基于窄带解码的WiFi到低功耗蓝牙（BLE）跨技术通信方法技术

本发明专利技术提出一种基于窄带解码的WiFi到低功耗蓝牙(BLE)跨技术通信方法

【技术实现步骤摘要】
基于窄带解码的WiFi到低功耗蓝牙(BLE)跨技术通信方法


[0001]本专利技术为一种基于窄带解码的异构设备跨技术通信方法。确切地说，当WiFi利用DQPSK调制或DBPSK调制发送802.11b信号时，通过合理选择发送的数据内容，可以使经过BLE接收端1MHz低通滤波器后的WiFi信号每间隔1us的相邻采样点间的相位差满足BLE解码条件，实现WiFi到BLE全信道的跨技术信息传输，属于无线通信


技术介绍

[0002]无线物联网设备的爆炸性增长使我们的无线生态系统变得越来越多样性。例如,超过40亿蓝牙设备和超过15亿WiFi设备共存在2.4GHz的ISM频段。这种共存的异构设备导致严重的跨技术干扰(CTI)，并且已成为提升网络可扩展性和频谱效率的主要障碍。
[0003]目前已经出现了一些研究来缓解CTI，其中跨技术通信(CTC)作为一个十分有前途的研究领域，使异构设备之间的直接通信成为可能。作为一种新兴技术，CTC可以给物联网应用带来很多好处。首先，传统的网关会带来额外的硬件成本、部署复杂性，并且数据进出这些网关会导致额外的时延，而CTC则避免了这些缺点。其次，CTC能够实现异构无线设备之间的跨技术协作。第三，CTC有助于降低CTI，提高频谱利用率。
[0004]近几年出现的物理层级CTC(PHY-CTC)通过信号模拟来实现高吞吐量通信，它通过在发送端选择合适的有效载荷来紧密地模拟接收端信号的波形。然而，这些基于模拟的CTC技术也面临着自身的挑战。首先，它们的可靠性较低，基于OFDM的模拟很容易被固有的错误(如循环前缀所造成的模拟误差)所扭曲，从而丢失近一半的CTC数据包。其次，由于模拟时量化误差的存在，只能采用64QAM等高阶调制方案对目标波形进行模拟，这限制了信号模拟方法在很多应用场合的使用。第三，由于模拟过程的严格限制，物理层级跨技术通信只能支持很少的信道。例如，在WEBee中，一个WiFi信道只能支持两个ZigBee信道，而许多其它ZigBee信道无法实现跨技术通信。
[0005]基于信号模拟的CTC的这些缺点严重限制了它在许多场景中的应用。以WiFi到低功耗蓝牙(BLE)的CTC为例。对于一个BLE接收机来说，它没有像ZigBee这样的容错能力，因此不能承受帧内的任何比特错误。即使使用了纠错码，当模拟错误发生在BLE的前导码或访问地址(AA)时，BLE也会丢失整个模拟帧。此外，由于BLE采用了自适应跳频(AFH)来防止干扰，所以当BLE设备跳到CTC不支持的信道时，它就不能接收到任何CTC数据包。由于这些原因，目前的信号模拟方法还不能很好的实现WiFi到BLE的可靠的全信道物理层CTC。

