2.4 GHz無線網(wǎng)絡(luò)共存技術(shù)研究進(jìn)展

何　源　　　鄭霄龍

(清華大學(xué)軟件學(xué)院　北京　100084)

(清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實驗室(籌)　北京　100084)

(he@greenorbs.com)

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2.4 GHz無線網(wǎng)絡(luò)共存技術(shù)研究進(jìn)展

何源鄭霄龍

(清華大學(xué)軟件學(xué)院北京100084)

(清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實驗室(籌)北京100084)

(he@greenorbs.com)

Research on Wireless Network Co-Existence at 2.4 GHz

He Yuan and Zheng Xiaolong

(SchoolofSoftware,TsinghuaUniversity,Beijing100084)(TsinghuaNationalLaboratoryforInformationScienceandTechnology,Beijing100084)

AbstractIn the information era, the great diversity of application demands calls for the adoption of different wireless communication protocols. As Internet of things (IoT) has gotten dramatic development in recent years, those wireless protocols are included in a common networking framework. With IoT applications getting proliferated, we will witness the co-existence of multiple wireless protocols in the same space, especially in indoor environments. Due to the different communication standards, generally those co-existing protocols cannot directly share information with each other, leading to inevitable interference and degraded network performance. Co-existence of wireless protocols thus becomes a hot topic in both academic and industrial fields. Based on the survey of recent studies in wireless network co-existence, this article illuminates the root causes of the co-existence problem and analyzes its impacts on network designs and performance. The taxonomy of wireless network co-existence is presented, which categories the existing works into three classes: elimination of homogeneous interference, identification of heterogeneous interference, and cross-protocol communication. The potential research directions in this area are further discussed.

Key words2.4 GHz; wireless protocol; co-existence; heterogeneous interference; research survey

摘要信息時代的眾多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求孕育了多種多樣的無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)將眾多無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議納入了一個共同的網(wǎng)絡(luò)框架內(nèi).隨著物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，同一區(qū)域內(nèi)，尤其在室內(nèi)環(huán)境中，多種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共存的情況越來越普遍.眾多共存的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不僅不能彼此分享數(shù)據(jù)信息，反而會對彼此造成干擾，影響通信效率.因此，無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共存技術(shù)近年來成為了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究熱點.然而現(xiàn)在關(guān)于2.4 GHz頻段上的無線網(wǎng)絡(luò)共存的綜述研究或僅僅針對某2種協(xié)議間的共存，或缺少對最新技術(shù)的總結(jié).因此，在重新梳理相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，介紹了共存問題的成因，分析了共存問題的影響，按照共存環(huán)境復(fù)雜性，回顧了現(xiàn)有工作提出的關(guān)鍵共存技術(shù)，包括同質(zhì)干擾的避讓、容忍和并發(fā)傳輸，異質(zhì)干擾的檢測、識別和異質(zhì)干擾環(huán)境下的共存?zhèn)鬏?最后，展望了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展大環(huán)境下共存技術(shù)的發(fā)展趨勢——更廣泛的互聯(lián)互通.

關(guān)鍵詞2.4 GHz；無線協(xié)議；共存；異質(zhì)干擾；研究綜述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)描繪了信息技術(shù)的未來宏圖.任何可獨立尋址的物理對象都將被智能化，通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)進(jìn)而融入人們的生活空間，為人類提供豐富的信息和便捷的服務(wù).逐漸走向成熟應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的所有設(shè)備和物體充分地互聯(lián)互通，使來自物理世界的數(shù)據(jù)和信息充分地交換、共享，并可以通過融合處理使智能化的計算和服務(wù)成為可能.高效、可靠且靈活的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議因而成為橋接物理世界和信息空間的關(guān)鍵.

最近幾年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域越來越多地被關(guān)注和采用，作為物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)之一的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也得到了長足的發(fā)展.作為物聯(lián)網(wǎng)范疇內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的代表， ZigBee、藍(lán)牙(Bluetooth)、WiFi等，依不同的應(yīng)用需求被提出，繼而在各自的應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是 ZigBee協(xié)議規(guī)范的主要載體；對于智能家居產(chǎn)品，盡管其制造商和設(shè)計不盡相同，通信技術(shù)一般都采用WiFi協(xié)議規(guī)范；其他一些智能產(chǎn)品，尤其是那些應(yīng)用于身體周圍感知和控制的產(chǎn)品，經(jīng)常采用藍(lán)牙作為性價比較高的解決方案.

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速普及，一個不可回避的趨勢引起了研究領(lǐng)域和工業(yè)界的共同關(guān)注：不同類型的無線網(wǎng)絡(luò)都在不斷拓展各自的應(yīng)用空間，逐漸形成了多網(wǎng)絡(luò)多協(xié)議在同一空間共存的狀態(tài).比如使用ZigBee協(xié)議的智能空調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)部署于WiFi信號覆蓋的室內(nèi)空間，又比如智能家居系統(tǒng)大多通過WiFi協(xié)議來架構(gòu)其網(wǎng)絡(luò)，而家居范圍內(nèi)又同時存在著為數(shù)眾多使用藍(lán)牙協(xié)議的智能硬件，類似的場景還有很多，不一而足.無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不僅需要在共存環(huán)境中保持各自有效運轉(zhuǎn)、聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通的客觀需求，往往還須跨網(wǎng)絡(luò)、跨協(xié)議進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)交換和信息共享，無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共存問題由此產(chǎn)生.

