基于編碼拆分的跨網(wǎng)通信技術(shù)優(yōu)化研究

李宗娜

（青海建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青海 西寧 810012）

0 引 言

由于物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，到2020年，我國無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)目將達(dá)到2×1010以上。但是大量無線技術(shù)的并存會造成不同網(wǎng)絡(luò)之間的信號干擾，從而影響通信質(zhì)量與用戶體驗。目前，大多數(shù)的跨網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)多采用調(diào)制方式來實現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)交換的目的，當(dāng)出現(xiàn)信號干擾情況時，亟需一種有效的編碼方式，以解決信號傳輸過程中誤碼率高及傳輸效率低下的問題[1]。

早期的跨網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)要求傳輸虛擬數(shù)據(jù)包，但由于傳輸虛擬數(shù)據(jù)包會占用網(wǎng)絡(luò)資源，造成傳輸效率下降。跨網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中，包級調(diào)制方式可實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的傳輸，然后由接收機(jī)來接收和譯碼，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)情況較復(fù)雜時，單次發(fā)送幀接收率往往無法滿足需求[2]。國內(nèi)研究人員利用低功耗ZigBee的無線信號來激活WiFi AP設(shè)備，在實現(xiàn)跨網(wǎng)通信的同時，大大降低了裝置的待機(jī)能耗。國外研究者Kim等提出了一種叫做FreeBee的跨網(wǎng)式通信技術(shù)，這種技術(shù)可以通過調(diào)節(jié)WiFi幀間隔來實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的高質(zhì)量傳輸。另有國外研究者Z Yin利用一組不同長度的WiFi數(shù)據(jù)包分組構(gòu)成Morse碼，然后利用接收信號強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）感應(yīng)譯碼在接收機(jī)上實現(xiàn)了跨網(wǎng)絡(luò)通信。

WeBee是首個在物理層面上實現(xiàn)的跨網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，它可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境噪聲較大的情況下，通過重新傳輸，使WiFi與ZigBee之間的通信安全與數(shù)據(jù)完整性達(dá)到99%，從而滿足復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)間的跨網(wǎng)絡(luò)通信。盡管WeBee可以實現(xiàn)WiFi與ZigBee的直接通信，但它仍然有一些缺點，即單次發(fā)送下幀率低、數(shù)據(jù)包錯誤率高等。對此，可以根據(jù)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的具體情況，通過優(yōu)化編碼算法來解決誤碼率高的問題[3]。

介紹一種跨網(wǎng)絡(luò)通信的交叉譯碼方法，對WeBee的缺點進(jìn)行了分析，給出了一個基于WeBee的優(yōu)化系統(tǒng)及其工作流程，并給出了基于循環(huán)前綴的代碼分解優(yōu)化算法。試驗結(jié)果表明，該方案在單次傳輸時可以達(dá)到65幀的接收速率，單次發(fā)送的碼元誤差率為2.2%。

本文在以下幾個方面進(jìn)行闡述。首先，對WeBee技術(shù)進(jìn)行了概要性說明，對其優(yōu)缺點進(jìn)行了著重分析，并對其不足之處給出了解決思路。其次，根據(jù)ZigBee的數(shù)據(jù)特性對編碼方式的優(yōu)化方案進(jìn)行闡述，結(jié)合循環(huán)前綴的特性，介紹一種基于循環(huán)前綴的編碼拆分算法。與原算法進(jìn)行比較，優(yōu)化后的系統(tǒng)能有效地改善幀接收率、吞吐量以及碼元誤差率。最后，對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，采用裝有Atheros AR2425無線網(wǎng)卡的工作站設(shè)備，通過在通道內(nèi)改變各種參數(shù)進(jìn)行比較試驗，從不同的角度來檢驗優(yōu)化后的系統(tǒng)性能。

1 WeBee技術(shù)概述

WeBee系統(tǒng)可以實現(xiàn)與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的直接通信，但存在著一定的局限性。它所生成的模擬ZigBee數(shù)據(jù)有兩種主要的錯誤模式，即正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）模擬誤差問題以及循環(huán)前綴不正確。

