異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信關(guān)鍵技術(shù)

　　摘要 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展, 不同應(yīng)用在通信范圍、能耗、時(shí)延等方面的需求推動(dòng)各種無(wú)線通信技術(shù)的產(chǎn)生. 由于無(wú)線通信技術(shù)的多樣性, 異構(gòu)設(shè)備間存在通信壁壘不能進(jìn)行直接通信. 由于信息交互能力的缺失, 廣泛部署的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相互競(jìng)爭(zhēng)頻譜資源并導(dǎo)致通信干擾日益嚴(yán)重. 此外, 異構(gòu)設(shè)備間的通信障礙限制了信息共享和資源整合. 傳統(tǒng)的利用網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備間的通信需要額外的開銷. 研究人員提出了不需要網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行協(xié)議間轉(zhuǎn)換的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù), 使得異構(gòu)設(shè)備能夠進(jìn)行直接通信. 本文首先分析和總結(jié)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀; 在此基礎(chǔ)上, 提出了實(shí)現(xiàn)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的關(guān)鍵技術(shù): 數(shù)據(jù)包級(jí)、信號(hào)級(jí)和符號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù); 之后, 介紹了所提相關(guān)技術(shù)在異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備共存場(chǎng)景下的抗干擾協(xié)調(diào)應(yīng)用; 最后, 總結(jié)全文并展望了異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向.

　　關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng), 無(wú)線網(wǎng)絡(luò), 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信, 無(wú)線通信協(xié)議, 數(shù)字調(diào)制

　　曹東江1 , 王帥1* , 熊潤(rùn)群1 , 劉云淮2 , 羅軍舟1 , 何田1*中國(guó)科學(xué) : 信息科學(xué) 2021 年 第 51 卷

　　1 引言

　　近年來(lái), 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷成熟, 其應(yīng)用已經(jīng)滲透到生活的方方面面, 在智能家居、智慧交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能制造等方面發(fā)揮著重要作用. 物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展離不開包括 LTE、Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙等眾多異構(gòu)通信技術(shù)的支撐 [1] . 在物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架中, 提出眾多異構(gòu)技術(shù), 是為了適應(yīng)動(dòng)態(tài)復(fù)雜的環(huán)境以及滿足不同場(chǎng)景在通信范圍、吞吐量、可靠性、時(shí)延和能耗等方面的應(yīng)用需求 [2] . 這些異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)在各自的應(yīng)用領(lǐng)域獲得了巨大的成功.

　　然而, 隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用, 越來(lái)越多的異構(gòu)設(shè)備共存于同一場(chǎng)景, 共享同一頻段. 統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu) Gartner 發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示, 截止 2020 年年底全球?qū)⒂屑s 200 億的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備1) , 其中大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備共享 ISM (industrial scientific medical) 頻段, 使得頻譜資源愈發(fā)緊張. 由于異構(gòu)設(shè)備間的通信壁壘, 對(duì)周圍設(shè)備的認(rèn)知缺失, 導(dǎo)致異構(gòu)設(shè)備不僅不能共融互惠, 反而相互競(jìng)爭(zhēng)通信頻段, 造成異構(gòu)干擾 (cross-technology interference, CTI) [3, 4] . 例如, 共存于 2.4 GHz 頻段的 Wi-Fi 和 ZigBee 設(shè)備在同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí), 相互干擾彼此的信息傳輸, 導(dǎo)致通信效率急劇下降 [5, 6] . 另一方面, 不同的通信協(xié)議有各自的優(yōu)勢(shì)與不足. 如 Wi-Fi 技術(shù)具備傳輸效率高的特點(diǎn), 但功耗較高. ZigBee 技術(shù)能耗小但傳輸速率低. 有效整合不同協(xié)議的優(yōu)勢(shì)以提高頻譜資源的利用率以及無(wú)線通信的效率成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一個(gè)研究方向.

　　針對(duì)以上物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì), 越來(lái)越多的研究人員開始關(guān)注使用不同協(xié)議的設(shè)備之間通信機(jī)制的建立 [7, 8] , 即異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信. 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信 (cross-technology communication, CTC) 指通過(guò)特殊的信息調(diào)制方式使采用不同通信協(xié)議的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)直接通信, 該技術(shù)不需要額外的網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行通信協(xié)議間的轉(zhuǎn)化. 如圖 1 所示, 在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)體系中, 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)使得網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建更加靈活. 傳統(tǒng)的通信技術(shù)只能使同構(gòu)設(shè)備之間進(jìn)行直接通信, 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)打破了異構(gòu)設(shè)備間的通信壁壘, 使得異構(gòu)的設(shè)備之間互聯(lián)互通, 從而可以整合不同協(xié)議的優(yōu)勢(shì), 使異構(gòu)設(shè)備相互協(xié)作 [9] . 此外, 與基于網(wǎng)關(guān)的異構(gòu)設(shè)備間通信相比, 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)減少了額外的硬件開銷和通信時(shí)延, 使得異構(gòu)設(shè)備可以通過(guò)協(xié)商使用共享的頻譜資源, 避免信道競(jìng)爭(zhēng)帶來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸沖突, 提升通信性能 [10, 11] .

　　實(shí)現(xiàn)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信, 也需要克服一些挑戰(zhàn). 首先, 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的發(fā)送端與接收端設(shè)備需要共享同一頻段, 頻譜資源的共享雖然導(dǎo)致了異構(gòu)設(shè)備之間的互相競(jìng)爭(zhēng)與干擾, 但也為異構(gòu)設(shè)備間直接通信提供了機(jī)會(huì). 其次, 異構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采用不同的底層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn), 如 Wi-Fi 采用 IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn), ZigBee 采用 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn), 不同標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的調(diào)制解調(diào)方案不同, 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無(wú)法正確解調(diào)異構(gòu)設(shè)備的數(shù)據(jù)包, 因此, 需要制定特殊的調(diào)制解調(diào)方案克服異構(gòu)設(shè)備間不兼容的底層標(biāo)準(zhǔn). 最后, 為了不影響物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的正常通信, 以及加快相應(yīng)技術(shù)的部署應(yīng)用, 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)要求通信機(jī)制對(duì)于硬件是透明的, 即不修改現(xiàn)有的硬件設(shè)施.

　　基于上述背景, 本文首先分析和總結(jié)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀; 在此基礎(chǔ)上, 提出了實(shí)現(xiàn)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的關(guān)鍵技術(shù): 數(shù)據(jù)包級(jí)、信號(hào)級(jí)和符號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù); 之后, 介紹了所提相關(guān)技術(shù)在異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備共存場(chǎng)景下的抗干擾協(xié)調(diào)應(yīng)用; 最后, 總結(jié)全文并展望了異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向.

