跨技術(shù)通信研究

郭秀珍 何 源

（清華大學(xué)軟件學(xué)院 北京 100084）

（北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心（清華大學(xué)） 北京 100084）（guoxiuzhen94@gmail.com）

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域受到了越來(lái)越多的關(guān)注和采用.據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量達(dá)到了176.8億臺(tái)，并保持每年17%的增長(zhǎng)率.與此同時(shí)，無(wú)線技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)之一也得到了多樣化的發(fā)展.比如，WiFi技術(shù)被廣泛應(yīng)用在智能家居產(chǎn)品，ZigBee技術(shù)應(yīng)用在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控，藍(lán)牙設(shè)備支持低功耗的連接，LoRa技術(shù)能在公里級(jí)別的距離傳輸?shù)?

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和應(yīng)用呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長(zhǎng)，在同一個(gè)物理空間尤其是室內(nèi)環(huán)境中，各種各樣無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共存的情況越來(lái)越普遍.比如在智慧工廠中，ZigBee節(jié)點(diǎn)用于監(jiān)控溫度濕度等環(huán)境信息，RFID標(biāo)簽用于監(jiān)控設(shè)備的振動(dòng)轉(zhuǎn)角等狀態(tài)信息，WiFi路由器為巡檢人員提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，等等.在這種不同無(wú)線技術(shù)相互共存相互融合的場(chǎng)景中，不同無(wú)線技術(shù)之間就會(huì)導(dǎo)致信道競(jìng)爭(zhēng)、信號(hào)沖突、吞吐降低、延遲增加等嚴(yán)重的共存問(wèn)題.

多種異質(zhì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共存在很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中都是不可避免的.被動(dòng)地進(jìn)行沖突避讓、干擾容忍和并發(fā)解碼只是緩兵之策，不同無(wú)線技術(shù)之間主動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和融合協(xié)調(diào)才是解決共存問(wèn)題的突破口.在這種背景下，跨技術(shù)通信方法應(yīng)運(yùn)而生.多個(gè)異構(gòu)設(shè)備之間能夠直接地傳輸數(shù)據(jù)和交換信息，實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)管理、干擾控制、交互操作和組網(wǎng)融合等.

跨技術(shù)通信方法是近年來(lái)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點(diǎn)之一，現(xiàn)有工作實(shí)現(xiàn)了2類跨技術(shù)通信的方法.第1類利用各種異構(gòu)設(shè)備都能進(jìn)行能量感知的共性，利用數(shù)據(jù)包級(jí)別的特征構(gòu)建了數(shù)據(jù)包能量、長(zhǎng)度、間隔、狀態(tài)信息等側(cè)信道來(lái)傳輸跨技術(shù)通信的比特信息.第2類挖掘了不同無(wú)線技術(shù)調(diào)制解調(diào)的兼容性，提出了物理層模擬的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的重構(gòu)或映射.目前，跨技術(shù)通信方法已經(jīng)取得了積極進(jìn)展，但同時(shí)仍有大量的開(kāi)放性問(wèn)題有待解決.

本文在重新梳理相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，分析了跨技術(shù)通信方法產(chǎn)生的背景和研究意義，總結(jié)了現(xiàn)有工作提出的跨技術(shù)通信方法，并介紹了跨技術(shù)通信的相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景.最后，展望了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更加泛在的跨網(wǎng)絡(luò)、跨技術(shù)、跨頻率的互聯(lián)互通.

1 跨技術(shù)通信方法背景

1.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的共存與融合

隨著無(wú)線通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使用不同無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)越來(lái)越多地出現(xiàn)和豐富了人們的日常生活.比如 WiFi[1-2]，ZigBee[3-4]，Bluetooth[5-6]，LoRa[6-8]，RFID[9-10]等無(wú)線技術(shù)廣泛應(yīng)用在智能家居、智能穿戴、智慧醫(yī)療和智慧工業(yè)等領(lǐng)域.一方面，不同的無(wú)線技術(shù)能夠適應(yīng)不同的系統(tǒng)性能要求，比如通信范圍、數(shù)據(jù)率、延遲和能耗等.另一方面，這些不同的無(wú)線技術(shù)共享同一個(gè)頻段的信道資源.圖1展示了3種運(yùn)行在2.4 GHz頻段上的無(wú)線信號(hào)的頻譜分布，可以發(fā)現(xiàn)這3種信號(hào)的頻段相互重疊.如果這些不同無(wú)線技術(shù)共存在同一個(gè)物理空間時(shí)，因?yàn)樾诺栏?jìng)爭(zhēng)和信號(hào)沖突，有可能誘發(fā)網(wǎng)絡(luò)丟包、吞吐降低、延遲增加、頻譜低效等嚴(yán)重的共存問(wèn)題.文獻(xiàn)[11]中展示了真實(shí)環(huán)境中WiFi和ZigBee相互干擾的情況，在不同的WiFi流量負(fù)載下，ZigBee的丟包率在0%~85%之間變化.

Fig.1 Frequency distribution of common wireless technologies in 2.4 GHz圖1 常見(jiàn)無(wú)線技術(shù)在2.4GHz的頻譜分布

不同的無(wú)線技術(shù)因?yàn)槲锢韺訕?biāo)準(zhǔn)的不兼容性，不能要求其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的配合，只能被動(dòng)地調(diào)整自己的傳輸策略.傳統(tǒng)的無(wú)線共存問(wèn)題[12]的解決方法包括干擾避讓[13-14]、容忍[15-17]和并發(fā)機(jī)制[18-19].

1）干擾避讓.避讓法是盡量從時(shí)間、頻率和碼字3個(gè)方面隔離自己的信號(hào)和其他無(wú)線異質(zhì)信號(hào).載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)[20-21]（carrier sense multiple access, CSMA）和時(shí)分多路訪問(wèn)[22-23]（time division multiple access, TDMA）是時(shí)間隔離的方法.在CSMA中，發(fā)射機(jī)在發(fā)送信號(hào)之前首先進(jìn)行偵聽(tīng)檢測(cè)信道是否空閑，當(dāng)信道中有其他信號(hào)正在傳輸時(shí)，會(huì)隨機(jī)后退一段時(shí)間避讓干擾后再進(jìn)行傳輸.在跳頻技術(shù)[24-25]中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并不使用固定的信道，而是在所有可用信道上進(jìn)行變化.這樣不同的無(wú)線技術(shù)不會(huì)長(zhǎng)期在某個(gè)相同的信道上停留，有效地避免干擾和沖突.另外，還可以通過(guò)編碼技術(shù)，增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力和數(shù)據(jù)包的解碼率.

2）容忍和并發(fā)機(jī)制.通常不同無(wú)線異構(gòu)設(shè)備具有非對(duì)稱性，比如WiFi的發(fā)送功率更大、競(jìng)爭(zhēng)信道的能力更強(qiáng)；低功耗設(shè)備ZigBee的功率較低、能力較弱.那么WiFi的CSMA監(jiān)聽(tīng)不到遠(yuǎn)處ZigBee的傳輸，不會(huì)產(chǎn)生避讓，所以ZigBee信號(hào)很容易被高功率的WiFi干擾.當(dāng)2個(gè)發(fā)送端的數(shù)據(jù)包到達(dá)同一個(gè)接收端時(shí)可能會(huì)存在捕獲效應(yīng)[26-27]，通常信號(hào)能量較高的數(shù)據(jù)包可以被成功解析.比如ZIMO[28]中利用干擾消除技術(shù)，在ZigBee信號(hào)和WiFi信號(hào)重疊時(shí)，能夠消除WiFi干擾成功解碼出ZigBee信號(hào).