從無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀看，協(xié)議共存無疑是極具挑戰(zhàn)性的問題.現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不僅不能滿足理想物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通的需求，反而會因為設(shè)計上對其他協(xié)議的無視而對彼此的運行產(chǎn)生干擾.由于無線信號的廣播特性，除了發(fā)射機(jī)的有效信號，其他所有的信號對于接收機(jī)來說都是干擾，可能造成接收錯誤，降低網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，影響網(wǎng)絡(luò)性能，甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無法正常運行.如果使用不同技術(shù)的設(shè)備部署運行在同一個智能空間(如智能家庭、智能辦公室、智能建筑、智慧交通和智慧城市)內(nèi)，使用同一個頻段的多種無線協(xié)議就會在同一個區(qū)域形成共存的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境.在共存環(huán)境中，現(xiàn)存的無線協(xié)議之間不僅不能分享數(shù)據(jù)信息，反而會對彼此造成干擾，影響通信效率;另一方面，由于不同的無線協(xié)議無法直接通信，也就不能進(jìn)行介質(zhì)訪問協(xié)調(diào)，各協(xié)議各自為政，更加劇了網(wǎng)絡(luò)資源緊張，制約了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)向更廣泛的層面、更大的規(guī)模拓展.

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用形態(tài)日益多樣化，應(yīng)用普及的需求越來越迫切，同一空間部署多種無線網(wǎng)絡(luò)的情況將越來越普遍，無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共存問題也變得日益突出.國內(nèi)外研究人員廣泛關(guān)注該問題，在應(yīng)對同質(zhì)異質(zhì)干擾、異質(zhì)協(xié)議共存?zhèn)鬏數(shù)确较蛏弦呀?jīng)取得了一些積極的進(jìn)展，同時仍有大量的開放性問題有待解決.

本文主要討論一個世界通用的ISM(industrial, scientific and medical)頻段，即2.4 GHz頻段中無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共存問題和共存技術(shù).根據(jù)2.4 GHz頻段上已有的無線技術(shù)，討論無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共存問題的成因和表現(xiàn).根據(jù)干擾源的協(xié)議類別，分同質(zhì)干擾和異質(zhì)干擾討論最新的研究進(jìn)展.在異質(zhì)干擾環(huán)境下，進(jìn)一步討論異質(zhì)干擾源的檢測和識別技術(shù)，以及抗異質(zhì)干擾的共存?zhèn)鬏敿夹g(shù).在綜合分析現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文展望未來，分析網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢將是更為廣泛的跨協(xié)議的互聯(lián)互通.

1共存問題辨析

1.1共存問題的成因

2.4 GHz頻段是指2.4 GHz到2.5 GHz共100 MHz帶寬的頻段.2.4 GHz頻段是ISM頻段，是一個全世界都可以公開使用的無線頻段.任何無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無需許可證即可在這個頻段上運行.在2.4 GHz頻段常見的信號來源有：WiFi、藍(lán)牙、ZigBee和微波爐.這些信號都分布于2.4 GHz頻段，共享頻譜資源.當(dāng)這些信號(換言之，產(chǎn)生這些信號的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或者信號源)存在于同一區(qū)域內(nèi)時，就會形成共存環(huán)境，導(dǎo)致共存問題.

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和2.4 GHz無線技術(shù)蓬勃發(fā)展，使用不同無線技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用于人們的生活中，使2.4 GHz頻段上的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共存問題尤其突出.表1總結(jié)了2.4 GHz頻段上常見的3種無線通信技術(shù).

WiFi是當(dāng)今人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷臒o線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一.它遵循IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)[1]，將2.4 GHz頻段劃分為13個帶寬為22 MHz的信道.隨著無線局域網(wǎng)的大規(guī)模部署和移動設(shè)備的興起，WiFi已經(jīng)成為室內(nèi)環(huán)境中最常見的無線信號.ZigBee是ZigBee聯(lián)盟于2004年提出的應(yīng)用于低功耗自組織局域網(wǎng)的一種短距離、低速率的通信技術(shù).ZigBee底層技術(shù)基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[2]，其物理層和媒體訪問控制層直接使用了IEEE 802.15.4的定義，共為16個帶寬為5 MHz的信道.藍(lán)牙技術(shù)主要應(yīng)用于無線個域網(wǎng)，實現(xiàn)短距離的數(shù)據(jù)傳輸.藍(lán)牙遵循的是IEEE 802.15.1標(biāo)準(zhǔn)[3]，將2.4 GHz頻段劃分為79個帶寬為1 MHz的信道，并采用自適應(yīng)跳頻技術(shù)避免干擾.另一種家庭中常見的2.4 GHz無線信號源是微波爐.微波爐雖然不是通信技術(shù)，但是它運行過程中產(chǎn)生的泄露能量恰好分布在2.45 GHz左右，成為了家庭環(huán)境中2.4 GHz 頻段的一個常見信號源.

Table 1　Overview of Wireless Technologies at 2.4 GHz

Fig. 1　Overview of frequency occupancies of the common wireless technologies in 2.4 GHz ISM band.圖1　2.4 GHz頻段上的無線技術(shù)信道分配情況

圖1展示了運行在2.4 GHz頻段的4種常見無線信號頻譜使用情況.可以很清楚地看到，這4種信號使用的頻段是相互重疊的.如果運行在共存環(huán)境中的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不能相互協(xié)商頻譜資源的使用，就可能造成彼此的通信沖突，誘發(fā)一系列共存問題.

共存問題的本質(zhì)是共享同樣資源的多種分布式系統(tǒng)終端設(shè)備之間的競爭和調(diào)度問題.頻譜作為最重要的共享資源，對其的競爭和調(diào)度將是共存環(huán)境中的首要問題.該問題的難點在于共存設(shè)備之間往往通信標(biāo)準(zhǔn)不同而無法通信，因而無法直接進(jìn)行協(xié)商，傳統(tǒng)的調(diào)度算法難以直接使用.另一方面，一些共存設(shè)備的發(fā)射功率遠(yuǎn)大于低功耗設(shè)備，使低功耗設(shè)備長期得不到頻譜資源，導(dǎo)致基于搶占式的競爭調(diào)度算法喪失公平性.

