異構物聯網直聯通信關鍵技術

　　摘要 隨著物聯網技術的快速發展, 不同應用在通信范圍、能耗、時延等方面的需求推動各種無線通信技術的產生. 由于無線通信技術的多樣性, 異構設備間存在通信壁壘不能進行直接通信. 由于信息交互能力的缺失, 廣泛部署的異構物聯網設備相互競爭頻譜資源并導致通信干擾日益嚴重. 此外, 異構設備間的通信障礙限制了信息共享和資源整合. 傳統的利用網關實現異構設備間的通信需要額外的開銷. 研究人員提出了不需要網關設備進行協議間轉換的異構物聯網直聯通信技術, 使得異構設備能夠進行直接通信. 本文首先分析和總結異構物聯網直聯通信技術的研究現狀; 在此基礎上, 提出了實現異構物聯網直聯通信的關鍵技術: 數據包級、信號級和符號級的異構物聯網直聯通信技術; 之后, 介紹了所提相關技術在異構物聯網設備共存場景下的抗干擾協調應用; 最后, 總結全文并展望了異構物聯網直聯通信技術的未來發展方向.

　　關鍵詞 物聯網, 無線網絡, 異構物聯網直聯通信, 無線通信協議, 數字調制

　　曹東江1 , 王帥1* , 熊潤群1 , 劉云淮2 , 羅軍舟1 , 何田1*中國科學 : 信息科學 2021 年 第 51 卷

　　1 引言

　　近年來, 物聯網技術不斷成熟, 其應用已經滲透到生活的方方面面, 在智能家居、智慧交通、環境監測、智能制造等方面發揮著重要作用. 物聯網的蓬勃發展離不開包括 LTE、Wi-Fi、ZigBee、藍牙等眾多異構通信技術的支撐 [1] . 在物聯網構架中, 提出眾多異構技術, 是為了適應動態復雜的環境以及滿足不同場景在通信范圍、吞吐量、可靠性、時延和能耗等方面的應用需求 [2] . 這些異構物聯網通信技術在各自的應用領域獲得了巨大的成功.

　　然而, 隨著物聯網的快速發展和廣泛應用, 越來越多的異構設備共存于同一場景, 共享同一頻段. 統計機構 Gartner 發布的數據顯示, 截止 2020 年年底全球將有約 200 億的物聯網設備1) , 其中大量的物聯網設備共享 ISM (industrial scientific medical) 頻段, 使得頻譜資源愈發緊張. 由于異構設備間的通信壁壘, 對周圍設備的認知缺失, 導致異構設備不僅不能共融互惠, 反而相互競爭通信頻段, 造成異構干擾 (cross-technology interference, CTI) [3, 4] . 例如, 共存于 2.4 GHz 頻段的 Wi-Fi 和 ZigBee 設備在同時發送數據包時, 相互干擾彼此的信息傳輸, 導致通信效率急劇下降 [5, 6] . 另一方面, 不同的通信協議有各自的優勢與不足. 如 Wi-Fi 技術具備傳輸效率高的特點, 但功耗較高. ZigBee 技術能耗小但傳輸速率低. 有效整合不同協議的優勢以提高頻譜資源的利用率以及無線通信的效率成為物聯網領域的一個研究方向.

　　針對以上物聯網發展趨勢, 越來越多的研究人員開始關注使用不同協議的設備之間通信機制的建立 [7, 8] , 即異構物聯網直聯通信. 異構物聯網直聯通信 (cross-technology communication, CTC) 指通過特殊的信息調制方式使采用不同通信協議的異構物聯網設備實現直接通信, 該技術不需要額外的網關設備進行通信協議間的轉化. 如圖 1 所示, 在整個物聯網體系中, 異構物聯網直聯通信技術使得網絡構建更加靈活. 傳統的通信技術只能使同構設備之間進行直接通信, 異構物聯網直聯通信技術打破了異構設備間的通信壁壘, 使得異構的設備之間互聯互通, 從而可以整合不同協議的優勢, 使異構設備相互協作 [9] . 此外, 與基于網關的異構設備間通信相比, 異構物聯網直聯通信技術減少了額外的硬件開銷和通信時延, 使得異構設備可以通過協商使用共享的頻譜資源, 避免信道競爭帶來的數據傳輸沖突, 提升通信性能 [10, 11] .

　　實現異構物聯網直聯通信, 也需要克服一些挑戰. 首先, 異構物聯網直聯通信的發送端與接收端設備需要共享同一頻段, 頻譜資源的共享雖然導致了異構設備之間的互相競爭與干擾, 但也為異構設備間直接通信提供了機會. 其次, 異構的物聯網設備采用不同的底層協議標準, 如 Wi-Fi 采用 IEEE 802.11 標準, ZigBee 采用 IEEE 802.15.4 標準, 不同標準所規定的調制解調方案不同, 物聯網設備無法正確解調異構設備的數據包, 因此, 需要制定特殊的調制解調方案克服異構設備間不兼容的底層標準. 最后, 為了不影響物聯網設備的正常通信, 以及加快相應技術的部署應用, 異構物聯網直聯通信技術要求通信機制對于硬件是透明的, 即不修改現有的硬件設施.

　　基于上述背景, 本文首先分析和總結異構物聯網直聯通信技術的研究現狀; 在此基礎上, 提出了實現異構物聯網直聯通信的關鍵技術: 數據包級、信號級和符號級的異構物聯網直聯通信技術; 之后, 介紹了所提相關技術在異構物聯網設備共存場景下的抗干擾協調應用; 最后, 總結全文并展望了異構物聯網直聯通信技術的未來發展方向.

