一种基于符号级码片组合模式的WiFi-ZigBee可靠数据传输方法
阅读说明：本技术 一种基于符号级码片组合模式的WiFi-ZigBee可靠数据传输方法 (WiFi-ZigBee reliable data transmission method based on symbol-level chip combination mode ) 是由 李士宁 刘畅 程涛 李炳琪 王长浩 焦锋 张南 董博洋 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及数字信息传输技术领域,公开了一种基于符号级码片组合模式的WiFi-ZigBee可靠数据传输方法,包括以下步骤：步骤一：确定一个ZigBee符号所对应的孪生符号；步骤二：根据要发送的内容,将对应的符号与其孪生符号组合成一个字节,得到组合信号；步骤三：用WiFi帧的有效负载来模拟一个合法的ZigBee帧；步骤四：在WiFi端对模拟出来的符号帧进行码片组合；步骤五：将经过符号级码片组合得到的符号信号通过发送机发送出去,ZigBee接收机成功识别该WiFi模拟发送的信号并对识别的信号进行解调。本发明提升了WiFi-ZigBee数据包的接收率,解决了当前WiFi到ZigBee物理层CTC效率过低的问题,消除了由于WiFi CP机制导致的ZigBee符号片段模拟的错误,实现了WiFi-ZigBee的高效物理层跨技术通信。(The invention relates to the technical field of digital information transmission, and discloses a WiFi-ZigBee reliable data transmission method based on a symbol-level chip combination mode, which comprises the following steps: the method comprises the following steps: determining a twin symbol corresponding to a ZigBee symbol; step two: combining the corresponding symbol and its twin symbol into a byte according to the content to be transmitted, to obtain a combined signal; step three: simulating a legal ZigBee frame by using the effective load of the WiFi frame; step four: carrying out chip combination on the simulated symbol frame at the WiFi end; step five: and sending out the symbol signal obtained by the symbol-level chip combination through a transmitter, and successfully identifying the signal sent by the WiFi simulation by the ZigBee receiver and demodulating the identified signal. The invention improves the receiving rate of the WiFi-ZigBee data packet, solves the problem of low CTC efficiency from the WiFi to the ZigBee physical layer at present, eliminates errors of ZigBee symbol segment simulation caused by a WiFi CP mechanism, and realizes the high-efficiency physical layer cross-technology communication of the WiFi-ZigBee.)