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備之間的關(guān)系，共存問題可歸納為3種形式：合作式、公平競爭式和非公平競爭式.

1) 合作式共存問題中，各共存的無線網(wǎng)絡(luò)使用相同的通信標(biāo)準(zhǔn)，可以有效通信協(xié)作，從而合作進(jìn)行資源分配，因此問題退化成傳統(tǒng)的共享資源分配問題.

2) 在公平競爭式中，各個共存的無線網(wǎng)絡(luò)使用相同的通信標(biāo)準(zhǔn)，但基于不同的上層協(xié)議，因此無法直接進(jìn)行通信、對共享資源進(jìn)行分配，問題變成共享資源競爭問題.注意在此類型共存問題中，終端之間的競爭是相對公平的，具體表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)終端基本采用相當(dāng)?shù)陌l(fā)射功率、使用相同的接入技術(shù)、在頻譜帶寬使用權(quán)限上地位平等.

3) 在非公平競爭式中，各共存的無線網(wǎng)絡(luò)采用不同的通信標(biāo)準(zhǔn)，無法直接通信，發(fā)射功率不對等.各個網(wǎng)絡(luò)基于最大化自我利益的規(guī)則競爭頻譜帶寬資源，忽視其他共存競爭者的存在，導(dǎo)致競爭失衡，處于劣勢地位的競爭者(如低功耗設(shè)備)將長時間無法獲取資源.因此，如何設(shè)計合理的資源分享機(jī)制以有效保障共存環(huán)境中的公平性是非公平競爭式問題帶來的主要挑戰(zhàn).

1.2共存問題的影響

共存問題的影響是多方面的，其主要表現(xiàn)包括：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議間競爭有限的網(wǎng)絡(luò)資源，造成互相干擾，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降，制約了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和服務(wù)的進(jìn)一步延拓.

多協(xié)議共享有限的頻譜資源，加劇了資源緊張，參與競爭的無線網(wǎng)絡(luò)都無法獲得足夠資源，而與此同時，在介質(zhì)接入控制(media access control, MAC)機(jī)制的影響下，頻譜資源卻并未得到充分利用，造成頻譜資源浪費；另一方面，共存問題導(dǎo)致的頻譜資源競爭會造成能量資源的浪費.為獲得頻譜資源，設(shè)備需要頻繁開啟射頻模塊參與競爭，能耗顯著升高.同時，由于共存的無線技術(shù)會干擾低功耗設(shè)備的低功耗機(jī)制，也會導(dǎo)致低功耗設(shè)備的能耗顯著增加.

共存問題會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸效率的大幅度降低.對于一個接收設(shè)備來說，運行多種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的共存設(shè)備越多，接收到的信號被影響的概率就越大，誤碼率隨之升高.當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)包包含過多的錯誤，協(xié)議無法恢復(fù)原始數(shù)據(jù)包，就會造成網(wǎng)絡(luò)丟包.共存問題導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)丟包會增加時延，從而影響數(shù)據(jù)吞吐量，潛在地導(dǎo)致用戶體驗下降.前人的測量工作[4-6]已經(jīng)揭示，當(dāng)使用ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與WiFi共存時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸明顯被WiFi網(wǎng)絡(luò)干擾，丟包率甚至高達(dá)87%[4]，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議CTP的數(shù)據(jù)接收率也僅為43.05%[6]，同時使用802.11g的WiFi設(shè)備的吞吐量也會受無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的影響而下降14.51%[6].

2共存技術(shù)研究進(jìn)展

解決無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共存問題，其本質(zhì)是要在共享與競爭同時存在的機(jī)制內(nèi)實現(xiàn)有效的跨網(wǎng)絡(luò)協(xié)同和跨協(xié)議控制，為解決這個問題，國內(nèi)外研究人員進(jìn)行了長期持續(xù)的探索.按照共存環(huán)境的復(fù)雜性，可分為同質(zhì)干擾和異質(zhì)干擾；按所設(shè)計的協(xié)議方法期望達(dá)到的網(wǎng)絡(luò)共存能力，現(xiàn)有研究工作可分為干擾消除、并發(fā)傳輸和跨協(xié)議傳輸.綜合上述2種標(biāo)準(zhǔn)，本文依次涉及同質(zhì)干擾處理、異質(zhì)干擾源檢測識別和異質(zhì)干擾環(huán)境下的共存?zhèn)鬏?個方面.本文涉及的代表性工作分類如表2所示:

Table 2　Overview of Representative Existing Work

2.1同質(zhì)干擾的避讓、容忍和并發(fā)傳輸

接收機(jī)受到來自相同無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的其他設(shè)備的信號干擾被稱為同質(zhì)干擾.同質(zhì)干擾可能來自同一個系統(tǒng)，也可能來自使用相同無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的其他系統(tǒng).在同質(zhì)干擾存在的環(huán)境下共存技術(shù)可以分成3類：避讓、容忍和并發(fā)傳輸.

1) 避讓.可以通過協(xié)調(diào)多個設(shè)備相互避讓來避免同質(zhì)干擾的出現(xiàn).一般來說，同質(zhì)干擾的避讓通過時間上、頻率上隔離不同協(xié)議的傳輸來完成.無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧都會設(shè)計媒介接入控制協(xié)議(MAC協(xié)議)來控制共享的無線頻率使用，MAC協(xié)議可以一定程度上避免同質(zhì)干擾的出現(xiàn).比如載波偵聽多路訪問(carrier sense multiple access, CSMA)協(xié)議、時分多路訪問(time division multiple address, TDMA)協(xié)議從時間上對傳輸進(jìn)行隔離；而頻率隔離主要通過多信道技術(shù)[7-13]使不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議運行在不同的頻率上，避免干擾.文獻(xiàn)[14]測量了在家庭環(huán)境中使用多信道抵抗干擾的效果.