　　2 研究現狀

　　2.1 基于網關的異構通信

　　傳統上, 異構無線設備之間進行通信時, 需要借助網關設備進行協議的轉換 [12] . 然而, 異構設備利用網關進行間接通信存在固有的局限性. 首先, 利用網關會帶來額外的硬件開銷和部署任務, 這增加了異構設備間進行通信的成本. 其次, 基于網關的方案會產生大量經過網關的流量開銷, 這進一步加劇了干擾, 并且容易導致由于網關節點壓力過大造成單點故障. 第三, 網關必須提前部署, 這使得移動和臨時的場景下, 異構設備通信變得困難. 第四, 由于引入了網關設備, 異構設備間端到端通信的時延增加, 進一步影響了網絡性能 [13] . 網關方案固有的局限使得該方案在某些場景下難以適用, 為此, 研究人員嘗試構建免網關的異構物聯網直聯通信.

　　2.2 免網關的異構物聯網直聯通信

　　由于具有不兼容的物理層, 異構無線設備無法相互解調彼此的信號, 然而設備能夠通過信道感知的方法探測到信道中來自其他異構設備的數據包. 數據包在傳輸過程中表現為一段持續的高能量信號, 異構物聯網直聯通信的接收端可以通過感知并采樣信道上的能量獲取數據包的長度、能量和序列等特征 [14, 15] . 據此, 研究人員利用數據包的不同特征進行信息的調制, 從而實現免網關的異構物聯網直聯通信, 如圖 2 所示, 已有異構物聯網直聯通信研究所利用的數據包的特征有: 數據包長度、數據包能量水平和能量包絡、數據包的信號特征等. 表 1 [8, 14, 16～23] 總結了現有基于數據包特征的異構物聯網直聯通信技術研究.

　　利用數據包長度進行調制. 數據包長度是無線數據包的共有特征. 如圖 2(a) 所示, 數據包在傳輸過程中表現為一段持續的高能量信號, 數據包長度可由信號持續的時長衡量, 異構物聯網直聯通信的接收端可以通過感知并采樣信道上的能量判斷數據包長度. 基于數據包長度的異構物聯網直聯通信要求發送端和接收端遵循同一套定義了數據包長度與傳輸信息對應關系的映射表. 異構物聯網直聯通信時, 依據映射表, 發射端選擇合適的數據包持續時間來調制信息, 接收端通過查表解碼出對應信息. 利用數據包長度調制異構直聯信息的思想簡單且相對通用, 為利用數據包實現異構物聯網直聯通信開拓了思路, 但它也存在一些問題. 除了用于異構物聯網直聯通信的數據包, 接收端也會感知到正常通信的數據包, 它們不存在明顯差異, 接收端設備很難將它們區分開, 因此異構物聯網直聯通信容易受到正常通信的干擾. 為讓接收端正確識別數據包, Chebrolu 等 [16] 提出的解決方案是在數據包長度選擇上主動區分: 統計正常通信中數據包長度的頻率分布, 選擇出現頻率低于閾值的長度用于異構物聯網直聯通信. 在這種方法中, 閾值設定得越低, 異構物聯網直聯通信的抗干擾能力就越強, 但可選的數據包長度范圍減小, 通信效率降低. 另一個問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據包長度的選擇范圍.

　　利用數據包能量水平進行調制. 可用于異構物聯網直聯通信的數據包特征還有能量水平. 已有工作中將能量水平用于信息調制的方法主要有 3 種: 多能級、能量變化、能量包絡和能量間隔. 如圖 2(b) 所示, 多能級的調制方法是將固定水平的能量與特定的比特信息相對應, 接收端感知能量水平后即可通過異構物聯網直聯通信協議預設的映射關系進行解調. 這種方法會受到信道中環境噪聲的干擾, 為此, Guo 等 [19] 設計的 WiZig 根據信道條件, 動態、自適應地調整調制策略 (包括控制能量水平及接收窗口大小), 提升了環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制異構物聯網直聯通信的 0/1 比特[19] , 可以避免單一數據包狀態的不可靠性, 對噪聲具有一定的抗干擾能力. 而且, 直接調制 0/1 比特能夠減少接收端的解調步驟, 同時節省協議因信息映射占用的設備內存. 數據包組合成的能量包絡, 是數據包能量水平的另一個重要特征. 如圖 2(d) 所示, 利用此特征的異構物聯網直聯通信技術不是利用單個數據包的特殊能量水平進行調制解調, 而是對數據包組的能量包絡進行調制, 使其具有更強的抗隨機噪聲的能力. Chi 等 [14] 設計的 B2W2 將能量包絡模擬成離散正弦波, 通過正弦波的不同頻率調制異構直聯信息. Zhang 等 [23] 在數據包前加入特定的前導碼, 前導碼對應多個能量脈沖, 利用能量脈沖之間的間隔進行信息調制, 但實現該方案需要修改硬件, 限制了其在現有商用設備上的部署.

