CN116347510A - 基于物理层跨技术通信的联合编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于物理层跨技术通信的联合编码方法，包括：在WIFI发送设备中对原始数据进行联合编码，获取联合编码后的数据包；基于跨技术通信方法，将所述联合编码后的数据包传输到ZigBee接收节点；所述ZigBee接收节点对所述联合编码后的数据包进行解码，获取解码后的数据，并对所述WIFI发送设备进行反馈，完成对所述原始数据的传输。本发明采用物理层级跨技术通信的方法，实现了数据的可靠传输并保证了吞吐量的要求。

Description

基于物理层跨技术通信的联合编码方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及基于物理层跨技术通信的联合编码方法。
背景技术
近年来，随着物联网设备的爆炸性增长，无数种采用多种技术的无线设备挤入了开放/共享频谱(例如ISM频段)，这其中就包括WIFI，ZigBee，蓝牙等。但是，这些不同的技术无法合作甚至互相干扰。跨技术通信(CTC)作为一种新兴技术，旨在解决异构无线技术之间的共存问题，该技术可以在没有网关的情况下实现异构设备之间的直接通信。早期的研究是基于数据包级别的跨技术通信，即通过识别帧模式来实现异构设备的直接通信。然而，数据包级别的跨技术通信由于每个数据包携带的信息比特非常有限而导致传输效率较低。最近通过研究物理层的信号特征，提出的基于物理层的跨技术通信的方法解决了数据包级跨技术通信传输效率过低的问题，可以比其快数千倍。然而现存的基于物理层级别的跨技术方法存在可靠性较低的问题而影响其在实际应用中的使用效果。主要的问题如下：
(1)信号模拟不能完全匹配：由于物理层级别的标准(例如802.11g，802.15.4)的限制，信号模拟不能完全匹配，有时甚至发生严重失真导致无法解调而影响数据传输效率。
(2)丢包无法避免：现存的物理层跨技术通信技术为了提高可靠性设计了有效的数据包内编码方案来恢复固有的物理层错误。但是这只能降低丢包的可能性，但对于那些前导码未通过前导码检测的数据包仍然无法避免丢包，丢包情况极为严重。
发明内容
本发明提出一种应用在物联网领域的基于跨技术通信的联合编码方法(I2C)，使用通过联合数据包内编码方法和数据包间编码方法以及使用跨技术通信反馈在不影响数据传输效率的情况下实现了异构设备间(WIFI和ZigBee)的可靠通信。
为实现上述目的，本发明提供了基于物理层跨技术通信的联合编码方法，包括以下步骤：
在WIFI发送设备中对原始数据进行联合编码，获取联合编码后的数据包；
基于跨技术通信方法，将所述联合编码后的数据包传输到ZigBee接收节点；
所述ZigBee接收节点对所述联合编码后的数据包进行解码，获取解码后的数据，并对所述WIFI发送设备进行反馈，完成对所述原始数据的传输。
可选的，获取联合编码后的数据包的方法包括：
利用喷泉码编码对所述原始数据进行数据包间编码，获得喷泉码编码后的数据包；
利用符号编码对所述喷泉码编码后的数据包进行包内编码，获取所述联合编码后的数据包。
可选的，利用喷泉码编码的方法对所述原始数据进行数据包间编码后还包括:
将经过所述喷泉码编码后的数据嵌入所述喷泉码编码后的数据包的数据链路层有效载荷。
可选的，利用符号编码的方法对所述喷泉码编码后的数据包进行包内编码包括：
利用所述符号编码对所述喷泉码编码后的数据包中的物理层有效载荷进行数据包内编码，并将经过所述符号编码的数据嵌入所述符号编码后的数据包的物理层有效载荷。
可选的，所述联合编码后的数据包包括WIFI前导码，WIFI包头和WIFI有效载荷。
可选的，基于跨技术通信的方法，将所述编码后的数据包传输到ZigBee接收节点包括：
利用所述WIFI有效载荷，获取模拟的ZigBee数据包的WIFI帧；
