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4.1背景我们首先简要介绍了一个ble发射机和一个zigbee接收机如何与blueee相关工作,然后介绍了信号仿真的可行性。图2:ble作为带gfsk调制的发射
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Bluebee:通过
物理仿真
江志萌尹若凤刘文超
计算机科学系计算机科学系
工程,明尼苏达工程大学,明尼苏达工程大学,明尼苏达大学 [email protected] [email protected]
李志军宋敏金天河
计算机科学系和计算机科学系
工程,明尼苏达大学乔治梅森大学工程,明尼苏达大学 [email protected] [email protected] [email protected]
摘要
跨技术通信是近年来针对 ISM 频段异构无线技术共存问题提出的一种很有前途的解决方案。现有的工作只使用粗粒度的包级信息
进行跨技术调制,吞吐量很低(例如,10bps)。我们的方法称为 bluebee,通过使用蓝牙无线电模拟合法的 zigbee 帧,提出了一
个新的方向。独特的是,Bluebee 通过只选择蓝牙帧的有效载荷来实现双重标准遵从性和透明性,无需在蓝牙发送器和 Zigbee 接
收器处更改硬件或固件。我们在 usrp 和商用设备上的实现表明,blueee 的准确率可以达到 99%以上,吞吐量比目前最先进的 ctc
报告快 1000 倍。
CCS 概念
•网络→无线个人区域网络;
关键词
跨技术通信;信号仿真;蓝牙低能耗、Zigbee、物联网
ACM 参考格式:
蒋文超,尹志萌,刘若凤,李志军,金宋民,和田和。2017。Bluebee:通过物理仿真实现的速度快 1000 倍的跨技术通信。第 15 届 ACM 嵌入式
网络传感器系统会议记录(SENSYS'17)。ACM,纽约,纽约,美国,13 页。https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1145/3131672.3131678
小精灵
李志军是明尼苏达大学客座教授,正式隶属于中国哈尔滨工业大学。
γ
李志军和田鹤是这部作品的对应作者。
允许制作本作品的全部或部分数字或硬拷贝,供个人或课堂使用,不收取任何费
用,但前提是复制品的制作或分发不是为了盈利或商业利益,且复制品上应附有
本通知和第一页的完整引文。必须尊重 ACM 以外的其他人拥有的本作品组成部分
的版权。允许赊账提取。否则,若要复制或重新发布、在服务器上发布或重新分
权限。
Sensys'172017
年
11
月
6
日至
8
日,荷兰代尔夫特
?2017 计算机械协会。ACM ISBN 978-1-4503-5459-
2/17/11…$15.00
https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1145/3131672.3131678
1 简介
无线设备的主体在过去十年中经历了爆炸性的增长,在新兴的物联网(IoT)时代,预计到 2020 年将增长到 200 亿[12]。密集的部
署导致高度共存的无线环境,长期以来一直被视为一个恶劣的环境,严重干扰。然而,最近的研究表明,共存提供了独特的机会
——通过利用异构无线技术之间的特殊功能,协作使它们能够超越独立操作。例如,在 zifi[44]中,在低功率 zigbee 无线电的帮助
下,耗电量大的 wifi 接口的能源消耗显著减少,只有在附近发现接入点时,wifi 才会打开。
传统的异构设备间通信方式是部署多个无线网关,存在硬件成本高、网络结构复杂、进出网关流量增加等缺点。为了解决这些
问题,最新的文献介绍了跨技术通信(CTC)技术,该技术使用传统设备在物理层不兼容的异构无线设备之间实现直接通信。这
种技术通常使用分组级调制,其中分组的定时[22]和持续时间[7]的组合传送数据。尽管它们有效,但是由于采用粗粒度“包”作为
调制的基础(类似于典型数字通信中的“脉冲”),比特率本质上是有限的。例如,在现有技术中,ble 到 zigbee 通信的比特率被限
