32μs and

θ_w2z(t)＝∠(s(t)×s^*(t-1)) (5)

考虑到长度为16μs的ZigBee符号将被解调为32个芯片，每个芯片的宽度等于0.5μs；使用的时隙一般为{0μs,0.5μs,1μs,...,3μs}；对于任意帧f，由于当θ_w2z(t)接近±π/4时，ZigBee解调信号更准确、更容易，因此QAM失真最小的帧是构建PCTC的最佳选择。

具体实施例四：

本申请实施例四与实施例三的区别仅在于：

所述步骤3具体为：

循环前缀失真，设f为给定帧和为循环前缀的两个时隙，则f从到的循环前缀失真计算为

where 3.2＜t_q1≤t_q2≤4μs and

θ_w2z(t)＝∠(c(t)×c^*(t1))＝±π/4+σ (6)

一帧中每个芯片的宽度等于0.5μs，使用的离散时隙是循环前缀的{3.5μs，4μs}，对于任何t∈(3.2μs，4μs]，c(t)＝s(t-3.2)，有：

将考虑不连续失真，将通过边界的突然变化来为边界失效，

边界失效给定两个相邻帧f1和f2，一个阈值θ，让和分别是f1和f2的结束和开始时隙，当且仅当时，f1和f2发生边界失效；其中f1和f2可由公式(3)确定。具体实施例五：

本申请实施例五与实施例四的区别仅在于：

ZigBee的直接序列扩频(DSSS)使其信号的通信容量具有高冗余性。改变其映射表后，可以在高信噪比环境下提高通信能力。如果传输帧相互正交，则可以同时发送，实现更高通信容量的并发通信。使用算法1返回的候选集，记为理想情况下选择正交序列。由于正交序列的互相关函数为零，因此在接收端使用对应的地址码，可以排除其他序列的干扰，实现并行通信。然而，框架正交的C_Z子集可能非常小。即使对于两个正交的帧，在实践中也不能完全避免它们的干扰。因此，我们将使用l-非干扰帧而不是完全正交的方案。

用于并行通信的帧，其中l是用户给定的参数，将在之后讨论。因此，构建PCTC需要解决两个问题。

(1)如何从C_Z中尽可能多地检索l-非干扰帧？

(2)如何利用选定的l-非干扰帧调整ZigBee映射策略，构建并行物理层CTC？

所述步骤4具体为：

确定候选帧集和互相关阈值l，l-非干扰帧：

l-不干扰帧让是集合CZ中的两个框架，那么fZ(i)和fZ(j)被称为l-不干扰帧，当且仅当其中表示离散信号f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)的互相关满足下式(9)并且l是f_Z ⁽ⁱ⁾的长度：

WiFi帧有8位，而f_Z ⁽ⁱ⁾对于任何f_Z ⁽ⁱ⁾∈C_Z都包含4个WiFi帧，因此，在我们的情况下，l＝32；

有l-不干扰子集的定义：

l-不干扰子集对于任何子集当且仅当f_Z ^(j)∈S,时，f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)被称为l-不干扰子集；

检索最大l-不干扰子集的问题定义如下：

输入：返回的候选框集C_Z，以及互相关阈值l

输出：用于并行通信的帧集，用PF_Z表示，其中

并且PF_Z是l-不干扰子集；

对于任何满足定义的S，有|PF_Z|≥|S|。

Zigbee帧映射表的部署

在工作中，更改了Zigbee帧映射表以实现更好的传输和并行通信。对于这个的部署，我们考虑了两种情况：

(1)情况一：ZigBee设备数量已知，ZigBee设备可以提前部署Zigbee帧映射表。

(2)情况2：ZigBee设备数量未知，或ZigBee设备无法提前部署Zigbee帧映射表。

对于情况1，我们可以提前计算和部署我们的映射表。针对情况2，我们提出了一个策略：首先，我们找到ZigBee设备的数量和每个ZigBee设备的地址。然后WiFi发送器通过广播将其地址和对应的符号到芯片表发送到所有ZigBee设备。所有ZigBee设备检测到自己的地址后，会记录后续的Zigbee帧映射表并更改自己的映射表。同时可以将校验码添加到传输的帧中以防止映射表的错误，WiFi也应多次发送以提高可靠性。

具体实施例六：

本申请实施例六与实施例五的区别仅在于：

当f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)的互相关大于给定阈值l，则保留f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)之间的边；这样的边将被删除

上述构造在多项式时间内完成，检索最大l-不干扰子集的问题等于寻找最大独立集的问题，最大独立集的问题是NP完全的，检索最大l-不干扰子集的问题也是NP完全的。

具体实施例七：

本申请实施例七与实施例六的区别仅在于：

调用以检索候选框架集C_z进行处理；

对于C_z、f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)的每一对帧，根据公式(9)计算R(f_Z ⁽ⁱ⁾,f_Z ^(j))；