　　利用數據包信號特征進行調制. 雖然基于數據包長度和能量水平的調制方法在異構物聯網直聯通信中較為適用, 但也容易受到其他無線數據包的干擾. 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據包的特殊信號特征構建異構物聯網直聯通信, 其中典型的信號特征包括: 信道狀態信息 (channel state information, CSI) 和載波頻偏 (carrier frequency offset, CFO). 在無線通信中, 信道狀態信息指通信鏈路的信道屬性, 它描述信號在每條信道上傳輸所受到的影響. 信道狀態信息包含在 Wi-Fi 數據包的前導碼中, Wi-Fi 接收端可以根據信道狀態信息值來計算出不同子載波上的相位與幅度信息. 由于信道狀態信息 (CSI) 比接收信號強度 (received signal strength, RSS) 更容易獲取并且精確度高, 因此利用信道狀態信息進行異構物聯網直聯通信具有更強的魯棒性. 信道狀態信息可被用于實現非 Wi-Fi 協議的無線通信技術 (如 ZigBee、藍牙) 到 Wi-Fi 的異構物聯網直聯通信. 如圖 2(e) 所示, Wi-Fi 與其他協議發生信道重疊后, Wi-Fi 數據包前導碼中的信道狀態信息會產生明顯變化. 于是, 依據信道狀態信息, 正常與受到干擾的數據包即可被分別解調為異構直聯信息的 0/1 比特 [21] . 在運用信道狀態信息建立異構物聯網直聯通信時, 發射端需要合理選擇發射功率, 避免觸發載波偵聽多路訪問 (carrier sense multiple access, CSMA) 機制, 影響 Wi-Fi 的正常通信. 載波頻偏是無線通信中的常見現象, 無線設備的非理想本地振蕩器以及運動物體的多普勒效應都有可能導致載波頻偏. 載波頻偏也存在于諸如藍牙的調頻信號中. 研究人員觀察到無線通信能夠容忍的頻率偏移遠高于正常通信中存在的固有頻偏, 于是 Wang 等 [22] 通過調節載波頻率, 利用固有頻偏以外的冗余頻偏調制信息, 成功實現 Wi-Fi 到藍牙的異構物聯網直聯通信.

　　綜上所述, 雖然基于數據包的特征可以實現異構物聯網直聯通信, 但目前的解決方案存在較多問題: (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備; (3) 部分方案引入了額外的數據包流量開銷.

　　3 異構物聯網直聯通信技術

　　針對目前異構物聯網直聯通信技術研究現狀和存在的問題, 本節提出了異構物聯網直聯通信技術框架, 如圖 1(b), 包括數據包級的異構物聯網直聯通信技術、信號級的異構物聯網直聯通信技術和符號級的異構物聯網直聯通信技術. 數據包級的異構物聯網直聯通信利用數據包級的特征進行數據的調制, 由于數據包級的特征可以普遍地被異構的物聯網設備感知, 所以很容易建立起雙向的異構物聯網直聯通信, 但由于利用稀疏的數據包級特征進行信息的調制, 其吞吐量受到很大的限制. 信號級的異構物聯網直聯通信通過在發送端模擬接收端可識別的信號, 從而被接收端接收并解碼, 這顯著得提高了異構物聯網直聯通信的吞吐量. 但此類方法要求發送端設備的整體能力強于接收端, 因此不適用于性能較弱的發送端. 符號級的異構物聯網直聯通信利用細粒度的符號級的特征進行數據傳輸, 在提高吞吐量的同時, 適用性也進一步提高. 本節將分別詳細闡述這 3 種異構物聯網直聯通信技術細節.

　　3.1 數據包級的異構物聯網直聯通信技術

　　本小節將已有的異構物聯網直聯通信研究歸納為數據包級的異構物聯網直聯通信技術, 并提出將普通的數據幀而非信標幀作為信息的載體, 吞吐量提升的同時不需要引入額外的數據包. 數據包級的異構物聯網直聯通信技術核心思想為, 發送端依據將要發送的數據控制數據幀的時間、長度等指標, 構建相應的可被異構設備感知的特征, 接收端通過信道感知并采樣信道上的能量獲取數據包的特征信息, 從而接收相應的數據.

　　基于數據包的時域特征進行調制. 本文基于數據包的時域特征, 通過改變周期性信標幀的時間, 將信標幀的時間偏移量作為信息載體, 實現了異構物聯網直聯通信, 但由于基于數量有限的信標幀, 信道利用率和通信吞吐量仍有很大的限制. 為此, 進一步將普通的數據包而非信標幀作為信息傳輸的載體, 如圖 3(a), 利用普通的數據包時域特征進行調制, 將數據包的發送時間偏移到特定節點. 對于接收端, 通過累計一個周期內接收到的符號數量, 將整個周期中出現頻率較高的符號作為最終的解碼符號.

　　例如, 通過累計采樣的接收信號強度指示 (received signal strength indication, RSSI), 發現較高的 RSSI 值都在時間點 “1” 附近, 因此發送數據包的時間點 “1” 的頻率高于時間點 “0”, 將傳輸的信息解調為符號 “1”. 此外, 基于不同的發送周期, 接收端可以將采集到的信號進行分組解調. 因此可以實現多對一通信或者提高單路通信的傳輸速率.