1.2 跨技術(shù)通信方法的誕生

跨技術(shù)通信是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備共存融合的大勢(shì)所趨.在物聯(lián)網(wǎng)迅猛發(fā)展的大背景下，多種異質(zhì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共存是不可避免的.被動(dòng)地進(jìn)行沖突避讓、干擾容忍和并發(fā)解碼只是緩兵之策，不同無(wú)線技術(shù)之間主動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和融合協(xié)調(diào)才是解決共存問(wèn)題的突破口.

目前，市場(chǎng)上涌現(xiàn)出了眾多網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，包括神州數(shù)碼、艾泰、國(guó)富安等多種品牌，可以實(shí)現(xiàn)不同調(diào)制方式的無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換，應(yīng)用在工業(yè)廠房、家庭監(jiān)控等場(chǎng)景.與此同時(shí)，市場(chǎng)上也有很多用于解決設(shè)備連接的軟件框架平臺(tái)技術(shù)，比如Niagara是Tridium公司研發(fā)設(shè)計(jì)的用于解決設(shè)備連接的軟件框架平臺(tái)，用于提高物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的互操作能力和提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)呈現(xiàn).因此，實(shí)現(xiàn)不同無(wú)線技術(shù)之間的轉(zhuǎn)換和通信是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備共存融合的大勢(shì)所趨.但是純網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)會(huì)帶來(lái)部署和維護(hù)的成本提高以及雙倍的通信開(kāi)銷，造成信道擁擠并降低整體傳輸效率[29-31].因此，我們需要去除網(wǎng)關(guān)，在無(wú)線異構(gòu)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)直接的萬(wàn)物互聯(lián)和異構(gòu)融合.在這種背景下，跨技術(shù)通信方法應(yīng)運(yùn)而生.

跨技術(shù)通信是指2個(gè)異構(gòu)的無(wú)線設(shè)備之間能夠?qū)崿F(xiàn)直接的數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，而不需要中間的網(wǎng)關(guān).但是，實(shí)現(xiàn)跨技術(shù)通信也面臨著很多挑戰(zhàn)，包括信息屏障、媒介缺失和管理失衡.

首先，異質(zhì)網(wǎng)元天然存在“信息屏障”，不同無(wú)線技術(shù)的物理層采用不同的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)是不兼容的.其次，這些異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同面臨“媒介缺失”的問(wèn)題，不同無(wú)線技術(shù)的編碼調(diào)制方式不同，相應(yīng)的解調(diào)解碼方式也不同.最后，不同無(wú)線技術(shù)共享信道資源容易出現(xiàn)“管理失衡”，因?yàn)椴煌瑹o(wú)線技術(shù)的帶寬、速率、接收靈敏度、抗噪聲干擾、搶占信道的能力是非對(duì)稱的.

為了解決這些挑戰(zhàn)，近些年涌現(xiàn)出了很多實(shí)現(xiàn)跨技術(shù)通信方法的研究工作.對(duì)跨技術(shù)通信的研究最早可以追溯到2009年，Chebrolu等人[32]提出的Esense借助數(shù)據(jù)包能量實(shí)現(xiàn)了從WiFi到ZigBee的直接數(shù)據(jù)傳輸，證明了跨技術(shù)通信的可行性.美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的He等人[33]在2015年的MobiCom會(huì)議上發(fā)表論文FreeBee時(shí)率先將該成果定義為跨技術(shù)通信（cross technology communication，CTC），該團(tuán)隊(duì)后續(xù)也發(fā)表了一系列代表性成果，為跨技術(shù)通信方向的研究樹(shù)立了標(biāo)桿.隨后，清華大學(xué)何源老師團(tuán)隊(duì)于2016年率先在國(guó)內(nèi)系統(tǒng)性開(kāi)展跨技術(shù)通信相關(guān)研究，團(tuán)隊(duì)提出的能量編碼和數(shù)字模擬等方法備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和討論.另外，國(guó)內(nèi)很多其他高校例如浙江大學(xué)、北京郵電大學(xué)、西北大學(xué)、燕山大學(xué)等團(tuán)隊(duì)都先后開(kāi)展跨技術(shù)通信相關(guān)研究.

跨技術(shù)通信的技術(shù)方向體現(xiàn)在2方面：一方面，對(duì)跨技術(shù)通信的研究從使能實(shí)現(xiàn)技術(shù)向鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層在不斷延伸和拓展；另一方面，跨技術(shù)通信方法的性能不斷完善和提升，比如利用物理層信號(hào)模擬和交叉映射的方法提升數(shù)據(jù)率；通過(guò)減小模擬誤差逐步增加可靠性；尋找多種無(wú)線信號(hào)更加細(xì)粒度的共性特征來(lái)完善兼容性等.

1.3 跨技術(shù)通信方法的研究意義

跨技術(shù)通信方法能夠?qū)崿F(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)控制、干擾管理、交互操作和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合，能夠應(yīng)用在家居、工業(yè)、醫(yī)療等多種場(chǎng)景.

1）智慧家庭.WiFi AP根據(jù)場(chǎng)景的不同動(dòng)態(tài)地給傳感器節(jié)點(diǎn)（ZigBee設(shè)備）分配不同的優(yōu)先級(jí)，保證優(yōu)先級(jí)高的傳感器數(shù)據(jù)能高效穩(wěn)定地回傳到數(shù)據(jù)中心，更好地管理共存的異構(gòu)無(wú)線設(shè)備[34,36].

2）野外森林.利用大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）監(jiān)控溫度濕度等環(huán)境參數(shù)，可以借助LoRa遠(yuǎn)距離低功耗的優(yōu)勢(shì)，給這些分散的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信息，從而避免傳感器節(jié)點(diǎn)自身的多跳傳輸減少延遲.另外，還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)診斷，更快速準(zhǔn)確地確定故障設(shè)備[37].

3）工業(yè)應(yīng)用.大多數(shù)的工業(yè)控制機(jī)械制造需要多種異構(gòu)設(shè)備的交互才能完成復(fù)雜的功能，為了提高控制精度減小誤差，我們可以通過(guò)從WiFi到ZigBee的跨技術(shù)通信方法[38]傳送時(shí)間戳信息實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)別的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步誤差.

4）網(wǎng)絡(luò)安全.跨技術(shù)通信方法在實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備之間直接數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，也能讓2個(gè)異構(gòu)設(shè)備之間可以相互模仿，無(wú)法區(qū)分出誰(shuí)是同質(zhì)設(shè)備還是異構(gòu)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)攻擊.比如WiFi設(shè)備可以模擬一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備，WiFi發(fā)出的從WiFi到藍(lán)牙的模擬信號(hào)和藍(lán)牙到藍(lán)牙的數(shù)據(jù)信號(hào)非常相似，導(dǎo)致藍(lán)牙接收端無(wú)法辨別，從而出現(xiàn)廣告推送、數(shù)據(jù)竊取等安全隱私問(wèn)題[39].