技术领域
本发明涉及数字信息传输技术领域，具体涉及一种基于符号级码片组合模式的WiFi-ZigBee可靠数据传输方法。
背景技术
随着物联网技术的进步以及应用领域的不断扩展，出现了以智能家居、智慧交通、健康医疗、电子商务与物流等为代表的典型应用，物联网技术的应用给这些产业带来了新的发展契机，同时产业需求质量的不断提高也促进了无线网络技术这一物联网核心技术的发展，产生了以WiFi、ZigBee、蓝牙以及LoRa等为代表的适用于不同场景的多种无线技术。物联网各种应用的持续普及促使了不同种类无线智能设备的爆炸式增长，各种无线网络技术的智能化设备在日常生活(家庭、办公室、商场等)以及特定场景中(医院、工厂等)被广泛使用，在其适用场景下发挥了重要的作用。同时各种无线技术在其领域不断扩充自身的生存空间，逐渐出现了异质无线网络技术在同一物理空间共存的情况。工作在同一频段的符合不同无线标准的设备，如果部署在同一物理空间中就形成了异质无线网络共存的环境。
当前实现异质网络通信的方式主要包括以下两种，分别是基于网关的间接通信和跨技术通信(CTC)，其中跨技术通信又具体分为基于数据包的跨技术通信和基于物理层模拟的跨技术通信两种方案。
基于网关的异质网络通信方案主要是采用多天线对不同的网络信号进行接收和转发的方式，协调异质网络间的通信活动。网关的引入使得不同网络间消息可以完成可靠的汇聚以及转发，但对多射频电路和处理器的要求造成了额外的硬件成本；此外，网关的部署还依赖于具体的无线环境，需要综合多种异质网络的信号强度选择合适的位置，这也带来了较大的部署和维护成本；最重要的是，由于网关独特的“接收-转发”机制，导致了网络流量的翻倍，这给原本拥挤的信道带来了新的挑战，也在一定程度上加剧了跨技术干扰。
为了避免以上缺点，CTC被提出并得到了广泛的研究，为异质无线网络设备间的直接通信奠定了基础。最早的CTC主要基于数据包的统计特征进行信息的传递，考虑到接收端无法直接收到并解析异质网络设备发送的数据包，但可以通过能量检测、RSS采样等方式获取到载波的能量信息，发送端可以调整数据包的长度、发送时间特征等或者利用数据包构造合适的序列模式来传递信息，通过合理的设计单个数据包最多可以表示数个bit的信息。Esense是最早的研究跨技术通信的工作，Esense通过信号能量的持续时间长短编码信息。GapSense为每个标准的数据包加上一个包含多个能量脉冲的前导码，利用脉冲之间的时间间隙用于传递协调信息实现跨技术通信。ToneSense通过控制发送端的无线通信功率完成信息编码，进而完成数据编码完成跨技术的信息传递。Wizig中通过结合扰动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。
基于数据包的CTC为异质网络直接通信提供了一种新的方法，但由于需要在发送端和接收端分别增加额外的调制解调模块，且存在吞吐量低、连接难以建立等缺陷，导致这种方法在实际场景中难以实现广泛应用。
为了解决以上问题，基于物理层模拟的CTC技术被提出，物理层CTC是一种利用高速无线电模拟低速无线帧的时域波形，实现在异质网络设备之间的直接通信方法。以WiFi到ZigBee为例，通过精心选择WiFi数据包的有效载荷，可以使得最终传输的WiFi波形在时域上类似于ZigBee信号，藉此实现WiFi到ZigBee的直接通信。这种方式的代表性工作是WEBee，在不对WiFi设备和固件进行更改的前提下，仅通过合理调整WiFi数据包的payload，WEBee在商用设备上实现了WiFi到ZigBee设备的直接高速通信，在真正意义上实现了异质网络的直接通信，而且在理论上可以达到低速网络设备的通信速率上限。基于物理层模拟技术的提出极大地推动了CTC从研究到应用的发展进程，而实际上在信号模拟过程中，由于PHY标准(如IEEE 802.11g、IEEE 802.15.4)的限制，比如WiFi CP机制的使用，WiFi技术并不能完美地模拟出符合IEEE 802.15.4的波形，这就直接导致了当前WiFi到ZigBee CTC的可靠性较低。