　　2 研究現(xiàn)狀

　　2.1 基于網(wǎng)關(guān)的異構(gòu)通信

　　傳統(tǒng)上, 異構(gòu)無(wú)線設(shè)備之間進(jìn)行通信時(shí), 需要借助網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行協(xié)議的轉(zhuǎn)換 [12] . 然而, 異構(gòu)設(shè)備利用網(wǎng)關(guān)進(jìn)行間接通信存在固有的局限性. 首先, 利用網(wǎng)關(guān)會(huì)帶來(lái)額外的硬件開銷和部署任務(wù), 這增加了異構(gòu)設(shè)備間進(jìn)行通信的成本. 其次, 基于網(wǎng)關(guān)的方案會(huì)產(chǎn)生大量經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)的流量開銷, 這進(jìn)一步加劇了干擾, 并且容易導(dǎo)致由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)壓力過(guò)大造成單點(diǎn)故障. 第三, 網(wǎng)關(guān)必須提前部署, 這使得移動(dòng)和臨時(shí)的場(chǎng)景下, 異構(gòu)設(shè)備通信變得困難. 第四, 由于引入了網(wǎng)關(guān)設(shè)備, 異構(gòu)設(shè)備間端到端通信的時(shí)延增加, 進(jìn)一步影響了網(wǎng)絡(luò)性能 [13] . 網(wǎng)關(guān)方案固有的局限使得該方案在某些場(chǎng)景下難以適用, 為此, 研究人員嘗試構(gòu)建免網(wǎng)關(guān)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信.

　　2.2 免網(wǎng)關(guān)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信

　　由于具有不兼容的物理層, 異構(gòu)無(wú)線設(shè)備無(wú)法相互解調(diào)彼此的信號(hào), 然而設(shè)備能夠通過(guò)信道感知的方法探測(cè)到信道中來(lái)自其他異構(gòu)設(shè)備的數(shù)據(jù)包. 數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中表現(xiàn)為一段持續(xù)的高能量信號(hào), 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的接收端可以通過(guò)感知并采樣信道上的能量獲取數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度、能量和序列等特征 [14, 15] . 據(jù)此, 研究人員利用數(shù)據(jù)包的不同特征進(jìn)行信息的調(diào)制, 從而實(shí)現(xiàn)免網(wǎng)關(guān)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信, 如圖 2 所示, 已有異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信研究所利用的數(shù)據(jù)包的特征有: 數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)包能量水平和能量包絡(luò)、數(shù)據(jù)包的信號(hào)特征等. 表 1 [8, 14, 16～23] 總結(jié)了現(xiàn)有基于數(shù)據(jù)包特征的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)研究.

　　利用數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)制. 數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度是無(wú)線數(shù)據(jù)包的共有特征. 如圖 2(a) 所示, 數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中表現(xiàn)為一段持續(xù)的高能量信號(hào), 數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度可由信號(hào)持續(xù)的時(shí)長(zhǎng)衡量, 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的接收端可以通過(guò)感知并采樣信道上的能量判斷數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度. 基于數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信要求發(fā)送端和接收端遵循同一套定義了數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度與傳輸信息對(duì)應(yīng)關(guān)系的映射表. 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信時(shí), 依據(jù)映射表, 發(fā)射端選擇合適的數(shù)據(jù)包持續(xù)時(shí)間來(lái)調(diào)制信息, 接收端通過(guò)查表解碼出對(duì)應(yīng)信息. 利用數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度調(diào)制異構(gòu)直聯(lián)信息的思想簡(jiǎn)單且相對(duì)通用, 為利用數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信開拓了思路, 但它也存在一些問(wèn)題. 除了用于異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的數(shù)據(jù)包, 接收端也會(huì)感知到正常通信的數(shù)據(jù)包, 它們不存在明顯差異, 接收端設(shè)備很難將它們區(qū)分開, 因此異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信容易受到正常通信的干擾. 為讓接收端正確識(shí)別數(shù)據(jù)包, Chebrolu 等 [16] 提出的解決方案是在數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度選擇上主動(dòng)區(qū)分: 統(tǒng)計(jì)正常通信中數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的頻率分布, 選擇出現(xiàn)頻率低于閾值的長(zhǎng)度用于異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信. 在這種方法中, 閾值設(shè)定得越低, 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的抗干擾能力就越強(qiáng), 但可選的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度范圍減小, 通信效率降低. 另一個(gè)問(wèn)題是可傳遞信息量受限. 可傳遞信息量受制于映射表的大小, 而映射表又受制于數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的選擇范圍.

　　利用數(shù)據(jù)包能量水平進(jìn)行調(diào)制. 可用于異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的數(shù)據(jù)包特征還有能量水平. 已有工作中將能量水平用于信息調(diào)制的方法主要有 3 種: 多能級(jí)、能量變化、能量包絡(luò)和能量間隔. 如圖 2(b) 所示, 多能級(jí)的調(diào)制方法是將固定水平的能量與特定的比特信息相對(duì)應(yīng), 接收端感知能量水平后即可通過(guò)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信協(xié)議預(yù)設(shè)的映射關(guān)系進(jìn)行解調(diào). 這種方法會(huì)受到信道中環(huán)境噪聲的干擾, 為此, Guo 等 [19] 設(shè)計(jì)的 WiZig 根據(jù)信道條件, 動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)地調(diào)整調(diào)制策略 (包括控制能量水平及接收窗口大小), 提升了環(huán)境噪聲干擾下的通信性能. 如圖 2(c) 所示, 使用能量變化, 如上升沿和下降沿直接調(diào)制異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的 0/1 比特[19] , 可以避免單一數(shù)據(jù)包狀態(tài)的不可靠性, 對(duì)噪聲具有一定的抗干擾能力. 而且, 直接調(diào)制 0/1 比特能夠減少接收端的解調(diào)步驟, 同時(shí)節(jié)省協(xié)議因信息映射占用的設(shè)備內(nèi)存. 數(shù)據(jù)包組合成的能量包絡(luò), 是數(shù)據(jù)包能量水平的另一個(gè)重要特征. 如圖 2(d) 所示, 利用此特征的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)不是利用單個(gè)數(shù)據(jù)包的特殊能量水平進(jìn)行調(diào)制解調(diào), 而是對(duì)數(shù)據(jù)包組的能量包絡(luò)進(jìn)行調(diào)制, 使其具有更強(qiáng)的抗隨機(jī)噪聲的能力. Chi 等 [14] 設(shè)計(jì)的 B2W2 將能量包絡(luò)模擬成離散正弦波, 通過(guò)正弦波的不同頻率調(diào)制異構(gòu)直聯(lián)信息. Zhang 等 [23] 在數(shù)據(jù)包前加入特定的前導(dǎo)碼, 前導(dǎo)碼對(duì)應(yīng)多個(gè)能量脈沖, 利用能量脈沖之間的間隔進(jìn)行信息調(diào)制, 但實(shí)現(xiàn)該方案需要修改硬件, 限制了其在現(xiàn)有商用設(shè)備上的部署.