制在 18bps[22]。这不仅限制了使用,而且表明如果用于传统的 Zigbee 和蓝牙,与 250kbps 和 1Mbps 相比,频谱效率低。
本文介绍了 Bluebee,通过物理层仿真为实际的 CTC 系统铺平了道路。通过巧妙地选择蓝牙包中的有效载荷位,Bluebee 有效地
将 Zigbee 包封装在蓝牙包有效载荷中。这与传统的 zigbee 设备完全兼容,同时达到了 250kbps 的 zigbee 比特率上限。换言之,
Bluebee 不需要对蓝牙发射器或 Zigbee 接收器进行任何硬件或固件更改,提供与现有数十亿商品物联网设备、智能手机、PC 和外
围设备的完全兼容性(即作为应用程序实现)。
事实上,通过蓝牙传输的模拟 zigbee 包无法被 zigbee 接收器区分。这是令人惊讶的,尤其是当蓝牙(1 兆赫)的带宽只有
Zigbee(2 兆赫)的一半时。Bluebee 的设计源于两个关键的技术见解:(i)蓝牙和 Zigbee 调制技术的相似性;(ii)Zigbee 解调
(OQPSK/DSSS)的容错性。具体地说,这两种技术都使用样本之间的相位差(称为相移)来表示符号,这使得仿真成为可能。尽
管 Zigbee 信号由于蓝牙带宽较窄而无法完全仿真,但 Bluebee 经过优化设计,使得不可避免的误差最小化,并保持在 Zigbee 的
OQPSK/DSSS 解调器(即,通过 Zigbee 的 OQPSK/DSSS 解调器成功地校正了该误差)的公差范围内。Bluebee 只需在蓝牙数据包有
效负载中放置特定的位模式,就可以轻松地在商品蓝牙设备上运行。它在 90%的帧接收比(frr)下达到 250kpbs,比最新技术[22]
快 10000 倍。此外,Bluebee 有效地利用了蓝牙的跳频特性,支持在不同信道上运行的设备之间的并发通信。最后,Bluebee 在动
态无线信道条件下提供可靠的通信。这项工作的贡献是三倍。
•我们设计了 Bluebee,这是第一个在合法蓝牙数据包的有效载荷内模拟合法 Zigbee 帧的 CTC 技术。该设计不需要对发射机
(蓝牙)或接收机(Zigbee)的硬件或固件进行任何修改,从而实现与数十亿现有商品设备的完全兼容。
•我们解决了信号仿真的几个独特挑战,包括(i)使用蓝牙信号的优化 zigbee 相移仿真,(ii)支持蓝牙跳频下的并发通信
和低占空比操作,以及(iii)动态信道条件下的链路层可靠性。这些解决方案为异构设备之间的其他信号仿真提供了一般
性的见解。
•我们在 USRP 平台和商品设备上设计和实现 Bluebee。我们的大量实验表明,Bluebee 在不同的环境和设置下建立了高吞吐量
和可靠的通信。与最先进的 CTC 从蓝牙到 Zigbee 的 18bps 速率相比[22],Bluebee 225kbps 的可靠吞吐量表明性能提高了
10000 倍以上!
2 动机
随着 wifi、蓝牙、zigbee 等无线技术的飞速发展,ism 频段面临着跨技术干扰(cti)和信道低效率的问题[17、24、40]。这是因为
共存于 ISM 频段的无线技术具有异构的物理层,无法直接通信,无法有效协调信道的使用。为了实现有效的信道利用,传统的方
法是使用多信道网关。近年来,研究人员也提出了跨技术通信(CTC)技术作为一种很有前途的信道协调解决方案。然而,传统
的网关方法和现有的 ctc 技术由于其固有的局限性,在信道协调方面都不能取得很好的效果。
•网关限制。多无线电网关是连接多技术通信的常用而直接的解决方案[13、14、20、26、29]。然而,网关不仅会带来额外的硬件
成本,还会带来劳动密集型的部署成本,这对于移动和 ad hoc 环境来说是望而却步的。此外,双无线网关通过使 ISM 频带内的业
务量加倍来增加业务开销,这进一步加剧了交叉技术干扰。
•分组级 CTC 的限制。近年来的跨技术通信旨在实现异构无线技术之间的直接通信,从而实现显式的信道协调。例如,异构设备
可以以类似于 802.11 协议中的 rts/cts 的方式分配信道[1],从而导致更好的信道效率。不幸的是,据我们所知,现有的 ctc 设计[7,