5）健康看護(hù).借助跨技術(shù)通信方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)健康數(shù)據(jù)更快速的上傳和更廣泛的監(jiān)控[40].比如可以利用廣泛部署的WiFi AP作為藍(lán)牙基站[41]，及時(shí)上傳藍(lán)牙手表、手環(huán)等可穿戴設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)，并且實(shí)現(xiàn)更加及時(shí)地幫助和救援.另外，跨技術(shù)通信方法能夠?yàn)楹芏郔oT設(shè)備制定高效的節(jié)能策略[42].通常允許WiFi連接的設(shè)備耗電嚴(yán)重，很多設(shè)備會(huì)采用802.11的PSM模式關(guān)閉WiFi接口，來(lái)避免設(shè)備對(duì)環(huán)境中可連接WiFi網(wǎng)絡(luò)的嗅探以此節(jié)能，但這種方法也讓設(shè)備不能及時(shí)地連接到可用的WiFi網(wǎng)絡(luò)上.在這種情況下，我們可以利用低功耗ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)的監(jiān)聽(tīng)模式[28]去檢測(cè)是否有可用的WiFi網(wǎng)絡(luò)，然后再通過(guò)ZigBee到WiFi的跨技術(shù)通信方法打開(kāi)WiFi接口，延長(zhǎng)電池壽命.

2 數(shù)據(jù)包級(jí)別的跨技術(shù)通信方法

因?yàn)槲锢韺訁f(xié)議的不兼容，雖然異構(gòu)無(wú)線設(shè)備之間不能直接地解調(diào)解碼（如1.2節(jié)分析），但是可以利用數(shù)據(jù)包級(jí)別的特征構(gòu)建一個(gè)能夠?qū)κ瞻l(fā)雙方同時(shí)有效的側(cè)信道，從而傳送異構(gòu)設(shè)備之間的跨技術(shù)通信的數(shù)據(jù)信息.這種方法類似于2個(gè)說(shuō)不同語(yǔ)言的人，雖然聽(tīng)不懂對(duì)方的話，但是可以通過(guò)聲音的高低、一句話的長(zhǎng)短等來(lái)傳遞信息.目前，主要有基于接收信號(hào)強(qiáng)度（received signal strength, RSS）和信道狀態(tài)信息（channel state information, CSI）2 種基于數(shù)據(jù)包級(jí)別特征的跨技術(shù)通信方法.表1總結(jié)了現(xiàn)有的數(shù)據(jù)包級(jí)別的跨技術(shù)通信方法.表1中，可靠性是用來(lái)評(píng)估該技術(shù)的抗干擾能力，以及提出編碼側(cè)信道是否有應(yīng)對(duì)環(huán)境干擾的機(jī)制.基于RSS的側(cè)信道比基于CSI的側(cè)信道具有更高的可靠性，另外，StripComm[43]，F(xiàn)reeBee[33]，HoWiES[44]分別采取了曼徹斯特編碼、folding技術(shù)和多數(shù)據(jù)包編碼策略來(lái)抵抗噪聲；AdaComm[45]，c-Chirp[46]，DopplerFi分別采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、線性調(diào)頻和多子載波調(diào)制的方法來(lái)提高CSI的可靠性.

Table 1 Overview of Packet-Level CTC Methods表1 數(shù)據(jù)包級(jí)別的跨協(xié)議通信技術(shù)概覽

2.1 基于RSS的跨技術(shù)通信方法

大多數(shù)無(wú)線設(shè)備，比如 WiFi，Bluetooth，ZigBee，LoRa等，都能支持RSS檢測(cè)的功能，能夠?qū)⑹盏降臒o(wú)線信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度直接記錄下來(lái)，而不需要將信號(hào)解碼出來(lái).收發(fā)雙方可以通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度信息來(lái)構(gòu)建可識(shí)別的特征序列，從而實(shí)現(xiàn)跨技術(shù)數(shù)據(jù)信息的傳輸.我們可以通過(guò)調(diào)整數(shù)據(jù)包的發(fā)送能量、長(zhǎng)度信息、發(fā)送間隔和順序等來(lái)構(gòu)建不同的RSS序列特征.

1）數(shù)據(jù)包能量.通過(guò)控制接收端收到的RSS信息在能量強(qiáng)度上發(fā)生的變化可以傳輸跨技術(shù)的數(shù)據(jù)比特.如圖2所示，當(dāng)WiFi發(fā)送端有數(shù)據(jù)包傳送時(shí)，ZigBee接收端檢測(cè)到的RSS強(qiáng)度高，可以傳遞跨技術(shù)比特“1”；當(dāng)WiFi發(fā)送端沒(méi)有數(shù)據(jù)包傳送時(shí)，ZigBee接收端檢測(cè)到的RSS強(qiáng)度低，可以傳遞跨技術(shù)比特“0”.但是，數(shù)據(jù)包的有無(wú)只能在接收端出現(xiàn)2種不同的數(shù)據(jù)包能量等級(jí)（能級(jí)），一個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)只能傳送實(shí)現(xiàn)1b的跨技術(shù)數(shù)據(jù).WiZig[47]通過(guò)在WiFi發(fā)送端調(diào)整不同的發(fā)送功率來(lái)在接收端實(shí)現(xiàn)多種不同的能級(jí)來(lái)提高數(shù)據(jù)率.比如4種不同的發(fā)送功率對(duì)應(yīng)4種不同的能級(jí)，就可以傳送2b的跨技術(shù)數(shù)據(jù).另外，StripComm[43]提出將數(shù)據(jù)包能量信息進(jìn)行曼徹斯特編碼的方法來(lái)提高跨技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力和魯棒性.

Fig.2 Packet-level CTC method based on packet energy圖2 基于包能量的數(shù)據(jù)包級(jí)別跨技術(shù)通信方法

2）數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度.發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度不同，使接收端收到信號(hào)強(qiáng)度的持續(xù)時(shí)間不同，從而可以對(duì)應(yīng)不同的跨技術(shù)數(shù)據(jù)比特.如圖3所示.Esense[32]在發(fā)送端和接收端之間建立映射表，規(guī)定一個(gè)窗口內(nèi)100種不同長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包以及跨技術(shù)數(shù)據(jù)比特的對(duì)應(yīng)關(guān)系.HoWiES[44]改進(jìn)了Esense，能夠在一個(gè)窗口傳遞 2 744 種信息.

3）數(shù)據(jù)包間隔.通過(guò)改變廣播幀的發(fā)送間隔，比如WiFi和Bluetooth的beacon幀，可以傳遞跨技術(shù)數(shù)據(jù)信息，不需要帶來(lái)額外的數(shù)據(jù)包開(kāi)銷.比如2個(gè)相鄰的 WiFi廣播幀的時(shí)間間隔是 100 ms，F(xiàn)reeBee[33]中調(diào)整了WiFi廣播幀的廣播間隔，讓ZigBee和Bluetooth等接收端采集到的高電平的信號(hào)強(qiáng)度間隔發(fā)生變化，從而傳遞WiFi到ZigBee和WiFi到Bluetooth的跨技術(shù)信息，如圖4所示.