　　基于數據包序列特征進行調制. 與基于單個數據包特征不同, 基于數據包序列特征的異構物聯網直聯通信將傳輸給異構設備的數據嵌入到數據包序列的分布特征中. 由于接收端需根據一組數據包的序列特征才能解調出相應的信息, 這種調制方式提高了異構物聯網直聯通信的抗干擾能力. 本文同時利用數據包的包長特征和包間間隔特征進行信息調制, 如圖 3(b), 利用短數據包 (點) 和長數據包 (線) 組合調制 0/1 比特, 將信息編碼成類似摩爾斯碼的形式. 接收端通過感知信號能量特征進行信息的接收和解碼. 基于數據包序列的特征, 不僅提高了信息傳輸的整體吞吐量, 也為提供可靠的異構物聯網直聯通信提供了方案.

　　3.2 信號級的異構物聯網直聯通信技術

　　信號級的異構物聯網直聯通信技術通過模擬異構無線通信協議相應的信號實現直接通信. 相比于利用粗粒度的數據包特征進行信息的調制, 信號級的異構物聯網直聯通信吞吐量得到很大的提升.

　　信號模擬是實現信號級異構物聯網直聯通信的主要方法, 其核心思想為, 在發送端通過控制數據包的有效載荷部分, 即模擬接收端的波形, 使得發送端的無線發射器產生能夠被異構無線設備正確接收并解調的信號. 如圖 4(a) 所示, 依據傳輸給接收端的信息所對應的物理層目標信號, 通過反向工程, 推導出可以通過發送端設備產生的最接近目標信號的數據包報文內容. 發送端發送數據包后, 有效載荷部分可以成功通過接收端的前導碼檢測, 從而被成功解調. 理論上, 基于信號模擬的異構物聯網直聯通信可以實現和接收端設備使用的無線技術同等的傳輸速率.

　　例如當實現 Wi-Fi 到 ZigBee 的異構物聯網直聯通信系統時, 在 Wi-Fi 發送端, 通過信號模擬的方式得到 Wi-Fi 幀的特殊的有效載荷, 使得有效載荷對應的射頻波形類似于 ZigBee 信號的射頻波形. 當這樣的一個 Wi-Fi 幀被射頻前端發送到信道中后, ZigBee 接收端將 Wi-Fi 幀的頭部、前導碼部分和尾部當做噪聲忽略, 而有效載荷部分將成功地通過 ZigBee 的前導碼檢測, 即被視為合法的 ZigBee 數據幀, 并在 ZigBee 接收端解調相應的有效載荷. 其中信號模擬, 即得到具體的有效載荷的過程, 則需要依據傳輸給接收端的信息所對應的物理層目標信號, 通過反傅里葉變換、逆向的正交幅度調制, 以及逆向的信道編碼等反方向流程, 推導出通過發送端設備可以產生的最接近目標信號的數據幀內容. 信號模擬存在一定程度的失真, 但 ZigBee 調制方式的冗余機制可以提升魯棒性 [6] . 發送端發送數據幀后, 有效載荷部分可以成功通過接收端的前導碼檢測, 從而被成功解調. 在整個過程中, ZigBee 接收器不能區分發送方是 ZigBee 設備還是 Wi-Fi 設備, 因此整個方案對于硬件是透明的. 當實現藍牙到 ZigBee 的異構物聯網直聯通信系統時, 利用藍牙和 ZigBee 在調制解調方式上的相似性, 可以使用相位信息進行數據調制, 在藍牙端可以模擬出被 ZigBee 接收器正確解調的信號. 此外, ZigBee 利用相位的正負進行信息調制, 這進一步增加了藍牙到 ZigBee 基于信號模擬的異構物聯網直聯通信的魯棒性.

　　信號模擬方式. 根據分析信號的角度不同, 可將信號模擬分為頻域模擬和時域模擬兩種. 頻域模擬是在頻域上模擬目標波形, 即將目標信號通過傅里葉變換轉換到頻域來映射相應的最近星座點, 這個過程由于時域到頻域的轉換會帶來一定量化誤差. 時域模擬是在時域上進行目標信號的模擬, 即在時域將目標信號的采樣點與離散的星座點映射. 這很大程度降低了量化的誤差, 甚至可以達到零誤差. 可靠的信號模擬為信號級的異構物聯網直聯通信性能打好了基礎.