技术实现思路

[0006]本专利技术提出一种基于窄带解码的WiFi到低功耗蓝牙(BLE)跨技术通信方法
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NBee。该方法可以实现WiFi到BLE全信道的高速率，高可靠性的直接通信。
[0007]本专利技术包括以下内容：
[0008]1、利用DQPSK调制实现CTC
[0009]当WiFi单路(I路或者Q路)发出的802.11b信号经过BLE接收端的1MHz低通滤波器
后，其输出信号有三种模式：(a)当WiFi发送交替的比特
‘1’
和
‘0’
时，比特
‘1’
滤波后的信号其幅值几乎总是为正，而比特
‘0’
滤波后的幅值几乎总为负。(b)当WiFi发送连续的比特
‘1’
时，接收端滤波后的信号幅值始终为正。(c)当WiFi发送连续的比特
‘0’
时，接收端滤波后的信号幅值始终为负。因此，当我们用DQPSK调制方式发送WiFi信号时，可以得到一个很特殊的现象：尽管经过BLE的低通滤波器后，接收到的信号发生了显著的失真，但原始的WiFi符号(QPSK)和其对应的BLE采样点实际上仍然在星座图内的同一象限。
[0010]根据上述特征，只要给定一个WiFi符号，我们就可以推断出其在BLE接收端对应采样点所处的象限。因此，给定两个连续的WiFi符号，我们就可以判断接收端两个连续采样点之间的相位差是正还是负。换句话说，如果我们选择发送适当的WiFi符号序列，就可以在BLE接收端得到正确解码所需的相位差。
[0011]2、利用DBPSK调制实现CTC
[0012]由于DBPSK信号只有实部，因此BLE滤波后的相邻采样点相位差只能为0或者π。这种相位差是BLE无法准确解码的，因此我们需要调整DBPSK调制下的接收端相位差。
[0013]首先来看经过BLE接收端ADC模块后，用来计算相位差的第n个采样点的值：
[0014]s[n]＝(w(nTs)ej2π(fw-fB)nTs)*h
ꢀꢀ
(1)
[0015]其中s[n]为BLE接收端用来计算相位差的第n个采样点。w(t)为WiFi发射端基带模拟信号，fw为WiFi载波频率，fB为BLE载波频率。Ts为采样点间隔(1us)，*表示卷积，h表示信道和滤波器对信号的影响。由于BLE解调器比较的是相邻两个采样点之间的相位差，我们将n-1带入公式1中，得到第n-1个采样点值为：
[0016]s[n-1]＝(w((n-1)Ts)ej2π(fw-fB)(n-1)Ts)*h
[0017]＝(w((n-1)Ts)ej2π(fw-fB)nTs ej2π(fB-fW)Ts)*h
ꢀꢀ
(2)
[0018]通过比较s[n]和s[(n-1)]，我们发现这两个采样点之间的相位差由两部分组成：(1)发送端基带信号w(nTs)和w((n-1)Ts)之间的相位差(即π或0)，(2)s[n-1]由于载波频率偏移(CFO)产生的附加相位差(即2π(fw-fB)Ts)。因此，我们可以选择合适的CFO(即fw-fB)来构造可在BLE接收机上准确解码的相位差。
[0019]在方程2中，当调整WiFi发送端/BLE接收端的载波频率偏移为250KHz(即fw-fB＝250KHz)时，第n-1个采样点附加相位差为π/2(＝2π*250KHz*1/1MHz)。在这种情况下，当WiFi发送交替比特时，接收端两个连续采样点之间的相位差为π/2(＝π-π/2)。同理，当WiFi发送相同的比特时，接收端相位差是-π/2(＝0-π/2)。这两个相位差分别能使BLE解码器准确解码出比特
‘1’
和比特
‘0’
。
[0020]为了不干扰WiFi或者BLE设备的正常接收，CFO不能设置太大。802.11标准规定的CFO最大限值为232KHz，而有些BLE芯片的载波频率允许偏移值也能达到250KHz，这一限值有足够的冗余来实现BLE接收端的正确解码。考虑到芯片的通用性和固有的CFO，我们将fw-fB设置为125KHz。由于信道之间保护频带的存在，这样的CFO值对相邻信道的影响很小。
[0021]3、全信道通信
[0022]根据IEEE 8本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于窄带解码的WiFi到低功耗蓝牙(BLE)物理层级跨技术通信方法，其特征在于：通过合理选择WiFi发送端的数据内容，构造出经过BLE接收端1MHz低通滤波器后符合解码器解码条件的相位差，在全部BLE信道都可以实现BLE接收端的正确解码。2.根据权利要求1所述的WiFi发送端，其特征在于：发送经DQPSK调制或DBPSK调制的802.11b信号，当发送DQPSK信号时，其I/Q两路选择发送的相邻比特在经过BLE接收端1MHz滤波器后，能够使接收端相邻采样点间的相位差符合解码条件；当发送DBPSK信号时，在WiF...

【专利技术属性】
技术研发人员：李林刚，陈永锐，李治军，
申请(专利权)人：中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：