将所述模拟的ZigBee数据包的WIFI帧进行解调，获取ZigBee数据包，将所述ZigBee数据包传输到所述ZigBee接收节点。
可选的，所述ZigBee接收节点对所述联合编码后的所述数据包进行解码，获取解码后的数据的方法包括：
所述ZigBee接收节点将所述联合编码后的数据包进行数据包内解码和包间解码，获取解码后的数据；
基于所述解码后的数据，并通过所述ZigBee接收节点对所述WIFI发送设备进行反馈，完成对所述原始数据的传输。
可选的，所述ZigBee接收节点将所述联合编码后的数据包进行数据包内解码和包间解码包括：
利用符号解码对编码后的任一数据包进行包内解码，获取解码后数据包的物理层有效载荷和数据链路层有效载荷；
对所述物理层有效荷载进行循环冗余检验；
若所述物理层有效荷载通过所述循环冗余检验，则利用喷泉码解码对所述数据链路层有效载荷的数据进行数据包包间解码；
若所述物理层有效荷载不能通过所述循环冗余检验，则丢弃所述符号解码后的数据包。
可选的，基于所述解码后的数据，所述ZigBee接收节点对所述WIFI发送设备进行反馈包括：
若所述解码后的数据可以恢复所述原始数据，所述ZigBee接收节点通知所述WIFI发送设备发送另一个数据段或停止传输；否则，所述ZigBee接收节点通知所述WIFI发送设备继续发送所述联合编码后的数据包。
本发明技术效果：
(1)传输效率高：本发明采用了物理层级的跨技术通信方法。
(2)弥补丢包损失：本发明采用喷泉码作为数据包间编码方式做到了在高丢包率条件下可以以极高概率恢复原始数据。
(3)高可靠性和高效率：本发明采用跨技术反馈确保数据包的接收，从而提供更有效的按需重传。
(4)操作简便：本发明不需额外增加网关并且不改变ZigBee节点和WIFI设备的已有的通信协议和通信模式，能够与已有的物联网网络无缝连接。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例基于跨技术通信的联合编码的整体框架示意图；
图2为本发明实施例联合编码的数据包结构示意图；
图3为本发明实施例数据包内编码方法(TwinBee)示意图；
图4为本发明实施例数据包间编码方法(喷泉码)示意图；
图5为本发明实施例联合编码实现跨技术反馈示意图，其中，(a)为解码完成，(b)为数据包不足；
图6为本发明实施例可靠性方面的性能对比示意图；
图7为本发明实施例比特速率方面的性能对比示意图；
图8为本发明实施例传输距离对吞吐量方面的性能影响对比示意图,其中，(a)为室内走廊，(b)为室外人行道。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本发明包括以下步骤：
步骤(1)，在WIFI发送端将源数据段分为K个原始数据块并采用喷泉码编码作为数据包间编码方式使其成为N个编码数据块，并将经过喷泉码编码的数据嵌入喷泉码编码后的数据包的数据链路层有效载荷。
步骤(2)，通过基于跨技术通信的符号编码方式(TwinBee)作为数据包内编码，对数据包的物理层有效载荷进行数据包内编码，并将编码后的数据嵌入包内编码后的数据包的物理层有效载荷。此步骤采用的符号编码方法是将两个符号组合成一个符号以此消除容易出错的码片以及将没有错误的码片组合在一起，使用PN(伪噪声)序列的左循环移位功能来“移动”容易出错的码片到其他位置，从而实现错误位置的分集从而消除物理层跨技术通信里信号模拟的固有的码片错误。
步骤(3)，所有的数据比特通过跨技术通信的方法(WeBee)映射到WIFI数据包的有效载荷比特，WIFI发送设备将带有模拟的ZigBee数据包的WIFI帧发送至ZigBee接收节点。
步骤(4)，ZigBee接收节点接收通过跨技术通信技术构造的WIFI帧，将其解调为若干个ZigBee数据包。