　　利用數(shù)據(jù)包信號(hào)特征進(jìn)行調(diào)制. 雖然基于數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度和能量水平的調(diào)制方法在異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信中較為適用, 但也容易受到其他無(wú)線數(shù)據(jù)包的干擾. 為了緩解共存干擾, 提高低信噪比下的通信可靠性, 研究人員提出利用數(shù)據(jù)包的特殊信號(hào)特征構(gòu)建異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信, 其中典型的信號(hào)特征包括: 信道狀態(tài)信息 (channel state information, CSI) 和載波頻偏 (carrier frequency offset, CFO). 在無(wú)線通信中, 信道狀態(tài)信息指通信鏈路的信道屬性, 它描述信號(hào)在每條信道上傳輸所受到的影響. 信道狀態(tài)信息包含在 Wi-Fi 數(shù)據(jù)包的前導(dǎo)碼中, Wi-Fi 接收端可以根據(jù)信道狀態(tài)信息值來(lái)計(jì)算出不同子載波上的相位與幅度信息. 由于信道狀態(tài)信息 (CSI) 比接收信號(hào)強(qiáng)度 (received signal strength, RSS) 更容易獲取并且精確度高, 因此利用信道狀態(tài)信息進(jìn)行異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信具有更強(qiáng)的魯棒性. 信道狀態(tài)信息可被用于實(shí)現(xiàn)非 Wi-Fi 協(xié)議的無(wú)線通信技術(shù) (如 ZigBee、藍(lán)牙) 到 Wi-Fi 的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信. 如圖 2(e) 所示, Wi-Fi 與其他協(xié)議發(fā)生信道重疊后, Wi-Fi 數(shù)據(jù)包前導(dǎo)碼中的信道狀態(tài)信息會(huì)產(chǎn)生明顯變化. 于是, 依據(jù)信道狀態(tài)信息, 正常與受到干擾的數(shù)據(jù)包即可被分別解調(diào)為異構(gòu)直聯(lián)信息的 0/1 比特 [21] . 在運(yùn)用信道狀態(tài)信息建立異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信時(shí), 發(fā)射端需要合理選擇發(fā)射功率, 避免觸發(fā)載波偵聽多路訪問(wèn) (carrier sense multiple access, CSMA) 機(jī)制, 影響 Wi-Fi 的正常通信. 載波頻偏是無(wú)線通信中的常見現(xiàn)象, 無(wú)線設(shè)備的非理想本地振蕩器以及運(yùn)動(dòng)物體的多普勒效應(yīng)都有可能導(dǎo)致載波頻偏. 載波頻偏也存在于諸如藍(lán)牙的調(diào)頻信號(hào)中. 研究人員觀察到無(wú)線通信能夠容忍的頻率偏移遠(yuǎn)高于正常通信中存在的固有頻偏, 于是 Wang 等 [22] 通過(guò)調(diào)節(jié)載波頻率, 利用固有頻偏以外的冗余頻偏調(diào)制信息, 成功實(shí)現(xiàn) Wi-Fi 到藍(lán)牙的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信.

　　綜上所述, 雖然基于數(shù)據(jù)包的特征可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信, 但目前的解決方案存在較多問(wèn)題: (1) 信道利用率和吞吐量較低; (2) 部分方案需要專用的硬件設(shè)備; (3) 部分方案引入了額外的數(shù)據(jù)包流量開銷.

　　3 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)

　　針對(duì)目前異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題, 本節(jié)提出了異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)框架, 如圖 1(b), 包括數(shù)據(jù)包級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)、信號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)和符號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù). 數(shù)據(jù)包級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信利用數(shù)據(jù)包級(jí)的特征進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)制, 由于數(shù)據(jù)包級(jí)的特征可以普遍地被異構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備感知, 所以很容易建立起雙向的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信, 但由于利用稀疏的數(shù)據(jù)包級(jí)特征進(jìn)行信息的調(diào)制, 其吞吐量受到很大的限制. 信號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信通過(guò)在發(fā)送端模擬接收端可識(shí)別的信號(hào), 從而被接收端接收并解碼, 這顯著得提高了異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的吞吐量. 但此類方法要求發(fā)送端設(shè)備的整體能力強(qiáng)于接收端, 因此不適用于性能較弱的發(fā)送端. 符號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信利用細(xì)粒度的符號(hào)級(jí)的特征進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸, 在提高吞吐量的同時(shí), 適用性也進(jìn)一步提高. 本節(jié)將分別詳細(xì)闡述這 3 種異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)細(xì)節(jié).

　　3.1 數(shù)據(jù)包級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)

　　本小節(jié)將已有的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信研究歸納為數(shù)據(jù)包級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù), 并提出將普通的數(shù)據(jù)幀而非信標(biāo)幀作為信息的載體, 吞吐量提升的同時(shí)不需要引入額外的數(shù)據(jù)包. 數(shù)據(jù)包級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)核心思想為, 發(fā)送端依據(jù)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù)幀的時(shí)間、長(zhǎng)度等指標(biāo), 構(gòu)建相應(yīng)的可被異構(gòu)設(shè)備感知的特征, 接收端通過(guò)信道感知并采樣信道上的能量獲取數(shù)據(jù)包的特征信息, 從而接收相應(yīng)的數(shù)據(jù).

　　基于數(shù)據(jù)包的時(shí)域特征進(jìn)行調(diào)制. 本文基于數(shù)據(jù)包的時(shí)域特征, 通過(guò)改變周期性信標(biāo)幀的時(shí)間, 將信標(biāo)幀的時(shí)間偏移量作為信息載體, 實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信, 但由于基于數(shù)量有限的信標(biāo)幀, 信道利用率和通信吞吐量仍有很大的限制. 為此, 進(jìn)一步將普通的數(shù)據(jù)包而非信標(biāo)幀作為信息傳輸?shù)妮d體, 如圖 3(a), 利用普通的數(shù)據(jù)包時(shí)域特征進(jìn)行調(diào)制, 將數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間偏移到特定節(jié)點(diǎn). 對(duì)于接收端, 通過(guò)累計(jì)一個(gè)周期內(nèi)接收到的符號(hào)數(shù)量, 將整個(gè)周期中出現(xiàn)頻率較高的符號(hào)作為最終的解碼符號(hào).

　　例如, 通過(guò)累計(jì)采樣的接收信號(hào)強(qiáng)度指示 (received signal strength indication, RSSI), 發(fā)現(xiàn)較高的 RSSI 值都在時(shí)間點(diǎn) “1” 附近, 因此發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間點(diǎn) “1” 的頻率高于時(shí)間點(diǎn) “0”, 將傳輸?shù)男畔⒔庹{(diào)為符號(hào) “1”. 此外, 基于不同的發(fā)送周期, 接收端可以將采集到的信號(hào)進(jìn)行分組解調(diào). 因此可以實(shí)現(xiàn)多對(duì)一通信或者提高單路通信的傳輸速率.

　　基于數(shù)據(jù)包序列特征進(jìn)行調(diào)制. 與基于單個(gè)數(shù)據(jù)包特征不同, 基于數(shù)據(jù)包序列特征的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信將傳輸給異構(gòu)設(shè)備的數(shù)據(jù)嵌入到數(shù)據(jù)包序列的分布特征中. 由于接收端需根據(jù)一組數(shù)據(jù)包的序列特征才能解調(diào)出相應(yīng)的信息, 這種調(diào)制方式提高了異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的抗干擾能力. 本文同時(shí)利用數(shù)據(jù)包的包長(zhǎng)特征和包間間隔特征進(jìn)行信息調(diào)制, 如圖 3(b), 利用短數(shù)據(jù)包 (點(diǎn)) 和長(zhǎng)數(shù)據(jù)包 (線) 組合調(diào)制 0/1 比特, 將信息編碼成類似摩爾斯碼的形式. 接收端通過(guò)感知信號(hào)能量特征進(jìn)行信息的接收和解碼. 基于數(shù)據(jù)包序列的特征, 不僅提高了信息傳輸?shù)恼w吞吐量, 也為提供可靠的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信提供了方案.