当Cz非空时，进行以下操作；

从C_z中选择一个帧f_Z ⁽ⁱ⁾，它具有最小的当多个帧满足上述条件，则选择与其理想数字帧的汉明距离最小的帧；

让PF_z＝PF∪{f_Z ^(j)}

从C_z中删除

最后，返回PF_z为最终可用的正交帧，将正交帧部署在zigbee帧映射表上就可以解调wifi的并发信号，从而实现并发通信。

具体实施例八：

本申请实施例八与实施例七的区别仅在于：

一种Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信系统，所述系统包括：

物理层建立模块，所述物理层建立模块选择一个现有的物理层CTC，得到采用的仿真帧，确定仿真帧的最大失真，并设置阈值θ等于该失真；选择最差失真的原因是为了避免候选集为空，并减少循环次数以简化搜索过程；

候选集模块，所述候选集模块对于每一帧f，当固有失真满足E^I _w2z(f)≥θ，将被修剪，将获得第一个候选集；

边界模块，所述边界模块让C₂＝C₁×C₁；对于每一对(f₁,f₂)∈C₂，判断当f₁和f₂组合时何时发生边界失效，当发生，从C₂中修剪(f₁,f₂)；并且(f₁,f₂)的固有失真满足E^I _w2z(f₁)+E^I _w2z(f₂)≥θ，(f₁,f₂)也将从C₂中剪除；

修剪模块，所述修剪模块让C_w2z＝C₂×C₂，对于每个((f₁,f₂),(f₃,f₄))∈C₃，判断当f₂和f₃组合时何时发生边界失效，当发生，则从C₃中修剪((f₁,f₂),(F₃,F₄))；并且组合框架的固有变形[f₁，F₂，F₃，f₄]还应满足否则将被修剪；

返回模块，所述返回模块返回C_w2z及其对应的ZigBee数字帧C_z。

具体实施例九：

本申请实施例九与实施例八的区别仅在于：

本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现导航卫星星座定位精度分析与仿真方法。

具体实施例十：

本申请实施例十与实施例九的区别仅在于：

本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行导航卫星星座定位精度分析与仿真方法。

具体实施例十一：

本申请实施例十一与实施例十的区别仅在于：

ZigBee的直接序列扩频(DSSS)使其信号的通信容量具有高冗余性。改变其映射表后，可以在高信噪比环境下提高通信能力。如果传输帧相互正交，则可以同时发送，实现更高通信容量的并发通信。使用算法1返回的候选集，记为理想情况下选择正交序列。由于正交序列的互相关函数为零，因此在接收端使用对应的地址码，可以排除其他序列的干扰，实现并行通信。然而，框架正交的C_Z子集可能非常小。即使对于两个正交的帧，在实践中也不能完全避免它们的干扰。因此，我们将使用l-非干扰帧而不是完全正交的方案。

用于并行通信的帧，其中l是用户给定的参数，将在之后讨论。因此，构建PCTC需要解决两个问题。

(1)如何从C_Z中尽可能多地检索l-非干扰帧。

(2)如何利用选定的l-非干扰帧调整ZigBee映射策略，构建并行物理层CTC。

下面将解决以上两个问题

给定算法1返回的候选帧集和互相关阈值l，l-非干扰帧的正式定义如下：

(l-不干扰帧)让是集合C_Z中的两个框架，那么f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)被称为l-不干扰帧，当且仅当其中表示离散信号f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)的互相关满足下式(9)并且l是f_Z ⁽ⁱ⁾的长度：

由于WiFi帧有8位，而f_Z ⁽ⁱ⁾对于任何f_Z ⁽ⁱ⁾∈C_Z都包含4个WiFi帧，因此，在我们的情况下，l＝32。

我们有l-不干扰子集的定义：

(l-不干扰子集)对于任何子集当且仅当f_Z ^(j)∈S,时，f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)被称为l-不干扰子集

根据上述定义，检索最大l-不干扰子集的问题定义如下：

输入：算法1返回的候选框集C_Z，以及互相关阈值l

输出：用于并行通信的帧集，用PF_Z表示，其中

(1)并且PF_Z是l-不干扰子集；

(2)对于任何满足定义5.2的S，我们有|PF_Z|≥|S|。

下面的定理表明上述问题是NP完全的。

检索最大l-不干扰子集的问题是NP完全的。

我们通过将C_Z中的每一帧映射到一个节点来构造一个图，并根据公式(9)计算每对帧的互相关。如果f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)的互相关大于给定阈值l，则保留f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)之间的边。否则，这样的边将被删除。最后，我们将得到如图11-(2)所示的图形。