WiFi的模拟误差主要来源于两个方面，一方面当前广泛部署的WiFi设备普遍采用64QAM的调制技术，所能模拟的精度有限，这会造成部分偏差，另外一方面则是由于WiFi强制使用的CP机制。WiFi技术采用CP机制用以消除符号间的干扰，如图1所示，WiFi各子载波信号在经过逆傅里叶变换后完成了由频域信号到时域信号的转变，为了缓解在时域上由于多普勒效应等原因造成的码间干扰，WiFi技术通过对单个symbol的后四分之一片段进行复制，并将其拷贝到symbol前充当保护间隔，以此完成对码间重叠错误信息的恢复。如图2所示，具体来说，WiFi技术中未加保护间隔的单个symbol的持续时间是3.2us，将symbol后四分之一(0.8us)的数据拷贝至symbol前充当保护间隔，故一个完整的symbol持续周期为4us。值得注意的是，基于IEEE 802.15.4的ZigBee技术并不兼容WiFi技术所支持的CP机制，故ZigBee接收端对于带有CP的WiFi信号无法进行有效地处理，这就导致基于物理层信号模拟的WiFi到ZigBee跨技术通信技术天然就带有一定的错误率，即WiFi端模拟的ZigBee信号为“不完美”信号，尽管ZigBee技术DSSS机制具有一定的容错机制，但额外误差的产生仍会导致ZigBee接收端包接收率的降低，因此WiFi发送端则必须多次重复发送原数据，以此提高传输数据的可靠性，但这样进一步导致传输效率和数据吞吐量等性能降低的问题。
除了多次发送数据包外来提高数据传输的可靠性外，TwinBee提出了码片组合的思想。TwinBee在WEBee的基础上发现物理层WiFi-ZigBee通信时，大多数码片错误位于码片序列的中间和两端。即从第13-20位码片，构成了整个码片47％左右的误差；从第1-4位码片和第29-32位码片，分别构成约整个码片43％左右的误差。这些码片误差主要是由于CP和边界效应造成的。根据以上发现以及IEEE802.15.4中ZigBee符号所映射的32位序列相互循环移动的特征，TwinBee提出的在WiFi端发送ZigBee符号和该符号对应的“Twin-Symbol”，在ZigBee的接收端对这两个符号进行组合。但由于硬件的限制，在ZigBee接收端中没有关于码片的信息，所以只能从无线电获得接收到的符号。在不知道实际传输的码片的情况下，将接收到的符号映射回其相应的PN芯片序列中，然后，进行“易错”位置码片的组合编码。这样的设计在进行实际应用时，由于ZigBee节点设备相对WiFi设备数量较多并且硬件限制需要对ZigBee进行固件升级，与现有的其他工作相比则会产生十分庞大的工作量。
综上，目前对于WiFi和ZigBee网络的单向通信的研究已经可以保证达到ZigBee技术所支持的最高通信速率；而可靠性则需要提高数据传输的准确性，目前由于不同技术之间物理层的限制，导致WiFi到ZigBee通信时数据包接收率较低，通常需要多次发送才能实现单个数据包的有效传递，这极大降低了异质网络通信技术的可用性。目前可靠性已成为制约异质网络通信质量的主要因素，也是实现异质网络协同需要解决的关键问题。在不借助其他设备的前提下，以较低的复杂度实现WiFi到ZigBee网络高速可靠的通信依然是一个值得研究的问题。
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基于符号级码片组合模式的WiFi-ZigBee可靠数据传输方法。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于符号级码片组合模式的WiFi-ZigBee可靠数据传输方法，包括以下步骤：
步骤一：确定一个ZigBee符号所对应的孪生符号
根据ZigBee符号的码片序列循环移位特征，确定一个ZigBee符号所对应的孪生符号；
步骤二：根据要发送的内容，将对应的符号与其孪生符号组合成一个字节，得到组合信号；
步骤三：用WiFi帧的有效负载来模拟一个合法的ZigBee帧；
步骤四：在WiFi端对模拟出来的符号帧进行码片组合
在WiFi端将两个连续的符号分别提取出来，其中一个是模拟的原始符号，紧接着的是原始符号的孪生符号；
步骤五：将经过符号级码片组合得到的符号信号通过发送机发送出去，ZigBee接收机成功识别该WiFi模拟发送的信号并对识别的信号进行解调。
进一步地，所述步骤四中，在WiFi发送端利用一个symbol的孪生symbol的正常码片部分来替换一个symbol由于WiFi硬件设备造成的易错码片。