2) 容忍.一些研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)2個發(fā)送者同時給一個接收者發(fā)送信號時，干擾不一定會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的傳輸失敗，通常信號能量較高的數(shù)據(jù)包可以被成功解析，這種現(xiàn)象被稱之為捕獲效應(yīng)(capture effect)[15].捕獲效應(yīng)在WiFi、藍(lán)牙和ZigBee協(xié)議中都存在[16-18].利用捕獲效應(yīng)可以增加對共存的同質(zhì)干擾的容忍能力，避免傳輸效率的大幅下降[18-21].

3) 并發(fā)傳輸.最近，一些研究人員進(jìn)一步利用相長干涉(constructive interference)[22]來實現(xiàn)同質(zhì)信號的高效率并發(fā)傳輸.相長干涉是一種物理層對多徑效應(yīng)的容忍現(xiàn)象.當(dāng)多個發(fā)送者同時發(fā)送完全一樣的數(shù)據(jù)信號時，在接收者端，不僅不會造成干擾，反而會提高收包的成功率.因此，利用這種現(xiàn)象可以實現(xiàn)同質(zhì)信號的并發(fā)傳輸，提高收包成功率，提升網(wǎng)絡(luò)性能[23-25].

2.2異質(zhì)干擾源檢測和識別

當(dāng)共存環(huán)境中有多個無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議存在時，接收機(jī)受到來自不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的其他設(shè)備的信號干擾被稱為異質(zhì)干擾.異質(zhì)干擾源可以來自使用同一通信技術(shù)的不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議.比如，使用2種MAC協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信都使用ZigBee技術(shù)，但是由于MAC協(xié)議的不同，2個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備雖然能夠解碼彼此接收到的ZigBee數(shù)據(jù)包，但是因為并不知道相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式，因此無法解析信息，從而無法直接交換信息.異質(zhì)干擾源更多見于使用同一頻段的其他通信技術(shù).比如WiFi信號對于ZigBee來說就是異質(zhì)干擾.

為了實現(xiàn)異質(zhì)干擾環(huán)境下的共存技術(shù)，首先要解決的問題就是異質(zhì)干擾源的檢測與識別.如果連干擾是否是來自異質(zhì)干擾源都無法判斷的話，解決共存問題就是一紙空談.現(xiàn)有的異質(zhì)干擾源檢測和識別技術(shù)可以分成如下2類：

1) 使用特定專用設(shè)備進(jìn)行檢測和識別

許多商業(yè)化的產(chǎn)品使用定制的硬件設(shè)備并集成頻率分析儀來實現(xiàn)非WiFi干擾的檢測和識別，比如安捷倫頻譜分析儀[26]、Wi-SPy[27]、Spectrum XT[28]、AirMaestro[29]和CleanAir[30]等.這些專業(yè)設(shè)備可以實現(xiàn)2.4 GHz頻段上的異質(zhì)干擾檢測和識別.RFDump[31]使用軟件無線電和通用軟件無線電外設(shè)(universal software radio peripheral, USRP)，根據(jù)不同協(xié)議采用的解調(diào)模塊的規(guī)范不同，采用相位時間分析的方法檢測和識別不同信號.DOF[32]使用寬頻射頻模塊實現(xiàn)了一個改進(jìn)的信道監(jiān)聽設(shè)備，快速檢測多個信道的狀態(tài)，提取干擾信號的重復(fù)性特征，分析周圍環(huán)境的干擾情況，可以提供包括干擾類型、各干擾設(shè)備占據(jù)的頻段以及干擾在檢測設(shè)備上的到達(dá)相位.

使用特定專用設(shè)備進(jìn)行檢測和識別的優(yōu)點是識別準(zhǔn)確；缺點是需要使用特定的專業(yè)化設(shè)備、成本高、處理算法較為復(fù)雜.

2) 使用普通通信設(shè)備進(jìn)行檢測和識別

在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界，WiFi都是非常重要的一種無線通信協(xié)議.因此，眾多研究人員研究在2.4 GHz上其他異質(zhì)干擾對WiFi的影響[33-35].AirShark[36]和WiFiNet[37]使用普通的WiFi通信芯片，利用信號的循環(huán)特征，根據(jù)頻譜信息檢測和分類非WiFi干擾.ErrorSense[38]利用WiFi信號傳輸時數(shù)據(jù)的錯誤特征來檢測和識別ZigBee干擾.文獻(xiàn)[39]定義了設(shè)備的抽象描述來唯一表征共存設(shè)備，從而利用智能手機(jī)檢測抽象描述來檢測和識別異質(zhì)干擾.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越多地應(yīng)用在室內(nèi)系統(tǒng)中，比如智能家居、空調(diào)控制、建筑結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控和智慧辦公室等系統(tǒng).因此，ZigBee越來越多地使用在共存環(huán)境中，使得研究人員越來越關(guān)注ZigBee在共存環(huán)境下受到異質(zhì)干擾的影響[4-6,72-73].

盡管WiFi設(shè)備也是非專門設(shè)計的硬件設(shè)備，但其設(shè)備與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相比，通常功能較為強(qiáng)大，可以運行計算開銷高、復(fù)雜的算法如FFT 等.而ZigBee設(shè)備為了保持低功耗，一般運算能力極其有限，不能運行復(fù)雜算法,這使得利用ZigBee硬件檢測識別非ZigBee干擾更為困難.因此，眾多研究人員研究如何使用ZigBee硬件設(shè)備進(jìn)行異質(zhì)干擾的檢測和識別.