步骤(5)，对模拟的ZigBee数据包进行数据包内解码(TwinBee解码)并进行循环冗余检验(CRC校验)，如果经过此次解码后的物理层有效负载能通过CRC校验，即进行步骤(6)；如果不能通过CRC校验，则丢弃此数据包。
步骤(6)，对数据链路层有效载荷的数据进行数据包间解码(喷泉码解码)。
步骤(7)，使用基于物理层跨技术通信的方法对WIFI发送端进行解码结果的反馈。如果可以恢复原始的K个数据包，则ZigBee接收节点将回复跨技术ACK。否则，它将回复跨技术NACK，以通知WIFI发送设备在下一轮中需要发送多少个数据包以此减少重传次数。
以上机制，可以在保证WIFI设备和Zigbee节点间数据传输速率情况下提高传输的可靠性。
如图1所示，为本实施例中联合编码方法整体框架：首先，在WIFI发送设备处通过数据包间编码(喷泉码编码)将原始数据的K个数据包中的K个数据块编为N个数据块，把编码数据块装载到数据包数据链路层的有效载荷中，再通过数据包内编码(TwinBee编码)以纠正信号模拟方法产生的固有错误；WIFI发送设备将带有模拟的ZigBee信号的WIFI帧发送至ZigBee接收节点；然后，ZigBee接收节点依次进行数据包内解码和数据包间解码，其中在数据包内解码后需要进行CRC校验，通过CRC校验的数据包才能进一步进行数据包间解码，否则将被丢弃；最终，ZigBee接收节点对WIFI发送端进行解码结果的反馈。
如图2所示，为本实施例中联合编码的数据包结构：WIFI发送设备会传输常规的WIFI帧，包括前同步码，包头和有效载荷，其有效荷载将用于模拟标准ZigBee帧。ZigBee接收节点会忽略前同步码和包头。具体来说，模拟ZigBee帧具有两个ZigBee包头，其中包括前同步码，起始帧定界符(SFD)和PHY有效载荷长度(LEN)。然后，对于ZigBeePHY有效负载，它由三部分组成：MAC包头，MAC有效负载和MAC尾部(仅MAC有效载荷用于数据包间编码)。在本实施例中，帧头，MAC头部和MAC尾部与IEEE802.15.4标准兼容。
根据IEEE802.15.4标准，每一个ZigBee符号都被映射成为32码片的伪随机序列(Pseudo-Noise，PN)，该序列称为直接扩频序列(DirectSequenceSpread Spectrum，DSSS)。由于信号模拟过程的特点，与其他位置的码片相比，ZigBee符号的某些位置的码片更容易出错。因此，通过忽略容易出错的码片并将常规码片组合成新的码片序列来进行码片到符号的映射，可以恢复错误码片。如图3所示，为本实施例数据包内编码方法(TwinBee)：深色部分为容易出错的码片。因此，为了传送一个符号(例如，符号“0”)，TwinBee连续传输两个符号(符号“0”和符号“2”)。而在ZigBee接收端，两个接收到的码片序列的正常码片(浅色部分)被拼接在一起，形成一个正确的符号。在不知道商用ZigBee节点上的芯片信息和不做硬件修改的情况下，可以由预先定义的映射表处理该符号来得到所需的信息。
如图4所示，为本实施例中数据包间编码方式(喷泉码)：原始数据被分为K个数据块，并通过数据包间编码将其编码为N个数据块。一旦接收器接收到K+δ编码的数据包，它将解码并恢复完整的原始数据。WIFI发送设备和ZigBee接收节点利用LT和鲁棒孤子分布生成同一组向量，WIFI发送设备和ZigBee接收节点通过利用同一组向量进行喷泉码编码和喷泉码解码。具体的在本实施例中利用LT(Lubytransform)码和鲁棒孤子分布，不同于对数据包进行随机编码和发送编码向量，接收器预先存储了一组由度数分布函数生成的预定义编码向量，并且这组预先定义的向量与发送者中的向量完全相同。这组向量中的每个向量指示哪些原始数据块参与对应的编码数据块的编码。利用喷泉码编码对原始数据进行包间编码包括利用向量-预定义向量指示原始数据包参与喷泉码编码数据包的编码。本实施例中将数据包中的数据包序列号(图2中的SEQ)用作选择向量的种子，并通过利用SEQ而不是传输向量的方法使得发送方可以发送数据包而无需任何额外的解码开销。