Fig.3 Packet-level CTC method based on packet size圖3 基于包長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包級(jí)別跨技術(shù)通信方法

Fig.4 Packet-level CTC method based on packet interval圖4 基于包間隔的數(shù)據(jù)包級(jí)別跨技術(shù)通信方法

4）數(shù)據(jù)包順序.控制不同數(shù)據(jù)包的發(fā)送順序可以構(gòu)建不同的信號(hào)強(qiáng)度序列.如圖5所示，C-Morse[48]調(diào)整不同類型、不同長(zhǎng)度數(shù)據(jù)包的發(fā)送順序，在接收端構(gòu)建{短、短、長(zhǎng)、長(zhǎng)}、{短、長(zhǎng)、短、長(zhǎng)}等多種不同類型的摩斯編碼序列；EMF[49]中通過(guò)調(diào)整數(shù)據(jù)包的發(fā)送順序，改變了接收端在一個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)收到的高電平的占空比.可以用摩斯編碼來(lái)改變信號(hào)占空比實(shí)現(xiàn)跨技術(shù)數(shù)據(jù)比特信息的傳遞.PRComm[50]主要考慮了同步和抗干擾2個(gè)需求，發(fā)送端通過(guò)改變數(shù)據(jù)包順序來(lái)構(gòu)建不同的偽隨機(jī)序列，提高抗干擾能力，并提出基于可識(shí)別編碼特征的動(dòng)態(tài)同步解碼策略，容忍數(shù)據(jù)包時(shí)間誤差的影響.

Fig.5 Packet-level CTC method based on packet schedule圖5 基于包順序的數(shù)據(jù)包級(jí)別跨技術(shù)通信方法

2.2 基于CSI的跨技術(shù)通信方法

無(wú)線異構(gòu)信號(hào)在頻域上互相重疊的特性為基于CSI的跨技術(shù)通信方法提供了理論支持.WiFi 802.11a/g/n 支持 20 MHz的信道寬度，每個(gè)信道分成64個(gè)子信道，CSI[54]是用來(lái)指示這些子載波上的信道狀態(tài)，包括幅度和相位2個(gè)部分.相比于RSS，CSI的變化更穩(wěn)定，抗干擾能力更強(qiáng).通過(guò)影響WiFi接收端收到的CSI的特征序列、波形構(gòu)建和頻偏等，可以實(shí)現(xiàn)跨技術(shù)通信方法.

1）特征序列.當(dāng)WiFi數(shù)據(jù)包在傳送過(guò)程中受到其他數(shù)據(jù)包的干擾或者影響時(shí)，CSI序列會(huì)發(fā)生顯著變化，從而可以利用CSI序列實(shí)現(xiàn)跨技術(shù)數(shù)據(jù)的傳輸，如圖6所示.比如，當(dāng)信道中有ZigBee數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)，ZigBee信號(hào)會(huì)影響WiFi數(shù)據(jù)包的前導(dǎo)碼，從而使接收端收到的CSI序列發(fā)生變化.因?yàn)榄h(huán)境信道的復(fù)雜性，CSI的變化特征很難通過(guò)現(xiàn)有的公式進(jìn)行量化.ZigFi[51]中提出利用支持向量機(jī)來(lái)對(duì)CSI序列進(jìn)行判斷.如果CSI發(fā)生了顯著變化，則判斷信道中有ZigBee數(shù)據(jù)包，從ZigBee到WiFi的跨技術(shù)數(shù)據(jù)是“1”；反之，從 ZigBee到 WiFi的跨技術(shù)數(shù)據(jù)是“0”.除了ZigBee信號(hào)外，背景噪聲、突發(fā)信號(hào)、多徑干擾都會(huì)影響WiFi的CSI序列，AdaComm[45]利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來(lái)判斷CSI序列的特征，從而增強(qiáng)了跨技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)聂敯粜院推者m性.

Fig.6 CSI sequence received by WiFi with and without ZigBee圖6 有/無(wú)ZigBee傳輸情況下WiFi收到的CSI序列

2）波形構(gòu)建.除了將WiFi的CSI是否發(fā)生變化作為特征外，還可以通過(guò)不同的CSI大小構(gòu)建不同的CSI波形來(lái)進(jìn)行跨技術(shù)數(shù)據(jù)的傳輸.B2W2[52]中通過(guò)Bluetooth數(shù)據(jù)包來(lái)影響WiFi收到的CSI，通過(guò)調(diào)節(jié)不同的Bluetooth發(fā)送功率，使得WiFi的CSI出現(xiàn)DAFSK的波形，WiFi接收端根據(jù)波形的變化來(lái)解碼數(shù)據(jù)，如圖7所示.受LoRa信號(hào)擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的啟發(fā)，c-Chirp[46]在不同的ZigBee信道上發(fā)送數(shù)據(jù)包，WiFi接收端收到的CSI序列會(huì)在不同的頻率上線性變化，從而將ZigBee到WiFi跨技術(shù)通信的距離提高到60 m.

Fig.7 DAFSK waveform constructed by WiFi CSI圖7 利用 WiFi CSI構(gòu)建 DAFSK 波形

因?yàn)閿?shù)據(jù)率受限的影響，目前跨技術(shù)通信的研究主要集中在基于物理層信號(hào)的跨技術(shù)通信方法研究.但是相比基于物理層信號(hào)的跨技術(shù)通信方法，數(shù)據(jù)包級(jí)別的跨技術(shù)通信方法在通用性、兼容性和可靠性方面仍然具有較大的優(yōu)勢(shì).

3 物理層級(jí)別的跨技術(shù)通信方法

雖然基于數(shù)據(jù)包級(jí)別的跨技術(shù)通信方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、不需要修改設(shè)備的底層硬件和MAC協(xié)議、有很強(qiáng)的兼容適配能力，但是這種方法實(shí)現(xiàn)的跨技術(shù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率是非常有限的，通常只有幾百bps到幾千bps.通常一個(gè)數(shù)據(jù)包的持續(xù)時(shí)間是幾毫秒，所以基于數(shù)據(jù)包能量、大小、間隔和發(fā)送順序等數(shù)據(jù)包級(jí)別特征的方法的調(diào)制粒度有限，從而限制了數(shù)據(jù)率.

為了進(jìn)一步提升跨技術(shù)通信的傳輸效率，近年來(lái)提出基于物理層級(jí)別的跨技術(shù)通信方法，能夠?qū)崿F(xiàn)Mbps的數(shù)據(jù)率.按照發(fā)送端和接收端是否需要修改上層協(xié)議，我們將現(xiàn)有的物理層級(jí)別的跨技術(shù)通信方法分為3類，分別是接收端透明的、發(fā)送端透明的、非透明的跨技術(shù)通信方法.表2總結(jié)了現(xiàn)有的物理層級(jí)別的跨技術(shù)通信方法.其中，修改程度是指對(duì)發(fā)送端或者接收端進(jìn)行修改的程度，分為對(duì)軟件或固件的修改以及對(duì)硬件的修改.修改程度“低”是指只需要對(duì)發(fā)送端或者接收端中的一端進(jìn)行軟件或固件的修改，改變發(fā)送端的發(fā)送方式或者接收端的解碼規(guī)則；修改程度“中”是指需要同時(shí)在軟件或固件層面對(duì)發(fā)送端的發(fā)送方式和接收端的解碼規(guī)則進(jìn)行修改；修改程度“高”是指我們需要對(duì)發(fā)送端和接收端的硬件進(jìn)行升級(jí)改造來(lái)完成跨技術(shù)通信.