22,43]依赖于稀疏的分组级信息,例如信标定时[22]和多分组序列模式[37],引入了至少数百毫秒的延迟。这种延迟使得现有的
解决方案无法实时有效地协调信道。
相对于网关方法和现有的 ctc 方法的局限性,bluebee 能够在几毫秒内直接从蓝牙无线电发送 zigbee 包,这是第一次使信道协调
成为可能。在本文中,虽然我们的描述将基于特定的蓝牙协议 bluetooth low energy(bluetooth bluetooth bluetooth,bluetooth low
energy,blue low energy,bluetooth low energy,bluetooth low energy,bluetooth low
蓝牙协议,如 Bluetooth Classic(在第节中讨论
7.1)。
图 1:Bluebee 的系统架构。
3 个蓝莓
概述。BlueBee 是一种从 BLE 到 ZigBee 的高速 CTC 通信,同时兼容 ZigBee 和 BLE 协议。Bluebee 的基本思想如图 1 所示——Bluebee
通过仔细选择有效负载字节,将合法的 Zigbee 帧封装在合法的 BLE 帧的有效负载内。在 phy 层,所选择的有效载荷类似于(即,
模拟)合法 zigbee 帧的信号。当 Bluebee 模拟的 ble 包到达 Zigbee 设备时,检测有效负载部分
(通过前导)和解调,就像来自 zigbee 发送者的任何其他 zigbee 包一样。我们注意到,ble 帧的头和尾与 zigbee 不兼容,并且自
然地被忽略,或等效地被视为噪声。事实上,这样的设计使得 bluebee 透明;在发送方,ble 设备无法区分它是普通的 ble 包还是
包含模拟的 zigbee 帧,因为它仅仅是有效载荷中的字节模式。相反,在接收器处,由于 phy 层波形不可区分,zigbee 设备无法判
断帧是来自 zigbee 设备还是由 ble 设备模拟。
成本
光谱
效率
向前推
进
多通道
CTC
网关
培养基
培养基
高
不支持
埃森斯[ 7 ]
低
低
低
不支持
免费蜜蜂
〔22〕
低
培养基
低
不支持
乙
2
W
2
〔11〕
低
培养基
低
支持
蓝蜂
低
高
高
支持
表 1:Bluebee 和现有 CTC 解决方案的比较
独特的特点。在表 1 中,我们说明了 Bluebee 作为第一物理层 CTC 与网关方法和最先进的包级 CTC 方法相比的技术优势。Bluebee
通过提供异构设备之间的直接通信,克服了现有网关方法的不足。与网关相反,Bluebee 不会产生部署成本或额外流量。同时,
它提供的通信吞吐量和传输延迟比目前的 CTC 要高得多。此外,blueee 通过 ble 通信中固有的跳频实现了多信道并发 ctc。
Bluebee 在兼容性方面也有一些创新和独特的特性:首先,它是从 ble 到 Zigbee 的第一个 CTC 设计,既不需要硬件也不需要固
件更改。其他设计要求接收器至少进行固件更改[7、22、37]。第二,bluebe 是“双重标准符合性”,即 zigbee 和 ble 接收机都可以
接收和解调帧。
4 蓝莓设计
本节详细说明 Bluebee 设计。
4.1 背景
我们首先简要介绍了一个 ble 发射机和一个 zigbee 接收机如何与 blueee 相关工作,然后介绍了信号仿真的可行性。
图 2:ble 作为带 gfsk 调制的发射机。
无线电发射机。ble 使用高斯频移键控
(gfsk)调制,通常通过随时间的相移来实现。图 2 示出了从有效载荷比特到从步骤(i)到(iv)的对应无线电波的整个过程。
在(i)布尔比特中,首先经过一个不归零(nrz)模块,该模块将布尔比特序列调制成振幅为-1 或 1 的平方波序列。由于每一个波
的长度为 1 微秒,并且只携带一个比特,这就导致了 BLE 的 1Mbps 比特率。(ii)该波通过高斯低通滤波器,该滤波器将波塑造成
带限信号。基带信号与载波相乘时的相移为±∏/2。(i i i)将一系列波的积分取 t,得到相对于时间的相位(即瞬时相位)。这本
质上是上一步累积相移的时域表示。(iv)同相和正交(I/Q)信号分别通过瞬时相位的余弦和正弦进行计算,余弦和正弦分别乘