　　3.2 信號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)

　　信號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)通過(guò)模擬異構(gòu)無(wú)線通信協(xié)議相應(yīng)的信號(hào)實(shí)現(xiàn)直接通信. 相比于利用粗粒度的數(shù)據(jù)包特征進(jìn)行信息的調(diào)制, 信號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信吞吐量得到很大的提升.

　　信號(hào)模擬是實(shí)現(xiàn)信號(hào)級(jí)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的主要方法, 其核心思想為, 在發(fā)送端通過(guò)控制數(shù)據(jù)包的有效載荷部分, 即模擬接收端的波形, 使得發(fā)送端的無(wú)線發(fā)射器產(chǎn)生能夠被異構(gòu)無(wú)線設(shè)備正確接收并解調(diào)的信號(hào). 如圖 4(a) 所示, 依據(jù)傳輸給接收端的信息所對(duì)應(yīng)的物理層目標(biāo)信號(hào), 通過(guò)反向工程, 推導(dǎo)出可以通過(guò)發(fā)送端設(shè)備產(chǎn)生的最接近目標(biāo)信號(hào)的數(shù)據(jù)包報(bào)文內(nèi)容. 發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包后, 有效載荷部分可以成功通過(guò)接收端的前導(dǎo)碼檢測(cè), 從而被成功解調(diào). 理論上, 基于信號(hào)模擬的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信可以實(shí)現(xiàn)和接收端設(shè)備使用的無(wú)線技術(shù)同等的傳輸速率.

　　例如當(dāng)實(shí)現(xiàn) Wi-Fi 到 ZigBee 的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信系統(tǒng)時(shí), 在 Wi-Fi 發(fā)送端, 通過(guò)信號(hào)模擬的方式得到 Wi-Fi 幀的特殊的有效載荷, 使得有效載荷對(duì)應(yīng)的射頻波形類似于 ZigBee 信號(hào)的射頻波形. 當(dāng)這樣的一個(gè) Wi-Fi 幀被射頻前端發(fā)送到信道中后, ZigBee 接收端將 Wi-Fi 幀的頭部、前導(dǎo)碼部分和尾部當(dāng)做噪聲忽略, 而有效載荷部分將成功地通過(guò) ZigBee 的前導(dǎo)碼檢測(cè), 即被視為合法的 ZigBee 數(shù)據(jù)幀, 并在 ZigBee 接收端解調(diào)相應(yīng)的有效載荷. 其中信號(hào)模擬, 即得到具體的有效載荷的過(guò)程, 則需要依據(jù)傳輸給接收端的信息所對(duì)應(yīng)的物理層目標(biāo)信號(hào), 通過(guò)反傅里葉變換、逆向的正交幅度調(diào)制, 以及逆向的信道編碼等反方向流程, 推導(dǎo)出通過(guò)發(fā)送端設(shè)備可以產(chǎn)生的最接近目標(biāo)信號(hào)的數(shù)據(jù)幀內(nèi)容. 信號(hào)模擬存在一定程度的失真, 但 ZigBee 調(diào)制方式的冗余機(jī)制可以提升魯棒性 [6] . 發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)幀后, 有效載荷部分可以成功通過(guò)接收端的前導(dǎo)碼檢測(cè), 從而被成功解調(diào). 在整個(gè)過(guò)程中, ZigBee 接收器不能區(qū)分發(fā)送方是 ZigBee 設(shè)備還是 Wi-Fi 設(shè)備, 因此整個(gè)方案對(duì)于硬件是透明的. 當(dāng)實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙到 ZigBee 的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信系統(tǒng)時(shí), 利用藍(lán)牙和 ZigBee 在調(diào)制解調(diào)方式上的相似性, 可以使用相位信息進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制, 在藍(lán)牙端可以模擬出被 ZigBee 接收器正確解調(diào)的信號(hào). 此外, ZigBee 利用相位的正負(fù)進(jìn)行信息調(diào)制, 這進(jìn)一步增加了藍(lán)牙到 ZigBee 基于信號(hào)模擬的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的魯棒性.

　　信號(hào)模擬方式. 根據(jù)分析信號(hào)的角度不同, 可將信號(hào)模擬分為頻域模擬和時(shí)域模擬兩種. 頻域模擬是在頻域上模擬目標(biāo)波形, 即將目標(biāo)信號(hào)通過(guò)傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域來(lái)映射相應(yīng)的最近星座點(diǎn), 這個(gè)過(guò)程由于時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換會(huì)帶來(lái)一定量化誤差. 時(shí)域模擬是在時(shí)域上進(jìn)行目標(biāo)信號(hào)的模擬, 即在時(shí)域?qū)⒛繕?biāo)信號(hào)的采樣點(diǎn)與離散的星座點(diǎn)映射. 這很大程度降低了量化的誤差, 甚至可以達(dá)到零誤差. 可靠的信號(hào)模擬為信號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信性能打好了基礎(chǔ).

　　信號(hào)模擬的誤差與修正. 雖然基于信號(hào)模擬的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信在提高異構(gòu)設(shè)備間通信吞吐量方面取得了巨大成功, 但由于異構(gòu)設(shè)備不兼容的底層標(biāo)準(zhǔn)以及硬件本身的限制, 信號(hào)模擬不可避免地會(huì)帶來(lái)模擬誤差, 因此通信可靠性有待進(jìn)一步提高. 本文通過(guò)分析 Wi-Fi 到 ZigBee 基于信號(hào)模擬的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信過(guò)程, 得到其信號(hào)模擬的誤差來(lái)源, 如圖 4(b), 包括正交幅度調(diào)制時(shí)的量化誤差、循環(huán)前綴帶來(lái)的部分符號(hào)錯(cuò)誤, 以及信號(hào)分割與拼接帶來(lái)的邊界誤差. 為消除量化誤差, 本文在信號(hào)模擬階段沒有按照 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的符號(hào) – 碼元映射關(guān)系, 而是采用軟映射的方式, 即根據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的模擬符號(hào)的碼元概率分布, 制定新的符號(hào)到碼元映射關(guān)系. 對(duì)于循環(huán)前綴帶來(lái)的模擬錯(cuò)誤和邊界誤差, 本文利用 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的偽隨機(jī)序列的循環(huán)移位特點(diǎn), 制定了碼元組合的編碼方式. 如圖 4(c), Wi-Fi 發(fā)送端想要通過(guò)信號(hào)模擬的方式發(fā)送符號(hào) “0”, 則在發(fā)送端同時(shí)發(fā)送符號(hào) “0” 循環(huán)右移 8 個(gè)碼元后的符號(hào) (易錯(cuò)段的長(zhǎng)度為 8 個(gè)碼元), 對(duì)于此例為符號(hào) “2”. 對(duì)于 ZigBee 接收端, 由于硬件的限制, 無(wú)法直接獲取到碼元的信息. 如圖 4(d), 經(jīng)過(guò) ZigBee 設(shè)備的初步解調(diào), 得到符號(hào) “0x02”, 之后通過(guò)符號(hào)組合編碼, 即將符號(hào) “2” 循環(huán)左移 8 位后與符號(hào) “0” 組合得到新的碼元序列, 再通過(guò)符號(hào) – 碼元映射表, 可以將新的碼元序列成功解碼得到符號(hào) “0”. 由此可見, 通過(guò)這種方案, 很大程度上提升了基于信號(hào)模擬的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信可靠性, 并且沒有修改相應(yīng)的硬件條件. 基于信號(hào)模擬的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的另一個(gè)特點(diǎn)是, 發(fā)送端對(duì)于不同符號(hào)的模擬能力不同, 如 Wi-Fi 發(fā)送端對(duì)不同的 ZigBee 符號(hào)有著不同的模擬精度. 由于 ZigBee 報(bào)頭中包含了重要的字段, 如同步字, 故可以利用特殊的報(bào)頭來(lái)更好地進(jìn)行信號(hào)模擬, 并利用相應(yīng)的特定編碼方式, 進(jìn)一步提高整體的可靠性.