联合编码实现跨技术反馈：反馈对于确保数据完整性并及时停止传输至关重要，利用物理层跨技术通信技术(PHY-CTC)实现了Zigbee端到WIFI端的反馈。ZigBee接收节点通知WIFI发送设备发送另一个数据段或停止传输方法包括：ZigBee接收节点构造一个包含0xEF和/或0x67符号的数据包，ZigBee接收节点将包含0xEF和/或0x67符号的数据包发送到WIFI发送设备，WIFI发送设备通过对包含0xEF和0x67符号的数据包进行识别，实现ZigBee接收节点对WIFI发送设备的反馈。具体实现方法为：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端的前导码检测模块识别。利用PHY-CTC反馈，联合编码方法的数据流如图5所示，WIFI设备发送一组N个经过联合编码的数据包后，如果ZigBee接收节点解码完成如图5(a)，它将回复ACK通知WIFI发送设备发送另一个数据段或停止传输。否则，数据包不足如图5(b)所示，ZigBee接收节点回复NACK以请求X个以上的数据包以完成解码。通过这种反馈机制，能够实现按需重发，从而节省了反馈能量并避免了不必要的重发。
在USRPN210(WIFI)和TmoteSky(ZigBee)上实施该发明。实验场景设置包括：
i)实验室中的室内场景，通信距离为1m；
ii)室外走廊中，通信距离从5m到40m不等；
iii)室外人行道，通信距离从40m到200m不等。
WIFI和ZigBee设备的传输功率分别设置为30dBm和0dBm，传输之间的时间间隔设置为2ms。MAC有效载荷为14个字节，而MAC头部和尾部与IEEE 802.15.4中定义的相同。原始数据为2.1K字节，分为150个数据包，并且经过联合编码被编码为250个数据包。将本发明提出的编码方法(I2C)与其他的前沿技术(WeBee,TwinBee,NetCTC)进行可靠性，比特速率以及吞吐量方面的比较。
可靠性方面性能对比结果：可靠性通过接收器接收的数据占原始数据的比例来衡量，如图6所示，由于信号仿真不完善，WEBee的可靠性仅为40％左右，经过6次重传(T6)后达到95.1％。因为具有纠正信号模拟错误的功能，TwinBee在两次重传(T2)后TwinBee的可靠性接近99.7％，并且对于I2C和NetCTC，也均达到99.8％以上的可靠性。由此可知，经过两次重传的TwinBee方法，NetCTC方法和本发明提出的I2C方法都具有几乎100％的可靠性，并且本发明提出的联合编码方法不需重传而依赖反馈也能在可靠性方面的性能上表现优异。
如图7所示，比特速率方面性能对比结果：一次传输的WEBee具有最高的比特率，为226kbps。NetCTC由于其交互机制比特率降低为约80kbps。与WEBee相比，编码率为1/2的TwinBee使比特率(113kbps)减半。同时使用反馈和TwinBee编码的I2C具有较低的比特率(约80kbps)，但远高于WEBee6次重传(37kbps)和TwinBee2次重传(56kbps)的比特速率。所以在保证可靠性的前提下，本发明提出的联合编码放在在比特速率性能方面上优势明显。
如图8(a)所示为室外走廊，通信距离从5m到40m不等,如图(b)所示为室外人行道，通信距离从40m到200m不等，距离对吞吐量性能的影响对比结果：将吞吐量定义为接收端确认的成功交付数据包的比特数。对仅具有一个包头的I2C，经过2次重传的TwinBee和NetCTC(均达到了99％以上的可靠性)进行了吞吐量性能上的比较。I2C最高吞吐量达到35kbps，并且随着距离的增加，吞吐量呈下降趋势。另外，本发明使用的编码方法的吞吐量是NetCTC的7倍以上，比重传2次的TwinBee高，并且略高于仅具有一个包头的I2C。
