一种WiFi-ZigBee网络中面向数据分发和汇聚的协同传输方法技术

本申请涉及计算机应用技术领域，公开了一种WiFi

【技术实现步骤摘要】
一种WiFi
‑
ZigBee网络中面向数据分发和汇聚的协同传输方法


[0001]本申请涉及计算机应用
，具体涉及一种WiFi
‑
ZigBee网络中面向数据分发和汇聚的协同传输方法。

技术介绍

[0002]科学技术的进步和人们对方便快捷生活的不断追求极大地推动了物联网的发展，具体体现在感知、通信、处理等多个方面。尤其是在通信方面、面向不同物联网应用特征催生了以WiFi、ZigBee、BLE、LoRa等为代表的一系列网络通讯技术，各自从不同的角度为人们的生活提供了便利的服务。其中WiFi主要面向高吞吐量单跳局域网通信，ZigBee面向低功耗mesh网络通信，BLE适用于低功耗高吞吐量个域网通信，LoRa面向长距离低功耗多接入通信。在实际应用环境中，多种通信网络常常部署在同一物理空间。
[0003]此外，为了适应更广泛的物联网应用，更多的通信技术被提出并不断取得发展，为人们提供更高效服务的同时也造成了频谱资源的紧张，导致多种技术不得不在同一频段进行工作。除去已经划分的需要付费的专用频段，以WiFi、ZigBee、BLE为代表的新兴通信技术都工作在免费的ISM频段，尤其是2.4GHz频段，同一空间同一频段重叠通信信道的使用，如图1所示，使得异质网络之间不可避免地产生了跨技术干扰，产生了无法竞争到通信信道、数据包损坏等多种冲突问题，由此导致更频繁的信道抢占和数据包重传，造成了严重的网络性能下降。
[0004]数据分发和数据汇聚作为无线网络最基本的功能，贯穿了整个网络的生存周期。数据分发通常指网络中心(比如WiFi中的AP节点，ZigBee中的Sink节点)将大块数据发送至网络中其余的节点，数据分发服务为时间同步、固件更新、邻居发现等网络功能提供了基础；数据汇聚通常指网络中节点将本地数据发送至网络中心，数据汇聚是网络执行感知任务的重要功能基础。
[0005]如图2所示，在WiFi和ZigBee网络的共存环境下，跨技术干扰使得异质网络内部的数据传输存在较大的不可靠性，网络的基本功能受到了极大的影响，在已有的通信技术基础上，如何提出合理的机制以保证网络数据分发和汇聚成为了值得研究的问题。
[0006]当前，对于WiFi和ZigBee网络跨技术干扰的方法主要有网关协调和感知规避两种。网关协调主要是在共存环境下部署一个兼容WiFi和ZigBee协议的网关，通过与两种网络的直接通信进行不同网络间传输行为的协调。网关协调是解决跨技术干扰的最直观的方式，但是实际效果受网关部署位置影响较大，适应性较差，例如，对于通用协议WiFi和ZigBee而言，其底层取决于IEEE 802.11协议族和IEEE802.15.4协议，通信信道、调制方式和传输功率都不可改变，其MAC层针对信道的抢占式使用能够在一定程度上获取信道的使用权，但同时也会对其他网络传输产生较大的干扰，且无法保证数据传输的可靠性；传输信息编码在一定程度上能够解决干扰的问题，如卷积码、纠错码等，此外，ZigBee协议独有的直接序列扩频通信(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)机制也能够在很大程度上
缓解部分干扰，但是信息编码的使用极大地降低了信息的传输效率，且依赖于物理层的可靠性，在拥挤的信道上仍然无法取得较好的效果。值得注意的是，网关对不同数据包的接收、解析、封装和转发使得原本网络中的流量翻倍，在一定程度上加剧了共存通信频段的干扰；此外，相对于廉价的WiFi和ZigBee商用设备，网关的部署也极大地增加了经济成本。感知规避通常指一种通信技术通过感知另外一种通信技术的流量特征，并基于该特征按照一定策略对传输行为进行调整的过程。WiFi技术可以通过CSI信息、ZigBee技术可以通过RSSI信息来对外界的传输进行感知，不同技术根据感知信息进行分析来通过调整数据传输时隙适应当前环境的流量特征；但是由于传输功率的差异通常WiFi无法感知较远的ZigBee节点的传输状况，频繁造成“盲终端”问题，高功率的WiFi信号会对ZigBee的传输带来压制的效果；此外，由于WiFi和ZigBee数据包长度的差异和时隙的不对齐，在传输流量较大时会出现无法竞争到信道、数据包损坏等情况。
[0007]考虑到同一频段不同调制方式之间的可模仿性，以WeBee、ZigFi、PMC等为代表的跨技术通信方案被提出，跨技术网络的协同主要是通过引入额外的硬件设备协调异质网络之间的通信活动，通常是在WiFi和ZigBee网络共存的环境中部署一个同时能和两种网络通信的专有设备，即WiFi
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ZigBee网关，网关的介入使得两种网络可以进行间接通信，提高了异质网络间相互感知的可靠性，此外，网关还可以承担异质网络通信的协调功能，对不同网络的传输时间进行调度，从根本上解决跨技术干扰，并能够完成异质网络的协同工作。但是网关的部署也引入了新的问题，比如网关对于传输数据有一个接收
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转发的过程，这会使得传输的流量翻倍，导致信道更加拥挤；此外，网关作为专用设备，经济成本较高，其部署需要选择合适的位置，适应性较差，以上多种因素都导致了网关的使用难以推广。面向ZigBee网络中基本的数据分发和数据汇聚过程，如何利用跨通信技术对WiFi网络的传输进行协同调度仍然是一个需要解决的问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术解决的技术问题在WiFi与ZigBee共存的网络空间中，由于网络间相互的跨技术干扰导致WiFi网络传输以及ZigBee网络数据分发与数据汇聚过程性能严重退化的问题，旨在实现WiFi与ZigBee网络共存环境中网络的高效传输。