　　信號模擬的誤差與修正. 雖然基于信號模擬的異構物聯網直聯通信在提高異構設備間通信吞吐量方面取得了巨大成功, 但由于異構設備不兼容的底層標準以及硬件本身的限制, 信號模擬不可避免地會帶來模擬誤差, 因此通信可靠性有待進一步提高. 本文通過分析 Wi-Fi 到 ZigBee 基于信號模擬的異構物聯網直聯通信過程, 得到其信號模擬的誤差來源, 如圖 4(b), 包括正交幅度調制時的量化誤差、循環前綴帶來的部分符號錯誤, 以及信號分割與拼接帶來的邊界誤差. 為消除量化誤差, 本文在信號模擬階段沒有按照 IEEE 802.15.4 標準所規定的符號 – 碼元映射關系, 而是采用軟映射的方式, 即根據統計得到的模擬符號的碼元概率分布, 制定新的符號到碼元映射關系. 對于循環前綴帶來的模擬錯誤和邊界誤差, 本文利用 IEEE 802.15.4 標準所規定的偽隨機序列的循環移位特點, 制定了碼元組合的編碼方式. 如圖 4(c), Wi-Fi 發送端想要通過信號模擬的方式發送符號 “0”, 則在發送端同時發送符號 “0” 循環右移 8 個碼元后的符號 (易錯段的長度為 8 個碼元), 對于此例為符號 “2”. 對于 ZigBee 接收端, 由于硬件的限制, 無法直接獲取到碼元的信息. 如圖 4(d), 經過 ZigBee 設備的初步解調, 得到符號 “0x02”, 之后通過符號組合編碼, 即將符號 “2” 循環左移 8 位后與符號 “0” 組合得到新的碼元序列, 再通過符號 – 碼元映射表, 可以將新的碼元序列成功解碼得到符號 “0”. 由此可見, 通過這種方案, 很大程度上提升了基于信號模擬的異構物聯網直聯通信可靠性, 并且沒有修改相應的硬件條件. 基于信號模擬的異構物聯網直聯通信的另一個特點是, 發送端對于不同符號的模擬能力不同, 如 Wi-Fi 發送端對不同的 ZigBee 符號有著不同的模擬精度. 由于 ZigBee 報頭中包含了重要的字段, 如同步字, 故可以利用特殊的報頭來更好地進行信號模擬, 并利用相應的特定編碼方式, 進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, 信號模擬還可以實現并行的異構物聯網直聯通信. 例如由于 Wi-Fi (20 MHz) 相比 ZigBee (2 MHz) 有更大的帶寬, 所以在一個 Wi-Fi 幀里能夠模擬兩個不同頻段的 ZigBee 幀, 多個工作在不同信道上的 ZigBee 接收器可以同時獨立地接收和解調不同的模擬的數據幀, 從而實現兩路并行的異構物聯網直聯通信, 達到兩倍的總吞吐量和更高的頻譜效率.

　　3.3 符號級的異構物聯網直聯通信技術

　　基于信號模擬的異構物聯網直聯通信在發送端生成可以直接被異構設備識別的信號, 從而極大地提高了異構物聯網直聯通信技術的吞吐量和實用性. 但是基于信號模擬的異構物聯網直聯通信技術在性能較強的發送端上才能實現, 例如 Wi-Fi 到 ZigBee 的異構物聯網直聯通信, 性能強的發送端支持復雜的調制方式為信號的模擬提供了很高的自由度. 而對于發送端能力弱的情況, 如 ZigBee 到 Wi-Fi 的異構物聯網直聯通信, 由于二者通信帶寬差別較大, 信號模擬的方式并不適用. 本小節介紹基于細粒度的符號級特征的異構物聯網直聯通信技術, 主要包括符號構造和交叉解碼兩種機制.

　　符號構造機制. 基于符號構造的異構物聯網直聯通信技術的思想為: 首先, 分析信號在異構設備端產生的可以被識別的特征, 如 ZigBee 設備發送特殊的字符時, 其信號在 Wi-Fi 設備端可以產生持續的相位特征; 然后, 基于分析得到的特征, 發送端通過符號編碼方式, 控制有效載荷的內容, 使得發送端調制的信號可以在異構接收端產生易于被檢測識別的特征, 從而被接收端成功解調. 例如, 利用基于符號構造的方式實現從 ZigBee 到 Wi-Fi 的異構物聯網直聯通信系統, 如圖 5(a) 所示. 通過觀測 ZigBee 信號在 Wi-Fi 設備端產生的特點, 發現 ZigBee 設備在發送符號 “EF” 和 “67” 的時候, 其信號在 Wi-Fi 接收端會產生一段持續穩定的相位, 分別為 +4π/5 和 ?4π/5, 這兩組符號產生的穩定相位差達到 8π/5, 是所有可能出現的相位差中的最大值. 盡管 Wi-Fi 設備不能解碼 ZigBee 設備發出的信號, 但其容易檢測到持續出現的穩定相位信息, 因此, 兩種特殊的相位信息可用于代表由 ZigBee 發送給 Wi-Fi 設備的 0/1 比特. 對于 ZigBee 發送端, 通過控制有效載荷部分, 將待發送的比特信息轉換為 (6,

　　7) 或 (E, F) 完成編碼, 由于一個 ZigBee 符號為 4 位比特, 兩個符號組合可以表示為一個字節, 因此 ZigBee 發送端將發送的比特信息嵌入到一個字節中, 其理論吞吐量為 ZigBee 標準的 1/8. 對于 Wi-Fi 接收端, 在空閑監聽機制下, 只需要檢測相位的正負即可解碼相應的比特. 由于通過符號構造, 0/1 比特對應的相位分別為 +4π/5 和 ?4π/5, 因此允許存在一定的誤差, 通過設定閾值, 可以有效降低噪聲的干擾, 進一步提高異構物聯網直聯通信的可靠性.

　　交叉解碼機制. 在接收端基于交叉解碼的異構物聯網直聯通信將相對復雜的調制工作置于接收端. 其設計思想為, 如圖 5(b) 所示, 發送端發送正常的無線信號, 接收端先將接收到的信號解調得到初步的比特信息, 然后以發送端符號為單位進行交叉解碼, 得到發送端原本發送的消息. 交叉解碼方法的可行性在于, 通過對接收端比特流的觀察, 發現其中能夠反映出一些所解調信號的內在特征, 比如振幅、頻率、相位等. 與利用信號模擬的方式相同, 交叉解碼機制將復雜的工作置于能力較強的設備端, 發送端和接收端都不需要進行硬件的修改, 因此很容易部署到已有的大量物聯網設備. 例如, 基于交叉解碼的方式實現 ZigBee 到藍牙的異構物聯網直聯通信. 由于藍牙和 ZigBee 在調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) 進行調制, 而頻移和相移可以互相轉化, 因此藍牙設備可以把 ZigBee 信號解調成對應比特序列, 但由于藍牙帶寬為 ZigBee 帶寬的一半, 藍牙設備將兩個碼元對應的的 ZigBee 信號解調得到一個碼元. 通過分析采樣偏移與相移的關系, 可以得到 ZigBee 符號與藍牙解碼得到的比特序列的映射關系, 因此通過交叉解碼校正, 可以成功得到發送端發送的信息.