　　并行通信. 除了傳輸速率的大幅提升, 信號(hào)模擬還可以實(shí)現(xiàn)并行的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信. 例如由于 Wi-Fi (20 MHz) 相比 ZigBee (2 MHz) 有更大的帶寬, 所以在一個(gè) Wi-Fi 幀里能夠模擬兩個(gè)不同頻段的 ZigBee 幀, 多個(gè)工作在不同信道上的 ZigBee 接收器可以同時(shí)獨(dú)立地接收和解調(diào)不同的模擬的數(shù)據(jù)幀, 從而實(shí)現(xiàn)兩路并行的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信, 達(dá)到兩倍的總吞吐量和更高的頻譜效率.

　　3.3 符號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)

　　基于信號(hào)模擬的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信在發(fā)送端生成可以直接被異構(gòu)設(shè)備識(shí)別的信號(hào), 從而極大地提高了異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)的吞吐量和實(shí)用性. 但是基于信號(hào)模擬的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)在性能較強(qiáng)的發(fā)送端上才能實(shí)現(xiàn), 例如 Wi-Fi 到 ZigBee 的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信, 性能強(qiáng)的發(fā)送端支持復(fù)雜的調(diào)制方式為信號(hào)的模擬提供了很高的自由度. 而對(duì)于發(fā)送端能力弱的情況, 如 ZigBee 到 Wi-Fi 的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信, 由于二者通信帶寬差別較大, 信號(hào)模擬的方式并不適用. 本小節(jié)介紹基于細(xì)粒度的符號(hào)級(jí)特征的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù), 主要包括符號(hào)構(gòu)造和交叉解碼兩種機(jī)制.

　　符號(hào)構(gòu)造機(jī)制. 基于符號(hào)構(gòu)造的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)的思想為: 首先, 分析信號(hào)在異構(gòu)設(shè)備端產(chǎn)生的可以被識(shí)別的特征, 如 ZigBee 設(shè)備發(fā)送特殊的字符時(shí), 其信號(hào)在 Wi-Fi 設(shè)備端可以產(chǎn)生持續(xù)的相位特征; 然后, 基于分析得到的特征, 發(fā)送端通過(guò)符號(hào)編碼方式, 控制有效載荷的內(nèi)容, 使得發(fā)送端調(diào)制的信號(hào)可以在異構(gòu)接收端產(chǎn)生易于被檢測(cè)識(shí)別的特征, 從而被接收端成功解調(diào). 例如, 利用基于符號(hào)構(gòu)造的方式實(shí)現(xiàn)從 ZigBee 到 Wi-Fi 的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信系統(tǒng), 如圖 5(a) 所示. 通過(guò)觀測(cè) ZigBee 信號(hào)在 Wi-Fi 設(shè)備端產(chǎn)生的特點(diǎn), 發(fā)現(xiàn) ZigBee 設(shè)備在發(fā)送符號(hào) “EF” 和 “67” 的時(shí)候, 其信號(hào)在 Wi-Fi 接收端會(huì)產(chǎn)生一段持續(xù)穩(wěn)定的相位, 分別為 +4π/5 和 ?4π/5, 這兩組符號(hào)產(chǎn)生的穩(wěn)定相位差達(dá)到 8π/5, 是所有可能出現(xiàn)的相位差中的最大值. 盡管 Wi-Fi 設(shè)備不能解碼 ZigBee 設(shè)備發(fā)出的信號(hào), 但其容易檢測(cè)到持續(xù)出現(xiàn)的穩(wěn)定相位信息, 因此, 兩種特殊的相位信息可用于代表由 ZigBee 發(fā)送給 Wi-Fi 設(shè)備的 0/1 比特. 對(duì)于 ZigBee 發(fā)送端, 通過(guò)控制有效載荷部分, 將待發(fā)送的比特信息轉(zhuǎn)換為 (6,

　　7) 或 (E, F) 完成編碼, 由于一個(gè) ZigBee 符號(hào)為 4 位比特, 兩個(gè)符號(hào)組合可以表示為一個(gè)字節(jié), 因此 ZigBee 發(fā)送端將發(fā)送的比特信息嵌入到一個(gè)字節(jié)中, 其理論吞吐量為 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的 1/8. 對(duì)于 Wi-Fi 接收端, 在空閑監(jiān)聽機(jī)制下, 只需要檢測(cè)相位的正負(fù)即可解碼相應(yīng)的比特. 由于通過(guò)符號(hào)構(gòu)造, 0/1 比特對(duì)應(yīng)的相位分別為 +4π/5 和 ?4π/5, 因此允許存在一定的誤差, 通過(guò)設(shè)定閾值, 可以有效降低噪聲的干擾, 進(jìn)一步提高異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的可靠性.

　　交叉解碼機(jī)制. 在接收端基于交叉解碼的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信將相對(duì)復(fù)雜的調(diào)制工作置于接收端. 其設(shè)計(jì)思想為, 如圖 5(b) 所示, 發(fā)送端發(fā)送正常的無(wú)線信號(hào), 接收端先將接收到的信號(hào)解調(diào)得到初步的比特信息, 然后以發(fā)送端符號(hào)為單位進(jìn)行交叉解碼, 得到發(fā)送端原本發(fā)送的消息. 交叉解碼方法的可行性在于, 通過(guò)對(duì)接收端比特流的觀察, 發(fā)現(xiàn)其中能夠反映出一些所解調(diào)信號(hào)的內(nèi)在特征, 比如振幅、頻率、相位等. 與利用信號(hào)模擬的方式相同, 交叉解碼機(jī)制將復(fù)雜的工作置于能力較強(qiáng)的設(shè)備端, 發(fā)送端和接收端都不需要進(jìn)行硬件的修改, 因此很容易部署到已有的大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備. 例如, 基于交叉解碼的方式實(shí)現(xiàn) ZigBee 到藍(lán)牙的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信. 由于藍(lán)牙和 ZigBee 在調(diào)制方式上具有相似性, 分別采用偏移四相相移鍵控 (OQPSK) 和高斯頻移鍵控 (GFSK) 進(jìn)行調(diào)制, 而頻移和相移可以互相轉(zhuǎn)化, 因此藍(lán)牙設(shè)備可以把 ZigBee 信號(hào)解調(diào)成對(duì)應(yīng)比特序列, 但由于藍(lán)牙帶寬為 ZigBee 帶寬的一半, 藍(lán)牙設(shè)備將兩個(gè)碼元對(duì)應(yīng)的的 ZigBee 信號(hào)解調(diào)得到一個(gè)碼元. 通過(guò)分析采樣偏移與相移的關(guān)系, 可以得到 ZigBee 符號(hào)與藍(lán)牙解碼得到的比特序列的映射關(guān)系, 因此通過(guò)交叉解碼校正, 可以成功得到發(fā)送端發(fā)送的信息.