文獻(xiàn)[40]提出掃描16個ZigBee信道以獲得頻譜信息并利用頻譜特征進(jìn)行分類識別.文獻(xiàn)[41]進(jìn)一步提出一個系統(tǒng)框架來實現(xiàn)掃描2.4 GHz頻段.ZiFi[42]和ZiFind[43]利用WiFi周期性的廣播數(shù)據(jù)包專門檢測和識別來自WiFi的異質(zhì)干擾.文獻(xiàn)[44]觀察到不同的干擾源會導(dǎo)致不同的數(shù)據(jù)包的錯誤字節(jié)分布.利用這個現(xiàn)象，SoNIC[45]監(jiān)測收包過程中的錯誤字節(jié)位置和相應(yīng)的接收信號能量指標(biāo)(received signal strength indicator, RSSI)，使用RSSI 和錯誤字節(jié)分布信息進(jìn)行分類，檢測和識別不同的異質(zhì)干擾類型.ZiSense[46]則無需借助錯誤字節(jié)分布的信息，直接觀察使用符合ZigBee規(guī)范的商業(yè)芯片CC2420采集共存信號的RSSI時間序列.ZiSense根據(jù)各異質(zhì)信號的物理層和協(xié)議層規(guī)范提取穩(wěn)定通用的RSSI 時域特征，并根據(jù)這些特征分辨ZigBee信號和非ZigBee信號，檢測和識別異質(zhì)干擾.

2.3異質(zhì)干擾環(huán)境下的共存?zhèn)鬏?/p>

檢測到異質(zhì)干擾后，無線設(shè)備需要采用共存技術(shù)保障在異質(zhì)干擾環(huán)境下的傳輸效率.一般來說，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃员Ｕ显贛AC層完成.因此，眾多研究人員改進(jìn)MAC層的設(shè)計來實現(xiàn)共存?zhèn)鬏?根據(jù)共存無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的地位不同，本文按非協(xié)作式和協(xié)作式的共存?zhèn)鬏?個類別討論現(xiàn)有的共存?zhèn)鬏敿夹g(shù).非協(xié)作式共存?zhèn)鬏斒菍愘|(zhì)信號當(dāng)成干擾來克服，最大化自己的傳輸效率；而協(xié)作式共存?zhèn)鬏攧t不將異質(zhì)信號當(dāng)成干擾，而試圖與之和諧共存，營造雙贏的局面.

1) 非協(xié)作式共存?zhèn)鬏?/p>

各無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計從本源理念上是自私的，以最大化自己的傳輸效率為目標(biāo)，不考慮對其他共存信號的影響.由于2.4 GHz頻段上的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在設(shè)計之初并沒有考慮共存環(huán)境，所以各協(xié)議之間自由競爭共享的信道資源，并不避讓其他無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議.因此，非協(xié)作式共存?zhèn)鬏斣谔嵘约簜鬏斝蕰r，是無法要求其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議配合的，只能被動地調(diào)整自己的傳輸策略.傳輸策略有2種:①隔離法;②抗干擾法.它們共同的思想可以描述為“在夾縫中求生存”.隔離法是盡量從頻率上、時間上隔離自己的信號和其他異質(zhì)信號；抗干擾法是通過編碼技術(shù)、物理傳輸功率的調(diào)整，提升有效信號對干擾的容忍性.

① 頻率隔離.對每個無線協(xié)議而言，2.4 GHz頻段都存在多個可用工作頻率，共存的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以運行在不同的頻率上，互相隔離，互不干擾.應(yīng)用于同質(zhì)干擾避讓的多信道方法[7-13]同樣可以應(yīng)用于異質(zhì)干擾的避讓，達(dá)到頻率隔離的效果.通過多信道技術(shù)，不同的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議選擇自己傳輸效率最優(yōu)的信道進(jìn)行傳輸，使工作頻率隔離開.然而多信道技術(shù)的效率嚴(yán)重依賴于可用的信道數(shù)目.如果可用的信道數(shù)量小于共存的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)目，則多信道技術(shù)會失效.文獻(xiàn)[14]的測量結(jié)果顯示，在典型的家庭環(huán)境中，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，并不存在一個效果一直較好的信道.因此，多信道技術(shù)的傳輸效率難以保障.

對于上述問題，跳頻技術(shù)是一個較好的解決方案[47-48].在跳頻技術(shù)中，無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并不使用固定的某一個信道，而是在所有可用信道上進(jìn)行跳頻，避免在一個長期存在異質(zhì)干擾的信道上停留.為了保證成功傳輸數(shù)據(jù)，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)一般采用時間片同步跳頻方法.比如在藍(lán)牙1.0和1.1 技術(shù)采用的靜態(tài)跳頻中，主設(shè)備會產(chǎn)生一個偽隨機(jī)跳頻序列然后分配給網(wǎng)絡(luò)成員；然后接收機(jī)和發(fā)射機(jī)按照預(yù)定的跳頻順序使用頻譜資源，同步跳頻.這一方案的優(yōu)點在于，網(wǎng)絡(luò)在單一信道停留的時間短，因此如果在一條通信信道內(nèi)存在嚴(yán)重干擾，并且通信信號全部丟失，那么就可在下一個時間片中在另一信道上再試.當(dāng)整個頻段在一個短時間內(nèi)的同時占用率不大，則跳頻技術(shù)會平均利用存在干擾和無干擾的信道，保持一個較好的平均傳輸效率，如圖2所示:

Fig. 2　Illustration of frequency hopping technique.圖2　跳頻技術(shù)示意圖

自適應(yīng)跳頻[49]是對靜態(tài)跳頻算法的一種改進(jìn).該算法記錄未受干擾的通道，并更頻繁地使用這些通道，如圖3所示.主設(shè)備會維護(hù)一個評價表，該表會根據(jù)信道的通信質(zhì)量不斷更新，從而使存在異質(zhì)干擾的信道評分較低，而無干擾的信道評分較高.對于無線鍵盤、無線鼠標(biāo)、無線遙控和無線音頻等許多同步運行應(yīng)用來說，一種自適應(yīng)跳頻算法可有效的提升傳輸效率.