Table 2 Overview of Physical-Level CTC Methods表2 物理層級(jí)別的跨技術(shù)通信方法概覽

3.1 接收端透明的跨技術(shù)通信方法

接收端透明的跨技術(shù)通信方法是指接收端不需要任何修改就可以直接解碼其他異構(gòu)無(wú)線信號(hào)的方法.發(fā)送端通過(guò)適當(dāng)?shù)挠布薷幕蛘吖碳?jí)去模擬接收端的信號(hào).因?yàn)榘l(fā)送端有較強(qiáng)的計(jì)算能力，所以發(fā)送端模擬出的信號(hào)和接收端想要的信號(hào)非常相近，從而被接收端認(rèn)為是合法的數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)有效的接收.根據(jù)發(fā)送端模擬目標(biāo)的不同，接收端透明的跨技術(shù)通信方法又可以分為對(duì)接收端時(shí)域波形的模擬和對(duì)接收端相偏序列的模擬.

1）對(duì)時(shí)域波形的模擬.發(fā)送端通過(guò)改變數(shù)據(jù)包的內(nèi)容去模擬接收端想要的時(shí)域波形，從而實(shí)現(xiàn)跨技術(shù)數(shù)據(jù)的有效接收和解碼[66].WEBee[55]提出了基于物理層波形模擬的方法實(shí)現(xiàn)從WiFi到ZigBee跨技術(shù)通信的方法.如圖8所示，WiFi發(fā)送端在WiFi數(shù)據(jù)包的payload域填充合適的數(shù)據(jù)比特去模擬ZigBee的時(shí)域波形，然后像發(fā)送正常的WiFi數(shù)據(jù)包一樣發(fā)送模擬數(shù)據(jù)包.ZigBee接收端將WiFi數(shù)據(jù)包的前導(dǎo)碼、包頭和尾部數(shù)據(jù)域認(rèn)為是噪聲丟棄，而WiFi的payload域滿足ZigBee的波形要求，會(huì)被認(rèn)為是合法的ZigBee數(shù)據(jù)包成功解碼.

這種對(duì)時(shí)域信號(hào)的模擬方法主要是通過(guò)WiFi發(fā)送的逆過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖9所示.假設(shè)WiFi發(fā)送端發(fā)出的模擬信號(hào)就是標(biāo)準(zhǔn)的接收端信號(hào)，經(jīng)過(guò)去循環(huán)前綴（CP）、傅里葉變換、逆映射、解卷積、解交織、解擾碼等操作，可以反推出原始的數(shù)據(jù)比特.如果WiFi發(fā)送端將這些數(shù)據(jù)比特填充到payload域，那么經(jīng)過(guò)發(fā)送流程，就能模擬出接收端想要的時(shí)域信號(hào)，這個(gè)過(guò)程叫作QAM模擬.根據(jù)相似的波形模擬的思想，PMC[56]中WiFi發(fā)送端利用WiFi和ZigBee重疊的子載波實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee信號(hào)的模擬，利用WiFi和ZigBee非重疊的子載波實(shí)現(xiàn)WiFi信號(hào)的傳輸.

Fig.8 Physical-level CTC method based on time-domain emulation圖8 基于時(shí)域波形模擬的物理層跨技術(shù)通信方法

Fig.9 Process of WiFi transmission and emulation圖9 WiFi端的信號(hào)發(fā)送和信號(hào)模擬流程

但是，WiFi端模擬出的時(shí)域信號(hào)和接收端想要的時(shí)域信號(hào)之間存在模擬誤差，主要來(lái)自QAM模擬誤差和循環(huán)前綴帶來(lái)的誤差.如圖10所示，一般WiFi中可用的QAM點(diǎn)大小和數(shù)量是固定有限的，ZigBee信號(hào)對(duì)應(yīng)的QAM和WiFi可用的QAM點(diǎn)不能重合.所以，用距離最近的WiFi可用QAM點(diǎn)去模擬ZigBee信號(hào)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)QAM誤差.WiFi中采用循環(huán)前綴機(jī)制，將每個(gè)OFDM碼元后面的0.8us的信號(hào)復(fù)制到碼元的開(kāi)頭，來(lái)抵抗多徑干擾的影響.但是，ZigBee信號(hào)并沒(méi)有循環(huán)前綴的約束，一個(gè)ZigBee符號(hào)開(kāi)頭和結(jié)尾的時(shí)域信號(hào)并不相同.所以，WiFi的循環(huán)前綴也會(huì)帶來(lái)模擬誤差.

Fig.10 QAM errors caused by time-domain emulation圖10 由時(shí)域模擬產(chǎn)生的QAM誤差

2）對(duì)相偏序列的模擬.因?yàn)槟M誤差，WiFi發(fā)送端的模擬信號(hào)和ZigBee想要的時(shí)域信號(hào)并不能完美地匹配和對(duì)應(yīng)，所以基于時(shí)域波形的模擬方法僅能實(shí)現(xiàn)50%左右的數(shù)據(jù)包接收率.另外，我們發(fā)現(xiàn)很多接收端是利用相位變化而不是波形來(lái)解碼的，比如相偏大于0解碼為1，相偏小于0解碼為0.因此，很多工作提出了基于相偏序列的模擬方法來(lái)提高模擬信號(hào)的接收率.

WIDE[57]提出了數(shù)字模擬的方法有效地減小了模擬誤差，將WiFi到ZigBee跨技術(shù)數(shù)據(jù)包的接收率提高到了85%.ZigBee接收端根據(jù)相偏符號(hào)實(shí)現(xiàn)解碼.比如比特1對(duì)應(yīng)相偏為正，無(wú)論是pi/2還是pi/4都能滿足相偏為正的符號(hào)要求；反之比特0對(duì)應(yīng)的相偏為負(fù).所以，如圖11所示，給定一個(gè)比特序列，有很多種能夠滿足相偏要求的階梯狀相位序列.不同的相位序列對(duì)應(yīng)的WiFi模擬誤差是不同的，所以，WiFi發(fā)送端能夠選擇模擬誤差最小的相位序列進(jìn)行模擬，從而有效地提高模擬信號(hào)在接收端的接收率.BlueBee[58]實(shí)現(xiàn)了Bluetooth到ZigBee的跨技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸，也是依據(jù)Bluetooth和ZigBee都是利用相偏序列進(jìn)行解碼的原理，雖然Bluetooth和ZigBee的時(shí)域波形不同，但是它們產(chǎn)生的相偏序列是相同的.

Fig.11 Physical-level CTC method based on digital emulation圖11 基于數(shù)字模擬的物理層跨技術(shù)通信方法

3.2 發(fā)送端透明的跨技術(shù)通信方法

3.1節(jié)所述的接收端透明的跨技術(shù)通信方法利用發(fā)送端強(qiáng)大的計(jì)算能力發(fā)送模擬信號(hào)，接收端不需要任何修改就能直接解碼出發(fā)送端發(fā)送的模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)從高端無(wú)線設(shè)備（計(jì)算能力較強(qiáng)，比如WiFi）到低端無(wú)線設(shè)備（計(jì)算能力較弱，比如ZigBee）的跨技術(shù)通信方法.反之，如果發(fā)送端不需要做任何修改，充分利用接收端的計(jì)算能力，可以實(shí)現(xiàn)反向的從低端無(wú)線設(shè)備到高端無(wú)線設(shè)備的跨技術(shù)信息傳輸，這就是發(fā)送端透明的跨技術(shù)通信方法.