　　3.4 小結(jié)

　　本節(jié)分別詳細(xì)介紹了異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的關(guān)鍵技術(shù): 數(shù)據(jù)包級(jí)、信號(hào)級(jí)和符號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù). 由于數(shù)據(jù)包級(jí)的特征可以較普遍地被異構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備感知, 數(shù)據(jù)包級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)很容易建立起雙向的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信, 但由于一個(gè)數(shù)據(jù)包的持續(xù)時(shí)間一般在毫秒級(jí)別, 其吞吐量受到一定的限制. 信號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)通過(guò)在發(fā)送端模擬接收端可識(shí)別的信號(hào), 實(shí)現(xiàn)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信, 其數(shù)據(jù)傳輸速率理論上可以達(dá)到原無(wú)線通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn). 但信號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信要求發(fā)送端設(shè)備的整體能力強(qiáng)于接收端, 不適用于性能較弱的發(fā)送端. 符號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)利用細(xì)粒度的符號(hào)特征進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸, 可以實(shí)現(xiàn)弱發(fā)送端到強(qiáng)接收端的較高速率的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信.

　　表 2 對(duì)這 3 類異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的性能進(jìn)行了總結(jié)和對(duì)比. 從該表可以看出, 在數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜利用率方面, 數(shù)據(jù)包級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信小于信號(hào)級(jí)和符號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信, 這是因?yàn)閿?shù)據(jù)包級(jí)異構(gòu)直聯(lián)采用粗粒度的數(shù)據(jù)包級(jí)的特征進(jìn)行信息調(diào)制, 根據(jù)香農(nóng)定理, 信號(hào)級(jí)和符號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)的理論吞吐量更高; 在并行傳輸方面, 數(shù)據(jù)包級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信不支持并行傳輸; 在雙向通信方面, 由于數(shù)據(jù)包級(jí)的特征普遍存在于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中, 而信號(hào)級(jí)和符號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信需要根據(jù)不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采取特定的策略, 因此數(shù)據(jù)包級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信更具有普適性, 更容易制定雙向?qū)ΨQ的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信機(jī)制. 在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中, 研究人員可以根據(jù)具體的無(wú)線通信設(shè)備和不同的應(yīng)用需求, 采取相應(yīng)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)。

　　4 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)的應(yīng)用示例

　　異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的實(shí)現(xiàn)不僅為打破異構(gòu)設(shè)備間的通信壁壘提供了機(jī)遇, 也為整合不同協(xié)議的優(yōu)勢(shì), 改善現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用提供了新的思路. 例如, 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)為降低能耗提供了新的機(jī)遇: 不同的無(wú)線通信設(shè)備的功耗差別很大, 一般情況下, Wi-Fi 設(shè)備的最大傳輸功率為 100 dBm, 而 ZigBee 設(shè)備的最大傳輸功率為 0 dBm. 通過(guò)利用異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù), 可以在能耗較高的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中嵌入能耗較低的異構(gòu)通信模塊, 使得高能耗設(shè)備的部分不必要的耗能工作交給低功耗的異構(gòu)模塊. 如對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用中廣泛使用的 Wi-Fi 模塊, 在掃描狀態(tài)、待機(jī)模式、喚醒后連接 Wi-Fi AP 時(shí), 它不進(jìn)行任何實(shí)際的通信, 但仍處于活動(dòng)狀態(tài)且消耗能量. 因此可以使用異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù), 將 Wi-Fi 模塊的部分操作委托給一個(gè)低功率的 ZigBee 模塊. 當(dāng)沒有數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收時(shí), Wi-Fi 模塊將被關(guān)閉, 而 ZigBee 模塊負(fù)責(zé)掃描網(wǎng)絡(luò), 并在檢測(cè)到 Wi-Fi AP 或 AP 欲將與設(shè)備通信時(shí)喚醒 Wi-Fi 模塊. 通過(guò)這樣一個(gè) Wi-Fi-ZigBee 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信方案, 可以有效地減少 Wi-Fi 模塊的能耗, 提高移動(dòng)應(yīng)用的性能.

　　此外, 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)打破了原有技術(shù)的一些固有限制, 為異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備共存場(chǎng)景下的信道協(xié)調(diào)、減少異構(gòu)設(shè)備間的通信干擾, 以及異構(gòu)設(shè)備數(shù)據(jù)的收集提供了解決方案. 本節(jié)詳細(xì)介紹異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)在這方面的應(yīng)用.

　　4.1 基于異構(gòu)共融的抗干擾協(xié)調(diào)

　　為了避免或消除設(shè)備間的相互干擾, 現(xiàn)行的無(wú)線局域網(wǎng)通用標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.11 采用了載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)/沖突避免的爭(zhēng)用型頻譜訪問(wèn)控制協(xié)議. 此外, IEEE 802.11 還設(shè)計(jì)了請(qǐng)求發(fā)送/清除發(fā)送協(xié)議 (request to send/clear to send, RTS/CTS) 用以減少隱藏節(jié)點(diǎn)所造成的干擾影響. 低速率無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.15.4 中采用了直接序列展頻技術(shù). 該技術(shù)使用多個(gè)碼片來(lái)表示一位 0 或 1 信息, 把原來(lái)較窄頻轉(zhuǎn)化為具有較寬頻的低功率頻率, 從而增加抗干擾能力. 藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中則采用了跳頻技術(shù). 采用該技術(shù)的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備按照預(yù)先設(shè)定的一組頻段進(jìn)行跳變, 并在相應(yīng)的頻段上傳送訊號(hào). 跳頻技術(shù)有效避免了設(shè)備間在同一頻段上的沖突, 從而改善無(wú)線鏈路的傳輸質(zhì)量并降低干擾. 然而傳統(tǒng)的抗干擾協(xié)調(diào)機(jī)制往往針對(duì)同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì), 并不適用于多種設(shè)備共存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò).

　　相比于傳統(tǒng)的單頻段單協(xié)議方案, 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)在頻譜的利用上體現(xiàn)出極高的靈活性. 該技術(shù)通過(guò)感知其所在環(huán)境的頻譜使用情況, 充分利用空閑頻段, 從而在提高頻譜利用率的同時(shí)避免了設(shè)備間的干擾 [24～29] . 機(jī)會(huì)式和覆蓋式頻譜共享是認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)中兩種高效利用頻譜的方式 [30～34] . Luo 等 [32] 指出在下墊式頻譜共享中, 次級(jí)用戶的傳輸功率需被嚴(yán)格限制在干擾傳輸功率下, 以保護(hù)主用戶的傳輸質(zhì)量. 在干擾消除方面, 華盛頓大學(xué) (University of Washington) 的 Halperin 等 [35] 提出的干擾消除信號(hào)處理技術(shù)使單個(gè)接收器能夠區(qū)分并成功接收來(lái)自多個(gè)非同步信號(hào)源的并發(fā)信號(hào). 對(duì)于異構(gòu)設(shè)備間的信道協(xié)調(diào), 研究人員提出了多種被動(dòng)信道協(xié)調(diào)方案[36～41] , 通過(guò)間接的頻譜感知、掃描等方法來(lái)預(yù)測(cè)估計(jì)共享頻譜上各種設(shè)備的信道使用信息, 根據(jù)信道狀態(tài)來(lái)調(diào)整傳輸策略. 例如根據(jù)采樣的信號(hào)強(qiáng)度指示 (RSSI) , 估計(jì)突發(fā) Wi-Fi 流量并預(yù)留可用空白區(qū)域 [38] . 然而, 這些都是利用干擾避免或者從干擾中恢復(fù)信號(hào)的思路, 沒有在占用信道前進(jìn)行通信協(xié)商 [42, 43] .