进一步地，一个symbol易错码片位置为“0-3”“12-19”和“28-31”，所述易错码片分别用该孪生symbol的“8-11”“20-27”和“4-7”位置的码片进行替换，最后得到码片组合后的symbol易错位置的码片被修正为“正常”码片。
进一步地，所述孪生符号指在ZigBee物理层符号DSSS序列中，任一符号通过向右循环移位8位得到的新符号，且该新符号也必须位于该序列集合中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过在WiFi端进行符号级的码片组合来实现WiFi到ZigBee的可靠数据传输，结合ZigBee物理层DSSS序列的循环移位特性，针对ZigBee物理层定义了“孪生符号”，通过在WiFi端对目的ZigBee符号及其孪生符号进行信号模拟，并在添加CP之后进行符号级别的码片组合，将两个符号码片序列的正常位置进行结合，得到一个和原始ZigBee符号近似的信号，减轻了CP造成的信号“失真”，实现了物理层级别的WiFi-ZigBee的跨技术通信，提升了WiFi-ZigBee数据包的接收率，解决了当前WiFi到ZigBee物理层CTC效率过低的问题，消除了由于WiFi CP机制导致的ZigBee符号片段模拟的错误，实现了WiFi-ZigBee的高效物理层跨技术通信。
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为物理层跨技术通信工作流程；
图2为加上保护间隔的OFDM符号；
图3为符号级码片组合WiFi-ZigBee CTC实现图；
图4为易出错的码片分布图；
图5为符号“0000”、“0010”的信号仿真示意图；
图6为WiFi所模拟的符号“0000”和“0010”；
图7为提取出来的WiFi所模拟的符号“0000”和“0010”；
图8为码片替换过程图；
图9为经过码片组合后的符号“0000”和原始ZigBee符号“0000”时域波形图；
图10为ZigBee接收端流程图；
图11为接收端的码片接收率统计图；
图12为接收端的符号接收率统计图。
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。
现有的物理层级别的WiFi-ZigBee跨技术通信通过精心选择WiFi数据包的有效载荷，可以使得最终传输的WiFi波形在时域上类似于ZigBee信号，使其在通过QAM调制并经过OFDM后能够产生近似的ZigBee时域波形，进而完成WiFi-ZigBee通信。本发明在现有的物理层级别的WiFi-ZigBee跨技术通信的基础上提出一种符号级码片组合模式来实现WiFi-ZigBee通信的可靠传输，如图3所示。
本发明符号级码片组合是利用ZigBee符号所对应的32位PN序列(即码片序列)的循环移位特征，将易出错的码片“移动”到其他位置，以尽量修正由于WiFi CP和边界不连续造成的误差。由于易出错的码片出现的位置处于第“0-3”、“12-19”和“28-31”位，如图4阴影部分所示，空白部分为“正常”码片。从循环移位的角度来看，一个ZigBee符号容易出错的连续码片可以认定为是两个长度为8个码片的片段。
根据如表1所示，ZigBee符号所对应的32位码片序列之间具有循环移位特征，本发明针对每一个ZigBee符号定义了“孪生符号”的概念，“孪生符号”指在ZigBee物理层符号DSSS序列中，任一符号通过向右循环移位8位得到的新符号，且该新符号也必须位于该序列集合中。通过在WiFi发送端模拟连续的ZigBee符号和其孪生符号，在添加CP后将这两个符号“正常”码片相结合，形成的具有所有“正常”码片的原始符号可以在接收端准确解调，从而提高了接收端的数据包接收率。
表1数据符号-码片序列映射
具体地，本发明在WiFi端使用基于符号级码片组合模式来实现WiFi-ZigBee可靠数据传输方法，包括以下步骤：
步骤一：确定一个ZigBee符号所对应的孪生符号
根据ZigBee符号的码片序列循环移位特征，确定一个ZigBee符号所对应的孪生符号。例如符号“0010”的PN序列是符号“0000”PN序列向右循环移动8位得到的，故将“0010”作为其孪生符号。同理，可以确定每一个ZigBee符号所对应的孪生符号。具体如表2所示。