以载波并通过 BLE 射频前端推入空气中。
〔1〕
Bluebee 的目标是构造可由商品 Zigbee 接收器解调的时域波形。换句话说,在 BLE 上模拟 Zigbee 信号。为此,我们假设包含我
们选择的数据的 zigbee 信号从 ble rf 前端发射,并相应地反向工程步骤(iv)到(i)。在步骤(iv)中,以 ble 采样率(1msps)对
空气中的 zigbee 信号进行采样。从采样的 i/q 信号中,得到相应的瞬时相位。反转步骤(iii)产生连续 ble 样本之间的相移,其中
通过反转步骤(ii)找到对应的方波序列。最后,这些波被映射到可自由设置的 ble 分组有效载荷处的数据位,指示仅通过使用正
确的位设置 ble 分组有效载荷来模拟目标 zigbee 信号。
这种方法使得商品 zigbee 无线电能够无缝地将仿真波形解调为合法的 zigbee 分组,而不必对 ble 的 gfsk 调制器进行任何改变。
然而,由于各种限制,例如 ble(1MHz)比 zigbee(2MHz)的带宽更窄(将在本节的后面部分讨论),因此这种仿真并不简单。
图 3:Zigbee 作为 OQPSK 解调的接收器。
Zigbee 接收器。如图 3 所示,bluebee 使得能够通过标准偏移正交相移键控(oqpsk)解调过程发送可由任何商品 zigbee 设备解调
的模拟 zigbee 包。这由步骤(a)开始,其中 zigbee 通过模数转换器(adc)捕获重叠的 2.4ghz ism 上的 ble 信号,以获得 i/q 采样。
一对 i/q 样本通常被称为复合样本 s(n)=i(n)+jq(n)。在步骤(b)中,从 arctan(s(n)×s(n�1))计算连续复样品之间的
相移,其中 s(n�1)是 s(n�1)的共轭。在步骤(c)中,正相移和负相移量化为 1 和-1,对应于 zigbee 芯片 1 和 0。
小精灵小精灵
最后,在(d)中,通过查找 dsss 中预定义的符号到芯片映射表(表 2),将 32 个 zigbee 芯片映射到 zigbee 符号。共有 16 个
不同的符号,每个符号表示 loü16=4 位。我们注意到在噪声/干扰面前
2
符号(4
位)
芯片序列(32 位)
0 0 0 0
11011001110000110101001000101110
0 0 0 1
11101101100111000011010100100010
...
...
1 1 1 1
11001001011000000111011110111000
表 2:Zigbee 中的符号到芯片映射(802.15.4)
相位可能会出现错误(+∏-),这会导致反向切屑(1∏0)。在这种情况下,选择汉明距离最小的最近符号。
4.2 仿真的机遇与挑战
概念上,由于两个关键的技术见解,通过 ble 模拟 zigbee 信号是可能的。首先是 ble 和 zigbee 调制技术的相似性。也就是说,ble
的 gfsk 和 zigbee 的 oqpsk 通常利用连续样本之间的相移来指示符号(zigbee 的芯片)。此外,zigbee 只考虑相位的符号(+或-)而
不考虑特定的相位值,这在仿真中提供了很大的灵活性。然而,挑战来自于 ble(1MHz)的带宽仅为 zigbee(2MHz)的一半。这
从根本上限制了 ble 的相移速率。换言之,ble 中的相移不够快,无法表示所有 zigbee 芯片,从而导致仿真中不可避免的错误。
Bluebee 仿真的第二个关键组件(即 Zigbee 中的 DSSS)弥补了这一不足。
DSSS 将 32 位芯片序列映射到 4 位符号(表 2),为抗噪声和干扰的稳健性留有公差。由于这一裕度,如果接收到的和理想芯片
序列之间的汉明距离在 12 的阈值范围内(可以调整到 20[24]),则可以正确地解码 zigbee 符号。这种公差裕度可以用来从带宽不
对称造成的不可避免的误差中恢复。在下面的章节中,我们将详细说明这两个见解,以及 Bluebee 是如何设计来有效地探索它们
以使 CTC 成为可能的。
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