上述构造可以在多项式时间内完成。检索最大l-不干扰子集的问题等于寻找最大独立集的问题，最大独立集的问题是NP完全的，因此我们检索最大l-不干扰子集的问题也是NP完全的。

由于检索最大l-不干扰子集的问题是NP完全的，下一节将介绍一种近似算法来解决它。

基于上节的讨论，检索最大l-不干扰子集的算法包含以下三个步骤：

步骤1.调用算法1以检索候选框架集C_z进行处理。

步骤2.对于C_z、f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)的每一对帧，根据公式(9)计算R(f_Z ⁽ⁱ⁾,f_Z ^(j))。

步骤3当C_Z非空时，进行以下操作。

(1)从C_z中选择一个帧f_Z ⁽ⁱ⁾，它具有最小的如果多个帧满足上述条件，则选择与其理想数字帧的汉明距离最小的帧。

(2)让PF_z＝PF∪{f_Z ^(j)}

(3)从C_z中删除最后，返回PF_z为最终可用的正交帧，将正交帧部署在zigbee帧映射表上就可以解调wifi的并发信号，从而实现并发通信。

详细算法如算法2所示。输入参数l也可以根据系统的并发需求进行调整。如果需要并行传输的设备较少，可以适当降低l以保证高信噪比。否则，应将l设置为合适的值，使系统兼具高并发性和高置信度。

以上所述仅是一种Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法的优选实施方式，一种Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：

步骤1：选择一个现有的物理层CTC，得到采用的仿真帧，确定仿真帧的最大失真，并设置阈值θ等于该失真；选择最差失真的原因是为了避免候选集为空，并减少循环次数以简化搜索过程；

步骤2：对于每一帧f，当固有失真满足E^I _w2z(f)≥θ，将被修剪，将获得第一个候选集；

步骤3：让C₂＝C₁×C₁；对于每一对(f₁，f₂)∈C₂，判断当f₁和f₂组合时何时发生边界失效，当发生，从C₂中修剪(f₁，f₂)；并且(f₁，f₂)的固有失真满足E^I _w2z(f₁)+E^I _w2z(f₂)≥θ，(f₁，f₂)也将从C₂中剪除；

步骤4：让C_w2z＝C₂×C₂，对于每个((f₁，f₂)，(f₃，f₄))∈C₃，判断当f₂和f₃组合时何时发生边界失效，当发生，则从C₃中修剪((f₁，f₂)，(f₃，f₄))；并且组合框架的固有变形[f₁，f₂，f₃，f₄]还应满足否则将被修剪；

步骤5：返回C_w2z及其对应的ZigBee数字帧C_z。

2.根据权利要求1所述的一种Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法，其特征是：所述步骤1具体为：

步骤1.1：接收机计算两个相邻信号波形之间的相位差，即θ，如下所示：

θ＝∠(s(n)×S*(n-1))＝±π/4+σ (1)

其中，θ的理想值等于π4，σ表示由干扰和噪声引起的误差，因此，σ决定了接收器的解调置信度；

步骤1.2：分别使用QAM失真、循环失真和边界失效来评估帧的质量；

s(t)＝acos(ωt+φ)+bsin(ωt+φ)表示WiFi的单个子载波的信号，其中，WiFi的每一帧有48个可控数据子载波，每个子载波由64-QAM调制，a和b是星座上的IQ值，ω是信号的角频率，φ是初始相位；

步骤1.3：ZigBee的带宽仅为2MHz，WiFi子载波间距为312.5KHz，用于ZigBee仿真的组合符号满足：

对于每个循环中的任何t∈[0，3.2μs]；

WiFi采用OFDM技术，每个子载波的频率为312.5KHz，组合符号的持续时间等于3.2μs(＝1/312.5KHz)；每个WiFi帧的持续时间为4μs，因此循环前缀的持续时间为0.8μs，令c(t)表示帧中的循环前缀，则满足c(t)＝s(t-3.2)

对于任何t∈(3.2μs，4μs]；

用f(t)表示的帧中的信号可以由下式确定：

3.根据权利要求2所述的一种Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法，其特征是：所述步骤2具体为：

给定一个帧f和两个时隙，t_q1和t_q2，让s是属于f的符号部分，从t_q1到t_q2的f的QAM失真计算为：

where 0≤t_q1≤t_q2≤3.2μs and

θ_w2z(t)＝z(s(t)×s^*(t-1)) (5)

考虑到长度为16μs的ZigBee符号将被解调为32个芯片，每个芯片的宽度等于0.5μs；使用的时隙一般为{0μs，0.5μs，1μs，...，3μs}；对于任意帧f，由于当θ_w2z(t)接近±π/4时，ZigBee解调信号更准确、更容易，因此QAM失真最小的帧是构建PCTC的最佳选择。