1.1 QAM模擬誤差

在構(gòu)建ZigBee的仿真數(shù)據(jù)時，必須把ZigBee的時域信號與QAM的星座點進(jìn)行一一對應(yīng)。然而，由于QAM的預(yù)設(shè)位置是有限和離散的，ZigBee的時域信號不能很好地與預(yù)先設(shè)定的QAM星座點準(zhǔn)確映射。在對模擬信號進(jìn)行解調(diào)時，ZigBee接收機(jī)會產(chǎn)生一定的量化錯誤，從而影響了數(shù)據(jù)解碼性能。

1.2 循環(huán)前綴不正確

WiFi通信要求有一個循環(huán)的前綴，而ZigBee通信則不需要。采用循環(huán)前綴會造成模擬信號前端的冗余，因為信號是預(yù)先設(shè)定的，且WiFi傳送是固定的，故上述錯誤不可避免。針對循環(huán)前綴的缺點，可以采用一種基于循環(huán)前綴的代碼分解算法，以提高系統(tǒng)的運行效率，后文將給出具體優(yōu)化措施。

2 編碼拆分優(yōu)化方案

該優(yōu)化方案采用WiFi信號，利用模擬ZigBee的時域波形，將傳輸數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸給ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收端，再由ZigBee將其解碼，從而獲得正確的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。按照以下步驟來構(gòu)建WiFi數(shù)據(jù)，其中WiFi數(shù)據(jù)具有模擬ZigBee信號[3]。

（1）將ZigBee數(shù)據(jù)包裝為時域波形，該波形可由ZigBee裝置識別；（2）利用基于循環(huán)前綴的分解優(yōu)化方法獲得最佳的同步編碼序列時域波形；（3）通過快速傅里葉逆變換（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）對時域波形進(jìn)行量化，將時域波形映射成一組星座點；（4）將IFFT處理后的星位點與預(yù)先設(shè)定的星位點進(jìn)行對比和篩選，選取歐幾里得距離最短的星座點，以獲得對應(yīng)的ZigBee數(shù)據(jù)；（5）利用星座點生成對應(yīng)的編碼比特位，通過對比特位映射進(jìn)行相應(yīng)的編碼操作，隨即可以獲得對應(yīng)的WiFi數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)具有模擬ZigBee信號。

3 編碼拆分優(yōu)化算法設(shè)計與分析

在ZigBee通信中，必須先用前導(dǎo)碼來持續(xù)監(jiān)測ZigBee的數(shù)據(jù)。前導(dǎo)碼往往是一組0 bit、6 bit的同步碼，為了提高檢測準(zhǔn)確率，必須采用ZigBee同步碼的方式。如果ZigBee的同步碼序列為001111，則利用循環(huán)前綴使該序列變?yōu)?11111，從而存在兩個誤差碼。

本文介紹一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的編碼拆分算法。假定該同步代碼的初始序列是001111，則其可以分為兩個組成部分，即0011和11，被重組為序列110011。當(dāng)執(zhí)行循環(huán)前綴運算時，這個序列的前綴和后綴是一樣的，所以這個錯誤可以被原序列001111完全避免[3]。

盡管并非所有的同步碼都能找出合適的組合序列來消除循環(huán)前綴錯誤，但可以在有限的同步代碼拆分組合中尋找出最好的組合。利用貪婪算法，搜索出最優(yōu)的一種序列組合，該組合的選取原則是在最小誤差和最大功率的情況下進(jìn)行優(yōu)化，具體如下。