[0009]为实现以上目的，本专利技术提供的一种WiFi
‑
ZigBee网络中面向数据分发和汇聚的协同传输方法，在现有的WiFi和ZigBee物理层跨技术通信技术的基础上，选择WiFi AP作为WiFi网络和ZigBee网络之间的协调者，WiFi AP在和ZigBee网络建立连接后获取ZigBee网络的运行信息，并基于WiFi和ZigBee网络的运行信息，结合信道链路质量，建立ZigBee网络的数据分发模型和数据汇聚模型，并在本地对两个模型进行联合优化，最终得到网络周期内WiFi AP和ZigBee网络的调度方案，并将该方案分发至ZigBee网络，基于最终的调度方案WiFi AP使用信道保留技术避免其他WiFi设备产生对ZigBee网络的干扰。
[0010]具体地，本专利技术所述WiFi
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ZigBee网络中面向数据分发和汇聚的协同传输方法，包括以下步骤：
[0011]步骤一、建立WiFi AP和ZigBee网络的连接
[0012]首先WiFi AP根据网络配置判断是否为CTC模式，如果是处于CTC模式，WiFi AP首先对信道进行侦听，检测信道是否空闲，如果信道不是空闲则随机退避一段时间，再次侦听
信道空闲后发送RTS数据帧以保留信道；WiFi AP在不影响WiFi网内通信的前提下发送PMC数据连接帧请求本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种WiFi
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ZigBee网络中面向数据分发和汇聚的协同传输方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、建立WiFi AP和ZigBee网络的连接首先WiFi AP根据网络配置判断是否为CTC模式，如果是处于CTC模式，WiFi AP首先对信道进行侦听，检测信道是否空闲，如果信道不是空闲则随机退避一段时间，再次侦听信道空闲后发送RTS数据帧以保留信道；WiFiAP在不影响WiFi网内通信的前提下发送PMC数据连接帧请求建立和ZigBee网络的连接，ZigBee网络在收到连接请求帧后，发送响应数据包至WiFi AP；步骤二、评估WiFi和ZigBee网络的双向链路质量根据连接建立阶段WiFiAP发送多个预先约定的数据包至ZigBee网络，ZigBee网络收到数据包后与本地存储的数据包模板进行比对，得到WiFiAP到ZigBee网络的信道质量估计值，用比特错误率BER
wz
表示，ZigBee网络在评估到该值后将该值和预先约定的响应包反馈至WiFi AP；同理，WiFi AP能够计算出ZigBee网络到WiFi AP的信道质量估计值，用比特错误率BER
zw
表示；假设数据传输所采用的编码方式能够支持的最大比特错误率为ε，若比特错误率BER＞ε，则认为该数据包损坏无法使用，则能够计算出双向信道的包接收率PRR
zw
和PRR
wz
；步骤三、根据网络需求调整包长度自适应应用跨技术通信技术当前跨技术通信PMC支持WiFi设备同时发送WiFi和ZigBee混合的数据包，由于WiFi协议的数据包包长L
w
∈[1us，10ms]，ZigBee协议的数据包包长L
z
∈[200us，4ms]，用N
r
表示一个PMC数据包中ZigBee数据包的个数，可知N
r
≥1恒成立，则存在以下三种情况：1)L
w
≤N
r
·
L
z
≤2L
w
≤10ms，能够使用WiFi支持的数据包聚合技术将两个数据包聚合以支持Nr个ZigBee数据包的传输；2)N
r
·
L
z
≤L
w
，能够填充部分ZigBee数据包直至N
r
·
L
z
＝L
w
≤10ms；3)L
z
≥4ms，L
w
≥10ms，该情况归结于WiFi协议和ZigBee协议内部的分组问题，此处不讨论；步骤四、建立ZigBee网络的数据分发模型假设表示在WiFi AP覆盖下的ZigBee网络节点集合，N
i
表示ZigBee网络中第i个节点，PRR
i，j
(i≠j)表示节点N
i
和N
j
之间的包接收率，则可知当WiFiAP没有广播信息时PRR
i，j
∈(0，1]，当WiFi广播信息时由于同频高强度干扰PRR
i，j
＝0；不同节点由于应用的差异导致数据传输周期也存在不同，用DC
i
表示节点N
i
的占空比；则当WiFi AP发送PMC数据包时，ZigBee网络中节点N
i
和其邻居组收到的数据包数量能够表示为其中表示节点N
i
的平均邻居数；结合步骤三中重复参数N
r
的引入，最终ZigBee网络中节点N
i
和其邻居组收到的数据包数量能够表示为且ZigBee网络中实际接收的包的数量应大于其所需要的数据包的数量，即从WiFi AP的角度能够将时间划分为多个时隙t∈[1，T]，设置二进制变量b
i，t
和x
t
，其中b
i，t
＝1表示时隙t中b
i，t
处于侦听状态，x
t
＝1表示时隙t中WiFi AP处于PMC数据包发送状态，如果WiFi AP在时隙t占据信道发送...

【专利技术属性】
技术研发人员：李士宁，程涛，潘岩，王长浩，刘畅，焦锋，张南，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：