4.根据权利要求3所述的一种Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法，其特征是：所述步骤3具体为：

循环前缀失真，设f为给定帧和为循环前缀的两个时隙，则f从到的循环前缀失真计算为

where 3.2<t_q1≤t_q2≤4μs and

θ_w2z(t)＝∠(c(t)×c^*(t-1))＝±π/4+σ (6)

一帧中每个芯片的宽度等于0.5μs，使用的离散时隙是循环前缀的{3.5μs，4μs}，对于任何t∈(3.2μs，4μs]，c(t)＝s(t-3.2)，有：

将考虑不连续失真，将通过边界的突然变化来为边界失效，

边界失效给定两个相邻帧f1和f2，一个阈值θ，让和分别是f1和f2的结束和开始时隙，当且仅当时，f1和f2发生边界失效；其中f1和f2可由公式(3)确定。

5.根据权利要求4所述的一种Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法，其特征是：所述步骤4具体为：

确定候选帧集和互相关阈值l，l-非干扰帧：

l-不干扰帧让是集合CZ中的两个框架，那么fZ(i)和fZ(j)被称为l-不干扰帧，当且仅当其中表示离散信号f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)的互相关满足下式(9)并且l是f_Z ⁽ⁱ⁾的长度：

WiFi帧有8位，而f_Z ⁽ⁱ⁾对于任何f_Z ⁽ⁱ⁾∈C_Z都包含4个WiFi帧，因此，在我们的情况下，l＝32；

有l-不干扰子集的定义：

l-不干扰子集对于任何子集当且仅当fz^(j)∈S，时，f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)被称为l-不干扰子集；

检索最大l-不干扰子集的问题定义如下：

输入：返回的候选框集C_Z，以及互相关阈值l

输出：用于并行通信的帧集，用PF_Z表示，其中

并且PF_Z是l-不干扰子集；

对于任何满足定义的S，有|PF_Z|≥|S|。

6.根据权利要求5所述的一种Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法，其特征是：当f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)的互相关大于给定阈值l，则保留f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)之间的边；当不满足f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)的互相关大于给定阈值l，则f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)之间的边将被删除；

上述f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)之间的边在多项式时间内完成，检索最大l-不干扰子集的问题等于寻找最大独立集的问题，最大独立集的问题是NP完全的，检索最大l-不干扰子集的问题也是NP完全的。

7.根据权利要求6所述的一种Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法，其特征是：

调用以检索候选框架集C_z进行处理；

对于C_z、f_Z ⁽ⁱ⁾和f_Z ^(j)的每一对帧，根据公式(9)计算R(f_Z ⁽ⁱ⁾，f_Z ^(j))；

当Cz非空时，进行以下操作；

从C_z中选择一个帧f_Z ⁽ⁱ⁾，它具有最小的当多个帧满足具有最小的则选择与其理想数字帧的汉明距离最小的帧；

让PF_z＝PF∪{f_Z ^(j)}

从C_z中删除

最后，返回PF_z为最终可用的正交帧，将正交帧部署在zigbee帧映射表上就可以解调wifi的并发信号，从而实现并发通信。

8.一种Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信系统，其特征是：所述系统包括：

物理层建立模块，所述物理层建立模块选择一个现有的物理层CTC，得到采用的仿真帧，确定仿真帧的最大失真，并设置阈值θ等于该失真；选择最差失真的原因是为了避免候选集为空，并减少循环次数以简化搜索过程；

候选集模块，所述候选集模块对于每一帧f，当固有失真满足E^I _w2z(f)≥θ，将被修剪，将获得第一个候选集；

边界模块，所述边界模块让C₂＝C₁×C₁；对于每一对(f₁，f₂)∈C₂，判断当f₁和f₂组合时何时发生边界失效，当发生，从C₂中修剪(f₁，f₂)；并且(f₁，f₂)的固有失真满足E^I _w2z(f₁)+E^I _w2z(f₂)≥θ，(f₁，f₂)也将从C₂中剪除；

修剪模块，所述修剪模块让C_w2z＝C₂×C₂，对于每个((f₁，f₂)，(f₃，f₄))∈C₃，判断当f₂和f₃组合时何时发生边界失效，当发生，则从C₃中修剪((f₁，f₂)，(f₃，f₄))；并且组合框架的固有变形[f₁，f₂，f₃，f₄]还应满足否则将被修剪；

返回模块，所述返回模块返回C_w2z及其对应的ZigBee数字帧C_z。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求1-7所述的Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法。

10.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行根据1-7所述的Wi-Fi到ZigBee的高性能并发通信方法。