首先，將ZigBee數(shù)據(jù)包裝為時域波形，該時間域波形可由ZigBee裝置進(jìn)行識別。通過對ZigBee數(shù)據(jù)的前置碼進(jìn)行檢測，以獲得相應(yīng)的同步編碼[4,5]。其次，分解所得的數(shù)據(jù)同步代碼，通過枚舉方式記錄所有可能發(fā)生的序列形式。再次，對由全部序列構(gòu)成的有限同步代碼進(jìn)行編碼，利用貪婪算法對所有組合中的最佳序列進(jìn)行篩選[6]。先將各序列執(zhí)行CP處理，以獲得處理序列和相應(yīng)功率。然后與起始同步代碼相比較，得到處理后的順序CP誤差序列和功率差序列，選擇最小的序列，以盡量少的序列進(jìn)行傳輸。最后，基于編碼表，ZigBee接收機(jī)對同步代碼進(jìn)行恢復(fù)，并對其進(jìn)行譯碼，以獲得原ZigBee數(shù)據(jù)幀[7]。

4 實驗結(jié)果分析

在前文優(yōu)化算法基礎(chǔ)上，采用帶有Atheros AR2425無線網(wǎng)卡的工作站設(shè)備和RF-CC2430節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收端，應(yīng)用優(yōu)化算法，通過實驗驗證了該優(yōu)化系統(tǒng)的可行性及性能。為確保試驗的正確進(jìn)行，選取12個試驗的平均數(shù)作為試驗結(jié)果，每一次試驗總共傳送200個數(shù)據(jù)，并將其與FreeBee的跨網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行綜合比較。試驗中，主要測試了錯誤拒絕率（False Rejection Rate，F(xiàn)RR）和誤符號率（Symbol Error Ratio，SER），并且對相應(yīng)的測試結(jié)果進(jìn)行了分析，具體如下[8]。

在同一情況下，優(yōu)化后的系統(tǒng)比WEBee系統(tǒng)具有更好的性能，單次傳輸時，F(xiàn)RR比在WeBee系統(tǒng)中增加了9%，SER降低了8.4%。通過試驗結(jié)果還可以看出，該優(yōu)化方案的性能相比FreeBee有了很大的改善。

對于單次信道的數(shù)據(jù)傳輸而言，在不同的傳輸距離下，本次試驗測量了FRR和SER，并給出了相應(yīng)的試驗結(jié)果，分別如圖1和圖2所示?？梢钥闯觯?～10 m的傳輸范圍內(nèi)，最優(yōu)的系統(tǒng)可以達(dá)到57以上，F(xiàn)RR小于2.7%，SER值為6%，相比WeBee和FreeBee在同等情況下都有明顯的提高[9]。

圖2 單次傳輸系統(tǒng)SER

在上述試驗中，所有的試驗環(huán)境都是靜態(tài)的情況。為確保試驗精度與可靠性，本文采用固定接收端位置，即不改變收發(fā)端間距，改變發(fā)送端運動速率等方法，實現(xiàn)了在動態(tài)環(huán)境下對系統(tǒng)單路傳輸FRR的測量。從圖3中可以看出，在不同的位移速度變化情況下，F(xiàn)RR值幾乎沒有明顯變化。

圖3 不同速率下單次傳輸系統(tǒng)FRR對比

由于跨網(wǎng)對通信的影響，在不改變傳輸距離的前提下，利用發(fā)送端和接收端的位移次數(shù)來衡量多路徑效應(yīng)的強(qiáng)度，并對單次傳輸條件下通道環(huán)境中的FRR和SER進(jìn)行了測試。在同樣的情況下，通過試驗驗證了該系統(tǒng)在更多路徑的情況下仍然可以很好地工作，并且性能也在一定程度上有所提高[10]。

5 結(jié) 語

本文對WeBee系統(tǒng)中存在的問題進(jìn)行了具體分析，介紹了一種基于循環(huán)前綴的代碼拆分算法，對該算法進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并進(jìn)行了有效性驗證。試驗結(jié)果表明，優(yōu)化方案能有效地改善碼元接收速率，有效降低碼元誤碼率。與WeBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及FreeBee系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的單幀接收速率提升效果明顯，單次發(fā)送的碼元誤差率有所降低。在不同的傳輸距離和多徑情況下，對動態(tài)傳輸進(jìn)行模擬測試，優(yōu)化后的系統(tǒng)比WeBee系統(tǒng)具有更好的性能，符合實驗預(yù)期。