Fig. 3　Illustration of adaptive frequency hopping technique.圖3　自適應(yīng)跳頻技術(shù)示意圖

反射跳頻[50-53]是一種緩慢的跳頻方法.在反射跳頻中，設(shè)置一定的傳輸效率閾值.只有當(dāng)傳輸效率低于這個閾值時才進(jìn)行信道切換，跳轉(zhuǎn)工作頻率.這種方法的好處是無需時間同步，維護(hù)開銷小.注意靜態(tài)跳頻和自適應(yīng)跳頻都需要維持收發(fā)機(jī)的時鐘同步，否則每次跳轉(zhuǎn)信道都需要收發(fā)機(jī)進(jìn)行協(xié)商維持工作信道的統(tǒng)一.反射跳頻因為跳頻緩慢，傳輸效率可以一直維持在閾值以上，同時節(jié)省了維護(hù)同步或者跳轉(zhuǎn)信道時的協(xié)商開銷.

② 時間隔離.共存的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在不同的時間運行，使其互不干擾.CSMACA(collision avoi-dance)機(jī)制就是一種時間隔離方法.在CSMA中，發(fā)射機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，會監(jiān)測當(dāng)前信道是否空閑，當(dāng)檢測到其他傳輸信號，則后退一段時間進(jìn)行傳輸，避讓干擾，使發(fā)送時間隔離開.該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于WiFi和ZigBee網(wǎng)絡(luò)中[1-2]，也可用于共存技術(shù)的干擾.CSMA檢測是否有信號采用的是能量監(jiān)聽，如果信道上的能量超過一定閾值，則認(rèn)為信道繁忙.所以，無論是同質(zhì)還是異質(zhì)的干擾，都可以使用CSMA進(jìn)行干擾的避讓，達(dá)到傳輸時間隔離.

然而，CSMA并不能徹底解決異質(zhì)干擾問題.注意到WiFi的發(fā)射功率比ZigBee要大，所以在鏈路非對稱時，WiFi設(shè)備無法監(jiān)聽到ZigBee信號而進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，導(dǎo)致ZigBee的傳輸被壓制.當(dāng)WiFi數(shù)據(jù)流量大時，甚至?xí)?dǎo)致ZigBee數(shù)據(jù)傳輸一直不成功，網(wǎng)絡(luò)完全無法運行,所以，在非協(xié)作共存?zhèn)鬏敃r，ZigBee處于劣勢地位.因此，研究人員設(shè)計并提出眾多ZigBee在WiFi異質(zhì)干擾不協(xié)作時的共存?zhèn)鬏敿夹g(shù)[54-57].文獻(xiàn)[54]觀測到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鏈路質(zhì)量是突發(fā)式的,這是由于干擾是突發(fā)集中式的.該文獻(xiàn)基于這個觀察，提出一種適時傳輸策略.該策略量化數(shù)據(jù)包發(fā)送的成功和丟失直接的相關(guān)性，然后使用該相關(guān)性決定數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間.如果預(yù)測數(shù)據(jù)包丟失的概率較大，則設(shè)置較大的后退時間延遲發(fā)送，避免突發(fā)性的鏈路質(zhì)量變差導(dǎo)致丟包，降低網(wǎng)絡(luò)效率.文獻(xiàn)[55]發(fā)現(xiàn)盡管WiFi傳輸是集中的，使信道使用存在空白間隙(whitespace)，并且這些空白間隙的分布是符合帕雷托模型(Pareto model)的.利用這樣的觀察，該文作者提出了一種ZigBee傳輸控制協(xié)議WISE，控制ZigBee在空白間隙時間傳輸，使傳輸在時間上與異質(zhì)干擾隔離，提升傳輸成功率.DPLC[56]考慮到根據(jù)空白間隙的大小調(diào)整無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包長度，保證數(shù)據(jù)包盡可能少地受到異質(zhì)干擾的影響，使解包成功的概率增加，提升傳輸效率.TIIM[57]使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的信息，利用一個輕量級的機(jī)器學(xué)習(xí)分類器來判斷下面一段時間被干擾的鏈路是否可用，并且根據(jù)干擾情況選擇相應(yīng)的干擾消除策略.

③ 抗干擾法.抗干擾方法是通過編碼技術(shù)和發(fā)射功率的調(diào)整，使得有效信號抵抗干擾的能力增強(qiáng)，增加數(shù)據(jù)解包成功率，提升數(shù)據(jù)傳輸效率.調(diào)整發(fā)射功率[5,58-59]可以一定程度上提高信號-干擾噪聲比(signal to interference and noise ratio, SINR)，增加數(shù)據(jù)包接收成功率.