通过三个实验证明：本发明提出的基于物理层跨技术通信的联合编码方法(I2C)可以实现高效且可靠的数据传输。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.基于物理层跨技术通信的联合编码方法，其特征在于，包括：
在WIFI发送设备中对原始数据进行联合编码，获取联合编码后的数据包；
基于跨技术通信方法，将所述联合编码后的数据包传输到ZigBee接收节点；
所述ZigBee接收节点对所述联合编码后的数据包进行解码，获取解码后的数据，并对所述WIFI发送设备进行反馈，完成对所述原始数据的传输。
2.如权利要求1所述的基于物理层跨技术通信的联合编码方法，其特征在于，获取联合编码后的数据包的方法包括：
利用喷泉码编码对所述原始数据进行数据包间编码，获得喷泉码编码后的数据包；
利用符号编码对所述喷泉码编码后的数据包进行包内编码，获取所述联合编码后的数据包。
3.如权利要求2所述的基于物理层跨技术通信的联合编码方法，其特征在于，利用喷泉码编码的方法对所述原始数据进行数据包间编码后还包括:
将经过所述喷泉码编码后的数据嵌入所述喷泉码编码后的数据包的数据链路层有效载荷。
4.如权利要求2所述的基于物理层跨技术通信的联合编码方法，其特征在于，利用符号编码的方法对所述喷泉码编码后的数据包进行包内编码包括：
利用所述符号编码对所述喷泉码编码后的数据包中的物理层有效载荷进行数据包内编码，并将经过所述符号编码的数据嵌入所述符号编码后的数据包的物理层有效载荷。
5.如权利要求1所述的基于物理层跨技术通信的联合编码方法，其特征在于，所述联合编码后的数据包包括WIFI前导码，WIFI包头和WIFI有效载荷。
6.如权利要求5所述的基于物理层跨技术通信的联合编码方法，其特征在于，基于跨技术通信的方法，将所述编码后的数据包传输到ZigBee接收节点包括：
利用所述WIFI有效载荷，获取模拟的ZigBee数据包的WIFI帧；
将所述模拟的ZigBee数据包的WIFI帧进行解调，获取ZigBee数据包，将所述ZigBee数据包传输到所述ZigBee接收节点。
7.如权利要求1所述的基于物理层跨技术通信的联合编码方法，其特征在于，所述ZigBee接收节点对所述联合编码后的所述数据包进行解码，获取解码后的数据的方法包括：
所述ZigBee接收节点将所述联合编码后的数据包进行数据包内解码和包间解码，获取解码后的数据；
基于所述解码后的数据，并通过所述ZigBee接收节点对所述WIFI发送设备进行反馈，完成对所述原始数据的传输。
8.如权利要求7所述的基于物理层跨技术通信的联合编码方法，其特征在于，所述ZigBee接收节点将所述联合编码后的数据包进行数据包内解码和包间解码包括：
利用符号解码对编码后的任一数据包进行包内解码，获取解码后数据包的物理层有效载荷和数据链路层有效载荷；
对所述物理层有效荷载进行循环冗余检验；
若所述物理层有效荷载通过所述循环冗余检验，则利用喷泉码解码对所述数据链路层有效载荷的数据进行数据包包间解码；
若所述物理层有效荷载不能通过所述循环冗余检验，则丢弃所述符号解码后的数据包。
9.如权利要求7所述的基于物理层跨技术通信的联合编码方法，其特征在于，基于所述解码后的数据，所述ZigBee接收节点对所述WIFI发送设备进行反馈包括：
若所述解码后的数据可以恢复所述原始数据，所述ZigBee接收节点通知所述WIFI发送设备发送另一个数据段或停止传输；否则，所述ZigBee接收节点通知所述WIFI发送设备继续发送所述联合编码后的数据包。
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