　　3.4 小結

　　本節分別詳細介紹了異構物聯網直聯通信的關鍵技術: 數據包級、信號級和符號級的異構物聯網直聯通信技術. 由于數據包級的特征可以較普遍地被異構的物聯網設備感知, 數據包級的異構物聯網直聯通信技術很容易建立起雙向的異構物聯網直聯通信, 但由于一個數據包的持續時間一般在毫秒級別, 其吞吐量受到一定的限制. 信號級的異構物聯網直聯通信技術通過在發送端模擬接收端可識別的信號, 實現異構物聯網直聯通信, 其數據傳輸速率理論上可以達到原無線通信技術的標準. 但信號級的異構物聯網直聯通信要求發送端設備的整體能力強于接收端, 不適用于性能較弱的發送端. 符號級的異構物聯網直聯通信技術利用細粒度的符號特征進行數據傳輸, 可以實現弱發送端到強接收端的較高速率的異構物聯網直聯通信.

　　表 2 對這 3 類異構物聯網直聯通信的性能進行了總結和對比. 從該表可以看出, 在數據傳輸速率和頻譜利用率方面, 數據包級的異構物聯網直聯通信小于信號級和符號級的異構物聯網直聯通信, 這是因為數據包級異構直聯采用粗粒度的數據包級的特征進行信息調制, 根據香農定理, 信號級和符號級的異構物聯網直聯通信技術的理論吞吐量更高; 在并行傳輸方面, 數據包級的異構物聯網直聯通信不支持并行傳輸; 在雙向通信方面, 由于數據包級的特征普遍存在于無線網絡協議中, 而信號級和符號級的異構物聯網直聯通信需要根據不同的無線網絡協議采取特定的策略, 因此數據包級的異構物聯網直聯通信更具有普適性, 更容易制定雙向對稱的異構物聯網直聯通信機制. 在實際應用場景中, 研究人員可以根據具體的無線通信設備和不同的應用需求, 采取相應的異構物聯網直聯通信技術。

　　4 異構物聯網直聯通信技術的應用示例

　　異構物聯網直聯通信的實現不僅為打破異構設備間的通信壁壘提供了機遇, 也為整合不同協議的優勢, 改善現有物聯網設備應用提供了新的思路. 例如, 異構物聯網直聯通信技術為降低能耗提供了新的機遇: 不同的無線通信設備的功耗差別很大, 一般情況下, Wi-Fi 設備的最大傳輸功率為 100 dBm, 而 ZigBee 設備的最大傳輸功率為 0 dBm. 通過利用異構物聯網直聯通信技術, 可以在能耗較高的物聯網設備中嵌入能耗較低的異構通信模塊, 使得高能耗設備的部分不必要的耗能工作交給低功耗的異構模塊. 如對于移動應用中廣泛使用的 Wi-Fi 模塊, 在掃描狀態、待機模式、喚醒后連接 Wi-Fi AP 時, 它不進行任何實際的通信, 但仍處于活動狀態且消耗能量. 因此可以使用異構物聯網直聯通信技術, 將 Wi-Fi 模塊的部分操作委托給一個低功率的 ZigBee 模塊. 當沒有數據包發送和接收時, Wi-Fi 模塊將被關閉, 而 ZigBee 模塊負責掃描網絡, 并在檢測到 Wi-Fi AP 或 AP 欲將與設備通信時喚醒 Wi-Fi 模塊. 通過這樣一個 Wi-Fi-ZigBee 異構物聯網直聯通信方案, 可以有效地減少 Wi-Fi 模塊的能耗, 提高移動應用的性能.

　　此外, 異構物聯網直聯通信技術打破了原有技術的一些固有限制, 為異構物聯網設備共存場景下的信道協調、減少異構設備間的通信干擾, 以及異構設備數據的收集提供了解決方案. 本節詳細介紹異構物聯網直聯通信技術在這方面的應用.

　　4.1 基于異構共融的抗干擾協調

　　為了避免或消除設備間的相互干擾, 現行的無線局域網通用標準 IEEE 802.11 采用了載波監聽多路訪問/沖突避免的爭用型頻譜訪問控制協議. 此外, IEEE 802.11 還設計了請求發送/清除發送協議 (request to send/clear to send, RTS/CTS) 用以減少隱藏節點所造成的干擾影響. 低速率無線個人局域網標準 IEEE 802.15.4 中采用了直接序列展頻技術. 該技術使用多個碼片來表示一位 0 或 1 信息, 把原來較窄頻轉化為具有較寬頻的低功率頻率, 從而增加抗干擾能力. 藍牙技術標準中則采用了跳頻技術. 采用該技術的發送設備和接收設備按照預先設定的一組頻段進行跳變, 并在相應的頻段上傳送訊號. 跳頻技術有效避免了設備間在同一頻段上的沖突, 從而改善無線鏈路的傳輸質量并降低干擾. 然而傳統的抗干擾協調機制往往針對同構網絡設計, 并不適用于多種設備共存的異構網絡.