表2数据符号-孪生符号对应表
步骤二：根据要发送的内容，将对应的符号与其孪生符号组合成一个字节(因为一个符号是四位)，得到组合信号。图5即为符号“0000”和“0010”的信号仿真示意图。
步骤三：根据现有的物理层WiFi-ZigBee通信的思路按照图1所示的流程用WiFi帧的有效负载来模拟一个合法的ZigBee帧。为了模拟出理想的ZigBee信号，反向进行图1所示的步骤，对原始的ZigBee信号进行去CP，将经过FFT变换得到的频域信号进行QAM量化来选择输入的WiFi数据位，得到WiFi数据位作为WiFi帧的有效载荷按照图1所示的步骤正向进行。例如最终WiFi帧模拟出来的符号“0000”和“0010”如图6所示。
步骤四：在WiFi端对模拟出来的符号帧进行码片组合
在WiFi端将两个连续的符号分别提取出来，其中一个是模拟的原始符号，紧接着的是原始符号的孪生符号。如图7所示，为提取出来的WiFi所模拟的符号“0000”和“0010”；
对于两个连续的symbol，由于后一个symbol是前一个symbol的孪生symbol，对于孪生symbol来说其“易错”码片的分布也如图4所示，一个symbol的易错码片部分的原始信号和孪生symbol的“正常”码片部分的信号一样，因此在WiFi发送端利用一个symbol的孪生symbol的正常码片部分来替换一个symbol由于WiFi硬件设备造成的易错码片，及具体的替换过程如图8所示：
由图8可以看出，一个symbol易出错的码片位置为“0-3”“12-19”和“28-31”，这些易出错的码片分别用该孪生symbol的“8-11”“20-27”和“4-7”位置的码片进行替换，最后得到码片组合后的symbol易错位置的码片被修正为“正常”码片。
图9为经过码片组合后的符号“0000”和原始ZigBee符号“0000”时域波形对比图，由图9可以看出WiFi端对模拟的符号经过码片处理后得到的时域波形和原始ZigBee符号的时域波形已经十分接近。
步骤五：将经过符号级码片组合得到的符号信号通过发送机发送出去。ZigBee接收机成功识别该WiFi模拟发送的信号并对识别的信号进行解调。
IEEE 802.15.4使用O-QPSK进行解调，由于具有半正弦脉冲形状的O-QPSK调制相当于最小移位键控(MSK)，因此可以使用正交解调器完成信号解调。根据接收端获取到的两个相邻的复数信号之间的角度进行信号解调。其数学原理是计算单样本延时的输入与共轭无延时信号的乘积，然后计算得到的复数的辐角：
设x为复数正弦信号，其幅度A＞0，频率f∈R并且信号的初始相位φ0∈[0；2π]。信号的采样频率为fs＞0，可以得出x的表达式为：
接着求解上式，可得：
由于A2是大于0的数，因此上式等价于：
应用上述解调方式的ZigBee接收端工作流程如图10所示。首先是ZigBee通过模数转换器(ADC)捕获2.4GHz频段上的信号，得到I/Q信号的采样值。I/Q信号采样值通常称为复数样本，可用公式表示：S(n)＝I(n)+jQ(n)。紧接着通过上述正交解调原理计算连续采样信号点之间的相位偏移。接着将相位偏移序列中正向和反向的相移分别量化为1和-1，对应于ZigBee的码片值1和0。最后，ZigBee接收端通过对码片值完成映射得到不同的ZigBee数据符号，将解析出的数据交由上层进行处理。
通过以上步骤，完成了WiFi技术到ZigBee技术物理层跨技术通信的可靠数据传输。
对上述所提关键技术进行仿真实验。对WeBee和符号级码片组合模式的仿真结果如图11和图12所示。实验统计了16个ZigBee Symbol经过WeBee和符号级码片组合模式后ZigBee接收端的码片接收率和符号接收率。根据图11和图12，可以看出符号级码片组合模式明显提高了ZigBee接收端对码片和符号的接收率，且其中ZigBee接收端的符号码片接收率达到了98.5％，符号接收率可以达到100％，减少了数据包重传，保证了数据接收的可靠性。
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。
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