　　異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)打破了異構(gòu)設(shè)備間的通信壁壘, 使得異構(gòu)設(shè)備間具有直接溝通的能力.而異構(gòu)設(shè)備間溝通能力的獲得, 使其不僅僅局限于通過(guò)感知周邊信道環(huán)境來(lái)被動(dòng)的協(xié)調(diào)設(shè)備間的信道使用, 而是可以主動(dòng)的協(xié)商信道使用方案. 基于信道模型被動(dòng)獲取的信道環(huán)境信息以及異構(gòu)直聯(lián)主動(dòng)獲取的信道協(xié)調(diào)需求, 可以構(gòu)建如圖 6(b) 所示的基于異構(gòu)共融的抗干擾協(xié)調(diào)機(jī)制. 在如圖 6(a) 所示的 Wi-Fi 和 ZigBee 設(shè)備共存的場(chǎng)景中, 利用異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)可以建立異構(gòu)設(shè)備間的請(qǐng)求發(fā)送/清除發(fā)送 (RTS/CTS) 機(jī)制. 一方面, RTS/CTS 機(jī)制可以通過(guò)設(shè)置閾值有效地解決信道使用碎片化的問(wèn)題. 另一方面, 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)使 RTS/CTS 機(jī)制不僅僅局限于 Wi-Fi 設(shè)備之間. 異構(gòu)設(shè)備間的 RTS/CTS 機(jī)制可以幫助 Wi-Fi 和 ZigBee 設(shè)備高效地協(xié)商信道使用從而有效避免設(shè)備間干擾.

　　如圖 6(b) 所示, Wi-Fi 設(shè)備發(fā)送異構(gòu)直聯(lián) CTS (圖中以 CT-CTS 標(biāo)示) 請(qǐng)求使用一段時(shí)間的信道, 該段空閑信道將被賦予周圍的 ZigBee 設(shè)備使用. 這是由于 Wi-Fi 發(fā)送的 CT-CTS 本身可被圖中的 Wi-Fi 設(shè)備接收, 這些背景 Wi-Fi 設(shè)備在接收到 CT-CTS 將會(huì)空出信道. 而 CT-CTS 又可被 ZigBee 設(shè)備解碼, 因而 ZigBee 設(shè)備得知該空閑信道將被賦予自身使用. 異構(gòu)直聯(lián) CTS 技術(shù)可以有效地避免 Wi-Fi 和 ZigBee 設(shè)備之間因相互搶占信道造成的干擾, 使異構(gòu)設(shè)備高效地共享頻譜資源.

　　4.2 基于異構(gòu)共融的全局協(xié)調(diào)

　　Wi-Fi 和藍(lán)牙設(shè)備的媒體訪問(wèn)控制層 (media access control, MAC) 分別采用載波偵聽多路訪問(wèn) (CSMA) 和時(shí)分多址接入 (time division multiple access, TDMA) 方案. ZigBee 設(shè)備可以使用這兩種方案來(lái)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò). 然而, 基于 CSMA 的方案可能會(huì)以隨機(jī)時(shí)間延遲異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信數(shù)據(jù)包的傳輸, 基于 TDMA 的方案只在一個(gè)固定的時(shí)隙接收數(shù)據(jù)包. 此外, 不同設(shè)備之間的時(shí)鐘漂移使得藍(lán)牙和 ZigBee 等低占空比設(shè)備更不容易接收到異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的數(shù)據(jù)包. 考慮到這些因素, 如何設(shè)計(jì)一個(gè)異構(gòu) MAC 方案, 在保證網(wǎng)絡(luò)性能的情況下, 使 Wi-Fi 節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包能夠成功被 ZigBee 和藍(lán)牙設(shè)備接收是一個(gè)關(guān)鍵而又困難的問(wèn)題.

　　為此, 本文提出了一種統(tǒng)一的媒體訪問(wèn)控制 (MAC) 方法, 實(shí)現(xiàn)了全局協(xié)調(diào)異構(gòu)設(shè)備進(jìn)行信息傳輸和接收, 從而很大提高了通信效率. 具體地, 如圖 6(c) 所示, 該方案設(shè)計(jì)了 CT – 信標(biāo) (cross technology Beacon, CT-Beacon) 用來(lái)協(xié)調(diào)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信消息的傳輸和接收. 對(duì)于 Wi-Fi 發(fā)送器和 ZigBee, BLE 接收器, 通過(guò)設(shè)置信息發(fā)送和接收窗口, 使得異構(gòu)的設(shè)備在這些窗口內(nèi)進(jìn)行異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信消息的傳輸和接收. 通過(guò)周期性的接收 CT – 信標(biāo)并相應(yīng)地調(diào)整接收窗口的開始時(shí)間, 可以大大降低由于數(shù)據(jù)包延遲或時(shí)鐘漂移而導(dǎo)致的接收端錯(cuò)過(guò)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信消息的概率. 并且該方案不會(huì)給異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)顯著的帶寬和能量開銷.

　　對(duì)于 CT – 信標(biāo), 通過(guò)設(shè)計(jì)其數(shù)據(jù)包的格式, 可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備的全局同步和協(xié)調(diào). 如圖 6(d) 所示, 第 1 個(gè)字節(jié)表示協(xié)調(diào)器的 ID 號(hào), 該協(xié)調(diào)器可以與 ZigBee、藍(lán)牙和其他 Wi-Fi 設(shè)備通信. 第 2 個(gè)字節(jié)表示 CT – 信標(biāo)間隔 (單位是 ms), 最大 CT – 信標(biāo)間隔是 127 ms. 第 3 個(gè)字節(jié)用于表示傳輸窗口長(zhǎng)度 (單位是 100 μs), 最大傳輸窗口是 12.7 ms. 后面的兩個(gè)字節(jié)用于特定的應(yīng)用程序. 例如, 一個(gè)字節(jié)用于設(shè)置全局同步的間隔; 1 位用于抗異構(gòu)干擾協(xié)調(diào), 7 位保留為未來(lái)使用. 最后是 4 字節(jié)的 CRC, 用于保證 CT – 信標(biāo)的可靠傳輸.