　　相比于傳統的單頻段單協議方案, 認知無線電技術在頻譜的利用上體現出極高的靈活性. 該技術通過感知其所在環境的頻譜使用情況, 充分利用空閑頻段, 從而在提高頻譜利用率的同時避免了設備間的干擾 [24～29] . 機會式和覆蓋式頻譜共享是認知無線電技術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, 次級用戶的傳輸功率需被嚴格限制在干擾傳輸功率下, 以保護主用戶的傳輸質量. 在干擾消除方面, 華盛頓大學 (University of Washington) 的 Halperin 等 [35] 提出的干擾消除信號處理技術使單個接收器能夠區分并成功接收來自多個非同步信號源的并發信號. 對于異構設備間的信道協調, 研究人員提出了多種被動信道協調方案[36～41] , 通過間接的頻譜感知、掃描等方法來預測估計共享頻譜上各種設備的信道使用信息, 根據信道狀態來調整傳輸策略. 例如根據采樣的信號強度指示 (RSSI) , 估計突發 Wi-Fi 流量并預留可用空白區域 [38] . 然而, 這些都是利用干擾避免或者從干擾中恢復信號的思路, 沒有在占用信道前進行通信協商 [42, 43] .

　　異構物聯網直聯通信技術打破了異構設備間的通信壁壘, 使得異構設備間具有直接溝通的能力.而異構設備間溝通能力的獲得, 使其不僅僅局限于通過感知周邊信道環境來被動的協調設備間的信道使用, 而是可以主動的協商信道使用方案. 基于信道模型被動獲取的信道環境信息以及異構直聯主動獲取的信道協調需求, 可以構建如圖 6(b) 所示的基于異構共融的抗干擾協調機制. 在如圖 6(a) 所示的 Wi-Fi 和 ZigBee 設備共存的場景中, 利用異構物聯網直聯通信技術可以建立異構設備間的請求發送/清除發送 (RTS/CTS) 機制. 一方面, RTS/CTS 機制可以通過設置閾值有效地解決信道使用碎片化的問題. 另一方面, 異構物聯網直聯通信技術的實現使 RTS/CTS 機制不僅僅局限于 Wi-Fi 設備之間. 異構設備間的 RTS/CTS 機制可以幫助 Wi-Fi 和 ZigBee 設備高效地協商信道使用從而有效避免設備間干擾.

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

　　4.2 基于異構共融的全局協調

　　Wi-Fi 和藍牙設備的媒體訪問控制層 (media access control, MAC) 分別采用載波偵聽多路訪問 (CSMA) 和時分多址接入 (time division multiple access, TDMA) 方案. ZigBee 設備可以使用這兩種方案來訪問網絡. 然而, 基于 CSMA 的方案可能會以隨機時間延遲異構物聯網直聯通信數據包的傳輸, 基于 TDMA 的方案只在一個固定的時隙接收數據包. 此外, 不同設備之間的時鐘漂移使得藍牙和 ZigBee 等低占空比設備更不容易接收到異構物聯網直聯通信的數據包. 考慮到這些因素, 如何設計一個異構 MAC 方案, 在保證網絡性能的情況下, 使 Wi-Fi 節點發送的數據包能夠成功被 ZigBee 和藍牙設備接收是一個關鍵而又困難的問題.

　　為此, 本文提出了一種統一的媒體訪問控制 (MAC) 方法, 實現了全局協調異構設備進行信息傳輸和接收, 從而很大提高了通信效率. 具體地, 如圖 6(c) 所示, 該方案設計了 CT – 信標 (cross technology Beacon, CT-Beacon) 用來協調異構物聯網直聯通信消息的傳輸和接收. 對于 Wi-Fi 發送器和 ZigBee, BLE 接收器, 通過設置信息發送和接收窗口, 使得異構的設備在這些窗口內進行異構物聯網直聯通信消息的傳輸和接收. 通過周期性的接收 CT – 信標并相應地調整接收窗口的開始時間, 可以大大降低由于數據包延遲或時鐘漂移而導致的接收端錯過異構物聯網直聯通信消息的概率. 并且該方案不會給異構網絡帶來顯著的帶寬和能量開銷.

　　對于 CT – 信標, 通過設計其數據包的格式, 可以實現異構設備的全局同步和協調. 如圖 6(d) 所示, 第 1 個字節表示協調器的 ID 號, 該協調器可以與 ZigBee、藍牙和其他 Wi-Fi 設備通信. 第 2 個字節表示 CT – 信標間隔 (單位是 ms), 最大 CT – 信標間隔是 127 ms. 第 3 個字節用于表示傳輸窗口長度 (單位是 100 μs), 最大傳輸窗口是 12.7 ms. 后面的兩個字節用于特定的應用程序. 例如, 一個字節用于設置全局同步的間隔; 1 位用于抗異構干擾協調, 7 位保留為未來使用. 最后是 4 字節的 CRC, 用于保證 CT – 信標的可靠傳輸.