發(fā)送端透明的跨技術(shù)通信方法的核心思想是交叉映射[67-68]，通過(guò)發(fā)送端信號(hào)和接收端解碼出的信號(hào)之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)跨技術(shù)信息的傳輸和解碼.XBee[59]利用交叉映射的思想實(shí)現(xiàn)了從ZigBee到Bluetooth的跨技術(shù)通信方法.如圖12所示，ZigBee發(fā)送端利用相偏進(jìn)行編碼，Bluetooth接收端也是根據(jù)相偏進(jìn)行解碼.所以，發(fā)送端發(fā)出的不同ZigBee信號(hào)會(huì)在Bluetooth解碼端解碼出不同的比特序列，從而傳送不同的跨技術(shù)數(shù)據(jù).LEGO-Fi[60]通過(guò)選擇重組了幾個(gè)不同的WiFi模塊，實(shí)現(xiàn)了從ZigBee到WiFi的跨技術(shù)通信.ZigBee信號(hào)經(jīng)過(guò)降采樣就可以通過(guò)WiFi的短碼元檢測(cè)模塊而不會(huì)被直接丟棄，把WiFi接收端的長(zhǎng)碼元序列替換為ZigBee的幀起始符可以用來(lái)確定ZigBee信號(hào)的起始位置，最后利用WiFi的相位解碼器提取相偏序列并利用ZigBee符號(hào)和相偏序列的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)解碼.

Fig.12 Physical-level CTC method based on cross-demapping圖12 基于交叉逆映射的物理層跨技術(shù)通信方法

3.3 非透明的跨技術(shù)通信方法

非透明的跨技術(shù)通信方法是指發(fā)送端和接收端都做出硬件修改或者固件升級(jí)的跨技術(shù)通信方法，這類技術(shù)通常可以用來(lái)改善跨技術(shù)通信的性能或者用來(lái)實(shí)現(xiàn)多路跨技術(shù)數(shù)據(jù)的并發(fā)傳輸.

1）改善跨技術(shù)通信的性能.通常采用接收端透明的跨技術(shù)通信方法，發(fā)射端發(fā)出的模擬信號(hào)會(huì)有模擬誤差，從而影響跨技術(shù)模擬信號(hào)的接收率.為了提高跨技術(shù)通信的魯棒性，TwinBee[61]在接收端探索了ZigBee端解碼WiFi模擬信號(hào)得到的符號(hào)錯(cuò)誤分布情況，并提出了碼片組合的方法在接收端將錯(cuò)誤的解碼比特進(jìn)行恢復(fù).如圖13所示，對(duì)于一個(gè)ZigBee碼片的結(jié)果來(lái)說(shuō)，容易出錯(cuò)的碼元位置一般位于中間或者2端.另外，ZigBee的碼元之間存在循環(huán)移位的特點(diǎn)，第“m+2”個(gè)碼片向左平移8位后就是第“m”個(gè)碼片.比較碼片“m”和循環(huán)移位后的“m+2”，我們發(fā)現(xiàn)容易出錯(cuò)的分布情況不同.所以接收端將碼片“m”和循環(huán)移位后的“m+2”進(jìn)行組合，可以恢復(fù)出正確的碼片序列.LongBee[62]中利用WiFi發(fā)送端的高功率和ZigBee接收端的高靈敏度，將WiFi到ZigBee的跨技術(shù)通信距離延長(zhǎng)到了90 m.

Fig.13 Chip-combining coding in TwinBee圖13 TwinBee中碼片組合的編碼方法

2）實(shí)現(xiàn)多路跨技術(shù)數(shù)據(jù)的并發(fā)傳輸.在文獻(xiàn)[63]中，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)Chiron發(fā)送器和Chiron接收器，可同時(shí)向（或從）商用WiFi和ZigBee設(shè)備上發(fā)送（或接收）WiFi數(shù)據(jù)和ZigBee數(shù)據(jù).Chiron發(fā)送器利用信號(hào)模擬的方法，讓生成出來(lái)的信號(hào)能夠同時(shí)滿足WiFi和ZigBee信號(hào)的特點(diǎn)，如圖14所示.Chiron接收端需要增加一個(gè)信號(hào)探測(cè)模塊，根據(jù)WiFi和ZigBee碼片速率的差異確定接收信號(hào)的類型.單WiFi信號(hào)、單ZigBee信號(hào)和WiFi加ZigBee混合信號(hào)分別對(duì)應(yīng)不同的解碼算法.類似地，PIC[64]實(shí)現(xiàn)了 WiFi和Bluetooth之間的跨技術(shù)通信信息，發(fā)送端能同時(shí)發(fā)出WiFi和Bluetooth信號(hào)，解碼端也能同時(shí)解碼出WiFi和Bluetooth信號(hào).Symphony[65]實(shí)現(xiàn)了 ZigBee和Bluetooth發(fā)送端到LoRa接收端的跨技術(shù)通信方法.發(fā)送端通過(guò)控制ZigBee和Bluetooth數(shù)據(jù)包中的比特發(fā)出不同的波形序列；LoRa的接收端利用不同的接收模版實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee和Bluetooth信號(hào)的解碼.

Fig.14 Workflow of the sender and the receiver in Chiron圖14 Chiron中的發(fā)送機(jī)和接收機(jī)工作流程

4 現(xiàn)有跨技術(shù)通信方法的比較

從技術(shù)大類上分，跨技術(shù)通信主要包括數(shù)據(jù)包級(jí)別的跨技術(shù)通信方法和物理層級(jí)別的跨技術(shù)通信方法.我們從通用性、高效性和可靠性3個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有2類跨技術(shù)通信方法進(jìn)行比較和分析.

1）在通用性方面.數(shù)據(jù)包級(jí)別的跨技術(shù)通信實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，比物理層級(jí)別的跨技術(shù)通信方法更加通用易用.數(shù)據(jù)包級(jí)別的跨技術(shù)通信利用數(shù)據(jù)包級(jí)別的特征比如數(shù)據(jù)包RSS和CSI來(lái)傳遞跨技術(shù)數(shù)據(jù)，絕大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都支持?jǐn)?shù)據(jù)包RSS和CSI的獲取.因此，數(shù)據(jù)包級(jí)別的跨技術(shù)通信不需要修改數(shù)據(jù)包的內(nèi)容、設(shè)備的底層硬件和MAC協(xié)議，只需要調(diào)整發(fā)送功率就可以調(diào)制跨技術(shù)信息，具有很強(qiáng)的兼容適配能力.但是物理層級(jí)別的跨技術(shù)通信需要對(duì)發(fā)送端或者接收端的發(fā)包內(nèi)容或者解碼流程進(jìn)行改動(dòng).