文獻(xiàn)[6]通過多數(shù)據(jù)包頭和對數(shù)據(jù)負(fù)載進(jìn)行編碼來抵抗WiFi對ZigBee傳輸?shù)母蓴_.SPaC[60]利用緩存多個錯誤的數(shù)據(jù)包進(jìn)行原始數(shù)據(jù)包的恢復(fù).Seda[61]將大量數(shù)據(jù)包看成數(shù)據(jù)流，并將數(shù)據(jù)流按數(shù)據(jù)塊進(jìn)行重組，只重傳錯誤的數(shù)據(jù)塊，避免重傳正確的部分造成傳輸效率降低.PPR[62]利用了相似的思想，將數(shù)據(jù)包劃分為多個數(shù)據(jù)塊，為每一個數(shù)據(jù)塊添加單獨的循環(huán)冗余校驗碼，并只重傳錯誤部分的數(shù)據(jù)包，提升重傳效率.文獻(xiàn)[63]發(fā)現(xiàn)WiFi導(dǎo)致的數(shù)據(jù)包錯誤位置與RSSI成正相關(guān),即錯誤字節(jié)的RSSI要比正確字節(jié)的RSSI大.作者利用此現(xiàn)象識別錯誤的字節(jié)，并選擇性地重傳這些錯誤的字節(jié)，進(jìn)一步提升重傳效率.TIMO[64]采用多輸入輸出天線技術(shù)(multiple input multiple output, MIMO)來抵抗非WiFi信號對WiFi信號的干擾.

2) 協(xié)作式共存?zhèn)鬏?/p>

由于WiFi的發(fā)射功率較大，在異質(zhì)干擾環(huán)境下，如果采用非協(xié)作式的共存?zhèn)鬏敚琖iFi競爭信道資源的成功率將大大提升，其他發(fā)射功率較低的ZigBee傳輸效率將受到較大影響，甚至在WiFi使用信道頻繁時無法傳輸數(shù)據(jù).因此，近年來研究人員提出協(xié)作式共存?zhèn)鬏?，協(xié)調(diào)發(fā)射功率不同的設(shè)備，使發(fā)射功率高的設(shè)備主動放棄一些傳輸機(jī)會，保證發(fā)射功率較低的設(shè)備能夠公平地使用無線信道資源.

WiCop[68]利用偽裝的WiFi包頭來制作偽裝的WiFi數(shù)據(jù)包，抑制正常的WiFi設(shè)備傳輸，從而控制WiFi的傳輸空白間隙，使空白間隙的長度滿足ZigBee傳輸?shù)男枨?文獻(xiàn)[66]利用一個專用的通知節(jié)點來告知WiFi設(shè)備ZigBee協(xié)議的活動.WiFi對ZigBee的干擾產(chǎn)生的原因是WiFi的CSMA監(jiān)聽不到遠(yuǎn)處的ZigBee傳輸，而ZigBee能夠被高功率的WiFi信號干擾.所以該文作者在WiFi設(shè)備附近部署一個專用的通知節(jié)點，或者使用一個高發(fā)射功率的通知節(jié)點，在ZigBee發(fā)送數(shù)據(jù)前發(fā)送Busy Tone，使WiFi的CSMA機(jī)制能夠避讓ZigBee.Weeble[67]利用相似的思想使高傳輸功率和低傳輸功率的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)共存?zhèn)鬏?Weeble增長低傳輸功率設(shè)備的前導(dǎo)碼使得高傳輸功率的設(shè)備更容易發(fā)現(xiàn)低傳輸功率設(shè)備，從而有效避讓低傳輸功率設(shè)備的傳輸.ZiMo[68]利用MIMO技術(shù)和干擾消除技術(shù)，在WiFi和ZigBee信號重疊的時候，能夠正確地消除WiFi干擾信號，還原ZigBee信號，使2種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和諧共處.SWIFT[69]利用WiFi的正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM)可以使用非連續(xù)的頻段組合傳輸?shù)奶匦员荛_有ZigBee等窄帶干擾的頻段進(jìn)行傳輸，在不改變傳輸功率和切換到無干擾信道的情況下，有效地保持了傳輸效率.ASN[70]利用802.11的OFDM的子載波正交的特性，故意調(diào)整ZigBee存在的子載波的信息為無效，避免ZigBee對WiFi信號的干擾.

3未來趨勢展望——更廣泛的互聯(lián)互通

在物聯(lián)網(wǎng)時代，如智能交通、智能電網(wǎng)、智能家居、智慧城市和相似的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，數(shù)以億計的智慧物體需要聯(lián)網(wǎng)交互信息，實現(xiàn)智能管理.一個理想的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)無疑需要所有的設(shè)備和物體都可以互聯(lián)互通，并且能夠高效、實時地交換數(shù)據(jù)、分享信息.雖然研究領(lǐng)域此前已經(jīng)取得了一些成果，與廣泛的互聯(lián)互通這一愿景相比，卻仍有不小的距離.在異質(zhì)干擾的識別和能量管理、跨協(xié)議數(shù)據(jù)交換等研究方向，仍存在許多開放性問題，下面作簡要的分析和探討.

3.1基于物理層信息的能量管理

Fig. 4　Low power listening in BoX-MAC protocol.圖4　BoX-MAC協(xié)議的低功耗監(jiān)聽機(jī)制

物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)以億計的智能設(shè)備，大部分可能采用受限能源，節(jié)能成為未來無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)計要素之一.在無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共存的背景下如何根據(jù)異質(zhì)干擾的物理層信息實現(xiàn)高效的超低功耗能量管理機(jī)制是當(dāng)前研究領(lǐng)域關(guān)注的熱點問題之一.由于通信芯片占嵌入式設(shè)備能耗的絕大部分，所以低功耗一般采用占空比的工作模式進(jìn)行.以ZigBee中最為常見的BoX-MAC協(xié)議[74]里的低功耗監(jiān)聽技術(shù)(low power listening, LPL)為例說明占空比工作模式.如圖4所示，在LPL中，節(jié)點會周期性地醒來一小段時間進(jìn)行空閑信道檢測(clear channel assess-ment, CCA).CCA通過檢測信道上的能量是否超過閾值，判斷信道是否空閑.如果信道空閑，則節(jié)點關(guān)閉無線模塊以節(jié)省能量；如果信道繁忙，說明可能有有效的數(shù)據(jù)包正在進(jìn)行傳輸，則節(jié)點保持無線模塊打開，接收可能的數(shù)據(jù)包.如果沒有接收到數(shù)據(jù)包，則經(jīng)過一段時間后自動關(guān)閉無線模塊，放棄接收.