　　當進行全局同步時, 可以在 CT – 信標中設置時間戳, 并將同步消息置于 CT – 信標后. 當進行全局抗異構干擾協調時, Wi-Fi 協調器向 Wi-Fi、ZigBee 和藍牙設備發送一個全局 CTS 數據包, 以保留一段無 Wi-Fi 干擾的空白空間, 該協調信息在 CT – 信標之后發送. 設備可以通過比特 b5,0 判斷有無可用的無 Wi-Fi 干擾通道, 如圖 6(d) 所示. 若 b5,0 = 0, 則 CT – 信標后沒有無 Wi-Fi 干擾周期, 因此 ZigBee 和藍牙設備可轉為休眠模式以節約能耗. 若 b5,0 = 1, 則將發送一個抗異構干擾協調的數據包, 該數據包包含一個 CTS 消息以及信道保留消息. 一旦其他 Wi-Fi 節點接收到 CTS, 它們將在 CTS 指定的一段時間內停止訪問網絡. 而 Zigbee 和藍牙設備將使用保留的空間進行數據傳輸.

　　本文對 ISM 頻段中采用不同通信協議的主流物聯網設備: Wi-Fi、ZigBee 和藍牙設備進行全局協調的實驗以及評估. 對于全局時間同步, 本文使用 Wi-Fi 設備作為協調器來傳輸異構直聯通信消息進行異構設備間的時間同步. 如圖 7 所示, 實驗結果表明, 基于 CT – 信標的統一媒體訪問控制方案使得異構設備平均時間同步誤差在 0.2 ms 以內. 與采用傳統的媒體訪問控制方案 Crocs[9] 相比, 時間同步誤差減少到十三分之一. 對于全局的抗異構干擾信道協調, 數據包平均時延降低到九分之一. 通過統一 的媒體訪問控制方案, 低功耗的 ZigBee 和藍牙設備更容易檢測到沒有被 Wi-Fi 設備占用的空閑信道, 從而增加了信道資源的利用率.

　　4.3 異構物聯網設備數據的收集

　　基于異構物聯網直聯通信技術, 可以實現異構設備數據的直接收集, 而不需要經過網關等中間設備. 例如, 使用一個 Wi-Fi 網卡直接收集來自異構設備的數據.

　　當異構設備的數據包與正在傳輸中的 Wi-Fi 數據包碰撞后, 經過 Wi-Fi 接收端的解調, 異構的數據包內容仍然存在. 經過波形重建和解碼等過程, 可以重新獲取相應的異構數據包內容. 具體地, 該技術將 Wi-Fi 網卡解調得到的數據作為輸入, 經過編碼比特重建和子載波映射, 可以得到相應的頻域數據, 然后通過反傅里葉變換, 可以成功得到對應的時域波形. 由于 Wi-Fi 網卡的解調過程中丟棄奇偶校驗碼和循環前綴部分, 重建的波形會丟失一少部分波形片段. 基于波形丟失的位置特點, 可以分別在符號層面和碼元層面調整相應的解碼策略, 從而得到正確的數據包. 整個過程中沒有修改 Wi-Fi 網卡的硬件部分, 因此兼容現有的 Wi-Fi 商用網卡, 并且該技術可以重建多種不同協議的波形, 具有普適性. 該技術使得 Wi-Fi 設備可以同時接收并解碼來自多個不同的異構設備的數據包, 很大提升了從異構設備收集數據包的效率.

　　5 總結與展望

　　異構物聯網直聯通信技術相比于傳統的利用網關進行異構設備間間接的通信, 其在減少硬件開銷和加快應用部署等方面有很大的優勢. 本文從數據包級、信號級、符號級 3 個層面分析和探討了異構物聯網直聯通信關鍵技術和解決方案. 數據包級的異構物聯網直聯通信利用數據包的長度、能量水平, 以及序列特征等數據包信息進行調制, 很容易實現雙向的異構物聯網直聯通信. 信號級和符號級的異構物聯網直聯通信通過信號模擬、交叉解碼等方式直接生成或者解碼異構物聯網直聯通信的物理層符號, 其數據傳輸速率理論上可以達到原無線通信技術的標準. 然而, 目前異構物聯網直聯通信還有若干關鍵技術亟待研究.

　　一是各層異構物聯網直聯通信協議的配合. 要將異構物聯網直聯通信技術真正應用在某一個場景中, 除了本文介紹的異構物聯網直聯通信技術, 還需要上層包括鏈路層、網絡層、應用層等相應協議的改進與支持, 各層協議間相互配合才能使得整個網絡體系及應用系統更加靈活高效 [44] . 例如, 傳統的鏈路層采用接收信號強度指示 (RSSI) 和信噪比 (signal noise ratio, SNR) 對鏈路質量進行檢測, 但由于異構物聯網直聯通信雙方的協議存在差異, 這些衡量指標不再適用, 為此需要研究鏈路層跟蹤信道狀態、檢測鏈路質量的新方案 [45] . 基于物理層的異構物聯網直聯通信特點, 調整上層通信協議, 從而達到較好的應用性能, 是未來研究需要解決的一個重要問題.

　　二是通信安全. 雖然異構物聯網直聯通信為物聯網的發展帶來了新思路, 但是不可避免地, 異構物聯網直聯通信也會帶來通信安全方面的問題. 例如, 數據包級的異構物聯網直聯通信對于信道中的能量信息比較敏感, 當對其進行干擾攻擊時, 異構物聯網直聯通信的可靠性會大大降低 [46, 47] . 另外, 當 ZigBee 設備與 Wi-Fi AP 通過異構物聯網直聯通信技術進行通信的時候, ZigBee 設備更容易受到遠程攻擊. 由此, 隨著異構物聯網直聯通信技術越來越成熟, 通信安全方面的研究需求也更加迫切.