2）在高效性方面.物理層級(jí)別的跨技術(shù)通信方法的數(shù)據(jù)率顯著高于數(shù)據(jù)包級(jí)別的跨技術(shù)通信.通常一個(gè)數(shù)據(jù)包的持續(xù)時(shí)間是幾毫秒，所以數(shù)據(jù)包級(jí)別的跨技術(shù)通信對(duì)數(shù)據(jù)包RSS和CSI等特征調(diào)制粒度有限，從而限制了數(shù)據(jù)包級(jí)別的跨技術(shù)通信數(shù)據(jù)率只有幾百bps到幾千bps.但是，物理層級(jí)別的跨技術(shù)通信方法提出波形模擬和相位模擬的方法，利用更加細(xì)粒度的波形或者相位信息來(lái)調(diào)制跨技術(shù)信息，能夠?qū)⒖缂夹g(shù)數(shù)據(jù)率提升到Mbps.

3）在可靠性方面.數(shù)據(jù)包級(jí)別的跨技術(shù)通信技術(shù)比物理層級(jí)別的跨技術(shù)通信方法更加魯棒，具有更強(qiáng)的抗干擾能力.數(shù)據(jù)包級(jí)別的跨技術(shù)通信方法中只要數(shù)據(jù)包沒(méi)有被完全淹沒(méi)到噪聲和干擾信號(hào)中，就可以實(shí)現(xiàn)跨技術(shù)數(shù)據(jù)的傳輸.但是，物理層級(jí)別的跨技術(shù)通信方法對(duì)波形或者相位信號(hào)的質(zhì)量要求較高，一旦噪聲和干擾對(duì)波形或者相位產(chǎn)生影響后，就有可能會(huì)導(dǎo)致解碼錯(cuò)誤以及丟包.因此，物理層級(jí)別的跨技術(shù)通信方法更容易受到噪聲或者干擾的影響，需要利用鏈路層的編碼策略和糾錯(cuò)機(jī)制來(lái)提高跨技術(shù)通信的可靠性.

綜上所述，雖然目前學(xué)術(shù)界對(duì)物理層級(jí)別的跨技術(shù)通信方法研究更為活躍，但并不意味著數(shù)據(jù)包級(jí)別的跨技術(shù)通信已落后.實(shí)際上，這2類技術(shù)在通用性、高效性和可靠性上各有側(cè)重、互為補(bǔ)充.

5 跨技術(shù)通信方法的上層應(yīng)用

第2節(jié)和第3節(jié)描述的方法是異構(gòu)設(shè)備之間直接通信的物理層基礎(chǔ).除此之外，還需要考慮一些上層協(xié)議的問(wèn)題才能實(shí)現(xiàn)更好的跨技術(shù)通信網(wǎng)絡(luò).比如，在數(shù)據(jù)鏈路層，不同能量強(qiáng)度的異構(gòu)無(wú)線設(shè)備可能會(huì)導(dǎo)致跨技術(shù)隱藏終端問(wèn)題；跨技術(shù)鏈路質(zhì)量需要實(shí)時(shí)估計(jì)才能更好地進(jìn)行跨技術(shù)通信參數(shù)的調(diào)整.在網(wǎng)絡(luò)層，多種無(wú)線設(shè)備共存異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需要跨技術(shù)通信的路由協(xié)議，并且需要跨技術(shù)ACK機(jī)制保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的穩(wěn)定性等.表3總結(jié)了一些典型的上層跨技術(shù)通信工作，包括信道協(xié)調(diào)、跨技術(shù)ACK機(jī)制、鏈路質(zhì)量估計(jì)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由等.

Table 3 Upper Layer Application of CTC Method表3 跨技術(shù)通信方法的上層應(yīng)用

5.1 信道協(xié)調(diào)

跨技術(shù)通信方法能夠幫助低功耗設(shè)備更好地進(jìn)行信道的選擇，在和高功率設(shè)備共存的場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)更好地協(xié)調(diào)信道的使用[75-76].跨技術(shù)通信方法能夠讓異構(gòu)無(wú)線設(shè)備之間傳遞直接信道協(xié)調(diào)信息，比如具體的信道空閑時(shí)間等，而不需要被動(dòng)式地偵聽(tīng)和避讓，有效地提高了頻譜利用率并減少了信號(hào)之間的干擾.G-Bee[77]中提出利用WiFi信號(hào)傳輸?shù)谋Ｗo(hù)頻帶去傳輸 ZigBee信號(hào).在 ECC[69]中，WiFi能夠在 WiFi傳輸過(guò)程中預(yù)留空白間隙，并將空白間隙的時(shí)間長(zhǎng)度直接傳遞給ZigBee設(shè)備.ZigBee設(shè)備解碼后，可以在已知確定的空白間隙里傳輸ZigBee數(shù)據(jù)，避免了盲目等待和隨機(jī)避讓，減少了信號(hào)干擾和傳輸延時(shí)，提高了信道利用率.

5.2 跨技術(shù)ACK機(jī)制

對(duì)于一個(gè)通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，反饋機(jī)制是非常重要的.NetCTC[71]為跨技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸提供了反饋機(jī)制，WiFi設(shè)備將WiFi到ZigBee的跨技術(shù)數(shù)據(jù)包用噴泉碼編碼，接收端只要能收到足夠多的數(shù)據(jù)包就能保證解碼的成功率.當(dāng)接收端收到足夠多的模擬數(shù)據(jù)包后，發(fā)送“CTC-ACK REQ”信號(hào)給 WiFi設(shè)備.這樣的噴泉碼加ACK的機(jī)制，既能保證跨技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和接收率，還能減少不必要的重傳，提高傳輸效率.

5.3 鏈路質(zhì)量估計(jì)

異構(gòu)無(wú)線設(shè)備組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的信道鏈路和同質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的信道鏈路是不同的.2個(gè)異構(gòu)無(wú)線設(shè)備之間的跨技術(shù)數(shù)據(jù)包，在傳輸過(guò)程中除了會(huì)受到發(fā)送端和接收端之間物理信道造成的影響外，發(fā)送端發(fā)出的模擬數(shù)據(jù)包和接收端想要的理想數(shù)據(jù)包之間本身也存在偏差.C-LQI[73]是關(guān)于異構(gòu)跨技術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)里做鏈路質(zhì)量估計(jì)的文章，將跨技術(shù)通信鏈路分為邏輯鏈路和物理鏈路2部分，邏輯鏈路主要考慮的是跨技術(shù)的模擬數(shù)據(jù)包和理想數(shù)據(jù)包之間的模擬誤差，物理鏈路主要考慮的是物理信道對(duì)模擬數(shù)據(jù)包的影響.X-MIMO[74]中將信道估計(jì)和MIMO技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了WiFi到多個(gè)ZigBee的跨技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸.

5.4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由

在多種無(wú)線設(shè)備共存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)里，跨技術(shù)通信方法能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由，提升網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率和運(yùn)行能力[34-36].ECT[70]以跨技術(shù)通信方法為基礎(chǔ)，提出了ZigBee和WiFi共存網(wǎng)絡(luò)里的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制.ZigBee節(jié)點(diǎn)同時(shí)將重要信息和原始信息發(fā)送給 WiFi AP 和其他 ZigBee 節(jié)點(diǎn).當(dāng) WiFi AP 收到重要信息后傳給服務(wù)器，服務(wù)器將ZigBee網(wǎng)絡(luò)里各個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)映射表和路由機(jī)制回傳給WiFi設(shè)備，并由WiFi設(shè)備通過(guò)跨技術(shù)通信方法傳遞給ZigBee節(jié)點(diǎn).這樣ZigBee節(jié)點(diǎn)可以直接獲取到不同ZigBee設(shè)備的優(yōu)先級(jí)和路由信息，實(shí)現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，減少延遲.