如圖5所示，在共存環(huán)境下，由于其他異質(zhì)干擾的信號也會造成信道上能量超過閾值，造成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在沒有有效ZigBee數(shù)據(jù)包傳輸時打開無線模塊，浪費能量，造成所謂的假醒問題，導(dǎo)致能耗急劇上升.文獻(xiàn)[75]發(fā)現(xiàn)了這一能量管理低效的假性問題，并提出了動態(tài)CCA閾值的方法，濾除異質(zhì)干擾對CCA結(jié)果的影響.然而，在共存環(huán)境下，其他共存技術(shù)的傳輸功率較大，在不影響ZigBee傳輸?shù)那闆r下使用較高CCA閾值濾除其他異質(zhì)干擾的影響非常困難.因此，文獻(xiàn)[46]基于物理層信息進(jìn)行信號類型識別，并提出僅當(dāng)存在有效ZigBee信號時才打開無線模塊進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)，避免了異質(zhì)干擾對低功耗能量管理機(jī)制的影響.

Fig. 5　False wake-up problem in LPL.圖5　LPL中的假醒問題

3.2基于物理層信息的干擾識別

干擾識別是異質(zhì)干擾源存在時共存技術(shù)提升的關(guān)鍵.而基于物理層信息的干擾識別可以更加高效、精確地識別出不同的干擾源，為上層的共存技術(shù)提供準(zhǔn)確的信息.因此，基于物理層信息識別環(huán)境中的共存干擾類型是當(dāng)前研究領(lǐng)域的熱點問題之一.

由于硬件的差異性[76-77]和信號本身的差異性[46,75]，信號在物理層會展示不同的特征，利用這些物理層的信息就可以設(shè)計實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的干擾識別機(jī)制.比如，文獻(xiàn)[46]就提出一種基于物理層信息進(jìn)行信號類型識別的方法.該文獻(xiàn)采集無線信號在空間中傳播時產(chǎn)生的信號能量序列,并觀測到不同的無線技術(shù)的能量序列有不同的特征.該文獻(xiàn)進(jìn)一步分析，認(rèn)為這種不同是由物理層調(diào)制技術(shù)不同、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的參數(shù)不同等原因?qū)е碌?因此，這種不同具有穩(wěn)定特征性，從而可以被用來分辨不同的信號源.

3.3基于能量信息傳遞的跨協(xié)議數(shù)據(jù)交換

由于發(fā)展的向下兼容性，在未來的一段時間內(nèi)，多種異質(zhì)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共存是避免不了的.識別干擾、回避沖突只是緩兵之策，增進(jìn)交流、尋求信息傳遞能力的提升才是解決共存問題的突破口.本節(jié)主要討論在多種異質(zhì)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不能直接通信的共存環(huán)境下，通過哪些方法有望實現(xiàn)跨協(xié)議數(shù)據(jù)交換.

到目前為止，被采納的是較為簡單直接的方法：部署一個包含所有協(xié)議通信接口及相應(yīng)模塊的網(wǎng)關(guān)，轉(zhuǎn)發(fā)不同協(xié)議的信息.這樣的方法需要部署大量的專用網(wǎng)關(guān)、開銷大；同時網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)會造成無線流量的顯著增加，導(dǎo)致無線信道的占用率過大，造成無線信道擁擠，降低整體系統(tǒng)的傳輸效率.

如果移除網(wǎng)關(guān)這樣的中介，有沒有在不同協(xié)議之間直接交換信息的辦法呢？從目前研究的動向看，回答是肯定的.舉例來說，有初步研究結(jié)果表明物理層能量可以用于傳遞數(shù)據(jù).只要運行的頻段有重疊，即使是不兼容的無線模塊，也能夠檢測到彼此的信號能量.因此，將能量作為一種新的信息媒介來實現(xiàn)跨協(xié)議的數(shù)據(jù)交換，非常有希望產(chǎn)生跨協(xié)議數(shù)據(jù)交換的新方法.最近的研究[71]已經(jīng)初步驗證了WiFi設(shè)備和ZigBee設(shè)備之間使用能量傳遞信息的可行性.

基于對領(lǐng)域研究現(xiàn)狀的辨析思考和對未來研究趨勢的探討，不難看出無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一直在隨著應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展而不斷進(jìn)化.俗話說“天下大勢,分久必合,合久必分”，共存問題有其歷史成因，也終將成為歷史.我們大膽地猜想：一個統(tǒng)一的通用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議終將取代當(dāng)前活躍著的各類協(xié)議，而在此之前，研究領(lǐng)域還有很長的一段路要走.

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Zheng Xiaolong, born in 1989. Received his BE degree from Dalian University of Technology in 2011, and received his PhD degree from Hong Kong University of Science and Technology in 2015. Assistant researcher in the School of Software and Tsinghua National Laboratory for Information Science and Technology of Tsinghua University. His main research interests include wireless sensor networks and pervasive computing.

中圖法分類號TP393

基金項目：國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目(61422207)；國家自然科學(xué)基金項目(61170213)；華為公司創(chuàng)新研究計劃項目

收稿日期：2015-07-14；修回日期：2015-11-06

This work was supported by the National Natural Science Fundation for Excellent Young Scholars of China (61422207), the National Natural Science Foundation of China (61170213), and Huawei Innovation Research Program.