　　當(dāng)進(jìn)行全局同步時(shí), 可以在 CT – 信標(biāo)中設(shè)置時(shí)間戳, 并將同步消息置于 CT – 信標(biāo)后. 當(dāng)進(jìn)行全局抗異構(gòu)干擾協(xié)調(diào)時(shí), Wi-Fi 協(xié)調(diào)器向 Wi-Fi、ZigBee 和藍(lán)牙設(shè)備發(fā)送一個(gè)全局 CTS 數(shù)據(jù)包, 以保留一段無(wú) Wi-Fi 干擾的空白空間, 該協(xié)調(diào)信息在 CT – 信標(biāo)之后發(fā)送. 設(shè)備可以通過(guò)比特 b5,0 判斷有無(wú)可用的無(wú) Wi-Fi 干擾通道, 如圖 6(d) 所示. 若 b5,0 = 0, 則 CT – 信標(biāo)后沒有無(wú) Wi-Fi 干擾周期, 因此 ZigBee 和藍(lán)牙設(shè)備可轉(zhuǎn)為休眠模式以節(jié)約能耗. 若 b5,0 = 1, 則將發(fā)送一個(gè)抗異構(gòu)干擾協(xié)調(diào)的數(shù)據(jù)包, 該數(shù)據(jù)包包含一個(gè) CTS 消息以及信道保留消息. 一旦其他 Wi-Fi 節(jié)點(diǎn)接收到 CTS, 它們將在 CTS 指定的一段時(shí)間內(nèi)停止訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò). 而 Zigbee 和藍(lán)牙設(shè)備將使用保留的空間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.

　　本文對(duì) ISM 頻段中采用不同通信協(xié)議的主流物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備: Wi-Fi、ZigBee 和藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行全局協(xié)調(diào)的實(shí)驗(yàn)以及評(píng)估. 對(duì)于全局時(shí)間同步, 本文使用 Wi-Fi 設(shè)備作為協(xié)調(diào)器來(lái)傳輸異構(gòu)直聯(lián)通信消息進(jìn)行異構(gòu)設(shè)備間的時(shí)間同步. 如圖 7 所示, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 基于 CT – 信標(biāo)的統(tǒng)一媒體訪問(wèn)控制方案使得異構(gòu)設(shè)備平均時(shí)間同步誤差在 0.2 ms 以內(nèi). 與采用傳統(tǒng)的媒體訪問(wèn)控制方案 Crocs[9] 相比, 時(shí)間同步誤差減少到十三分之一. 對(duì)于全局的抗異構(gòu)干擾信道協(xié)調(diào), 數(shù)據(jù)包平均時(shí)延降低到九分之一. 通過(guò)統(tǒng)一 的媒體訪問(wèn)控制方案, 低功耗的 ZigBee 和藍(lán)牙設(shè)備更容易檢測(cè)到?jīng)]有被 Wi-Fi 設(shè)備占用的空閑信道, 從而增加了信道資源的利用率.

　　4.3 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的收集

　　基于異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù), 可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備數(shù)據(jù)的直接收集, 而不需要經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)等中間設(shè)備. 例如, 使用一個(gè) Wi-Fi 網(wǎng)卡直接收集來(lái)自異構(gòu)設(shè)備的數(shù)據(jù).

　　當(dāng)異構(gòu)設(shè)備的數(shù)據(jù)包與正在傳輸中的 Wi-Fi 數(shù)據(jù)包碰撞后, 經(jīng)過(guò) Wi-Fi 接收端的解調(diào), 異構(gòu)的數(shù)據(jù)包內(nèi)容仍然存在. 經(jīng)過(guò)波形重建和解碼等過(guò)程, 可以重新獲取相應(yīng)的異構(gòu)數(shù)據(jù)包內(nèi)容. 具體地, 該技術(shù)將 Wi-Fi 網(wǎng)卡解調(diào)得到的數(shù)據(jù)作為輸入, 經(jīng)過(guò)編碼比特重建和子載波映射, 可以得到相應(yīng)的頻域數(shù)據(jù), 然后通過(guò)反傅里葉變換, 可以成功得到對(duì)應(yīng)的時(shí)域波形. 由于 Wi-Fi 網(wǎng)卡的解調(diào)過(guò)程中丟棄奇偶校驗(yàn)碼和循環(huán)前綴部分, 重建的波形會(huì)丟失一少部分波形片段. 基于波形丟失的位置特點(diǎn), 可以分別在符號(hào)層面和碼元層面調(diào)整相應(yīng)的解碼策略, 從而得到正確的數(shù)據(jù)包. 整個(gè)過(guò)程中沒有修改 Wi-Fi 網(wǎng)卡的硬件部分, 因此兼容現(xiàn)有的 Wi-Fi 商用網(wǎng)卡, 并且該技術(shù)可以重建多種不同協(xié)議的波形, 具有普適性. 該技術(shù)使得 Wi-Fi 設(shè)備可以同時(shí)接收并解碼來(lái)自多個(gè)不同的異構(gòu)設(shè)備的數(shù)據(jù)包, 很大提升了從異構(gòu)設(shè)備收集數(shù)據(jù)包的效率.

　　5 總結(jié)與展望

　　異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)相比于傳統(tǒng)的利用網(wǎng)關(guān)進(jìn)行異構(gòu)設(shè)備間間接的通信, 其在減少硬件開銷和加快應(yīng)用部署等方面有很大的優(yōu)勢(shì). 本文從數(shù)據(jù)包級(jí)、信號(hào)級(jí)、符號(hào)級(jí) 3 個(gè)層面分析和探討了異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信關(guān)鍵技術(shù)和解決方案. 數(shù)據(jù)包級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信利用數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度、能量水平, 以及序列特征等數(shù)據(jù)包信息進(jìn)行調(diào)制, 很容易實(shí)現(xiàn)雙向的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信. 信號(hào)級(jí)和符號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信通過(guò)信號(hào)模擬、交叉解碼等方式直接生成或者解碼異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的物理層符號(hào), 其數(shù)據(jù)傳輸速率理論上可以達(dá)到原無(wú)線通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn). 然而, 目前異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信還有若干關(guān)鍵技術(shù)亟待研究.

　　一是各層異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信協(xié)議的配合. 要將異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)真正應(yīng)用在某一個(gè)場(chǎng)景中, 除了本文介紹的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù), 還需要上層包括鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等相應(yīng)協(xié)議的改進(jìn)與支持, 各層協(xié)議間相互配合才能使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系及應(yīng)用系統(tǒng)更加靈活高效 [44] . 例如, 傳統(tǒng)的鏈路層采用接收信號(hào)強(qiáng)度指示 (RSSI) 和信噪比 (signal noise ratio, SNR) 對(duì)鏈路質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè), 但由于異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信雙方的協(xié)議存在差異, 這些衡量指標(biāo)不再適用, 為此需要研究鏈路層跟蹤信道狀態(tài)、檢測(cè)鏈路質(zhì)量的新方案 [45] . 基于物理層的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信特點(diǎn), 調(diào)整上層通信協(xié)議, 從而達(dá)到較好的應(yīng)用性能, 是未來(lái)研究需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題.

　　二是通信安全. 雖然異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來(lái)了新思路, 但是不可避免地, 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信也會(huì)帶來(lái)通信安全方面的問(wèn)題. 例如, 數(shù)據(jù)包級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信對(duì)于信道中的能量信息比較敏感, 當(dāng)對(duì)其進(jìn)行干擾攻擊時(shí), 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的可靠性會(huì)大大降低 [46, 47] . 另外, 當(dāng) ZigBee 設(shè)備與 Wi-Fi AP 通過(guò)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)進(jìn)行通信的時(shí)候, ZigBee 設(shè)備更容易受到遠(yuǎn)程攻擊. 由此, 隨著異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)越來(lái)越成熟, 通信安全方面的研究需求也更加迫切.