6 未來(lái)展望

在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)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(jì)的智慧物體需要聯(lián)網(wǎng)交互信息，實(shí)現(xiàn)智能管理.一個(gè)理想的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)無(wú)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(shí)時(shí)地交換數(shù)據(jù)，分享信息.雖然目前的研究能夠?qū)崿F(xiàn)2個(gè)異構(gòu)無(wú)線之間的跨技術(shù)通信方法，但是與廣泛的互聯(lián)互通這一愿景相比，卻仍有不小的距離.在跨網(wǎng)絡(luò)、跨頻率、跨介質(zhì)的通信傳輸?shù)妊芯糠较?，仍存在許多開(kāi)放性問(wèn)題，下面作簡(jiǎn)要的分析和探討.

6.1 跨網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸

反向散射通信（backscatter）系統(tǒng)因?yàn)槌杀镜汀⒐男?、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用.一個(gè)典型的Backscatter系統(tǒng)里包括2個(gè)組件：一個(gè)是激勵(lì)源，一個(gè)是標(biāo)簽.標(biāo)簽通過(guò)反射激勵(lì)源的信號(hào)實(shí)現(xiàn)信息的傳遞.我們可以利用現(xiàn)有的無(wú)線設(shè)備作為激勵(lì)源激活標(biāo)簽，標(biāo)簽將感知數(shù)據(jù)傳送給已有的無(wú)線設(shè)備，這樣既可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，也能利用標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)低功耗感知數(shù)據(jù)的監(jiān)控.

如圖15所示，在WiTag[78]中，客戶端設(shè)備將數(shù)據(jù)包傳輸給WiFi AP，標(biāo)簽端通過(guò)切換阻抗大小調(diào)整反射信號(hào)的相位.相位為0度代表標(biāo)簽的數(shù)據(jù)是1，相位為180度代表標(biāo)簽的數(shù)據(jù)是0.標(biāo)簽不同相位的反射信號(hào)會(huì)影響 WiFi AP 對(duì)數(shù)據(jù)包的解碼，WiFi AP 通過(guò)信號(hào)疊加的結(jié)果可以解碼出標(biāo)簽的感知數(shù)據(jù).

Fig.15 The application scenario of WiTag圖15 WiTag的應(yīng)用場(chǎng)景

如圖16所示，Gatescatter[79]也利用標(biāo)簽輔助實(shí)現(xiàn)了ZigBee傳感器感知數(shù)據(jù)到WiFi AP的上傳，標(biāo)簽利用硬件設(shè)計(jì)將ZigBee的OQPSK轉(zhuǎn)換為WiFi 802.11b的信號(hào)，從而被WiFi網(wǎng)絡(luò)有效地接收.

6.2 跨頻率的通信傳輸

當(dāng)2個(gè)異構(gòu)無(wú)線設(shè)備不在同一個(gè)頻段時(shí)，可以利用硬件的非線性實(shí)現(xiàn)頻移，實(shí)現(xiàn)跨頻率的通信傳輸.

Fig.16 The application scenario of Gatescatter圖16 Gatescatter的應(yīng)用場(chǎng)景

如圖17所示，Interscatter[80]借助Backscatter標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)不同頻率的Bluetooth和WiFi的跨技術(shù)、跨頻率傳輸.Backscatter標(biāo)簽有2個(gè)作用：1）它可以產(chǎn)生頻率偏移，從而實(shí)現(xiàn)Bluetooth頻段和WiFi頻段的重合；2）通過(guò)調(diào)節(jié)標(biāo)簽的阻抗，可以對(duì)反射的Bluetooth信號(hào)產(chǎn)生不同影響，從而讓W(xué)iFi接收端得到不同的解碼數(shù)據(jù).

Fig.17 The application scenario of Interscatter圖17 Interscatter的應(yīng)用場(chǎng)景

如圖18 所示，TiFi[81]實(shí)現(xiàn)了 RFID（800~920 MHz）到 WiFi設(shè)備（2.4 GHz）的跨技術(shù)、跨網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù) 傳輸.RFID在反射信號(hào)的過(guò)程中反射天線會(huì)產(chǎn)生諧波分量[82]，比如 820 MHz信號(hào) 2 次諧波是 1.64 GHz，3 次諧波是2.46 GHz.因此，可以利用這種硬件的非線性實(shí)現(xiàn)頻率重疊.

Fig.18 Reflection of WiFi beacon by using RFID圖18 利用RFID反射WiFi數(shù)據(jù)幀

6.3 跨介質(zhì)的通信傳輸

現(xiàn)有的通信技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)跨介質(zhì)邊界的通信，例如跨水和空氣介質(zhì).因?yàn)榇蟛糠譄o(wú)線信號(hào)會(huì)直接在跨介質(zhì)邊界反射，而不會(huì)穿過(guò)水中，即使到達(dá)水中，無(wú)線信號(hào)在水中的衰減也會(huì)很大.如圖19所示，TARF[83]實(shí)現(xiàn)了水下傳感器向空氣中的無(wú)人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，TARF的設(shè)計(jì)依賴于聲波的基本物理特性，水下聲波傳感器發(fā)出的聲波信號(hào)是一種壓力波，當(dāng)壓力波撞擊水面時(shí)，會(huì)引起表面的擾動(dòng)或位移.為了提取聲波引起的表面信號(hào)，我們通過(guò)在空中傳輸射頻信號(hào)測(cè)量水面反射信號(hào)，這些反射信號(hào)隨表面位移而變化.鑒于聲波引起的表面振動(dòng)非常微小，只有幾微米到幾十微米，TARF在空中傳感器發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波（調(diào)頻載波）測(cè)量反射信號(hào)的相位.AmphiLight[84]利用激光實(shí)現(xiàn)了反向地從空中傳感器到水下接收器之間的跨介質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸.

Fig.19 Cross-media communication between air and water圖19 空氣和水的跨介質(zhì)通信

7 總 結(jié)

本文著眼于異構(gòu)無(wú)線設(shè)備的共存問(wèn)題，探討了面向物聯(lián)網(wǎng)的跨技術(shù)通信方法.在重新梳理相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)2類現(xiàn)有的跨技術(shù)通信方法（數(shù)據(jù)包級(jí)別的跨技術(shù)通信方法和物理層級(jí)別的跨技術(shù)通信方法）進(jìn)行了分析和總結(jié).實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物低功耗的泛在互聯(lián)是物聯(lián)網(wǎng)世界一個(gè)長(zhǎng)期存在的愿景，因此后續(xù)關(guān)于跨技術(shù)通信的研究主要集中在3個(gè)方面：1）構(gòu)建更穩(wěn)定的特征信號(hào)來(lái)保證跨技術(shù)通信的可靠性；2）實(shí)現(xiàn)更細(xì)粒度的信號(hào)控制來(lái)提高跨技術(shù)通信的數(shù)據(jù)率；3）改進(jìn)通信模式來(lái)降低跨技術(shù)通信的能耗.

作者貢獻(xiàn)聲明：郭秀珍負(fù)責(zé)文章的文獻(xiàn)整理、部分內(nèi)容撰寫，以及論文中圖表的繪制；何源負(fù)責(zé)部分內(nèi)容撰寫以及整體的修改。