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WEBee:基于物理层信号模拟实现的跨协议通信方式
Zhijun Lilowast; Tian Hey 董慧鑫[译]
（University of Minnesota Minneapolis, MN lizhijun.hit@gmail.com）
（University of Minnesota Minneapolis, MNtianhe@umn.edu）
摘要：跨协议通信领域近期的研究工作已经显著提高了在同一ISM频段的一些不同类型的无线设备（如：WiFi,ZigBee和蓝牙等）的共存与合作能力。然而，依赖于数据包级调制的跨协议通信的效率与速度受限于其较低的吞吐量（例如，数十bps）。我们的被称为WEBee的工作，打开了物理层高吞吐量跨协议通信的一个充满希望的新方向。WEBee使用一个高速的无线广播信号（例如WiFi OFDM）来模拟期望中的低速信号（例如ZigBee）。我们独特的模拟技术只操作了一个WiFi的有效载荷，不需要任何硬件和商业技术中的固件改动，可以实现在现有WiFi的基础设施上零成本快速部署。我们用商用设备（Atheros WiFi card和Micaz CC2420）和USRP N210平台（主要用于物理层协议评估）设计并实现了WEBee系统。我们的综合评定结果显示，在噪声环境中WEBee跨协议通信系统可以使WiFi和ZigBee以126Kbps的码率通信并可以实现99%以上的正确率，吞吐量比当前最先进的跨协议通信技术快16000倍。
1介绍
Gartner[15]公司的调查报告预测到2020年，通过无线信号连接的物联网（IoT）设备的数量将会达到200亿，导致无线设备与无线通信技术密集地共存在一起。由于在如此密集的设备部署情况下的频谱效率问题，当今的诸多无线设备只能被设计成共享未被占用的频谱（例如，ISM频段），这一频段包含很多流行的通信技术，比如WiFi,蓝牙和ZigBee等。尽管公识认为同一频段不同通信技术的并存会带来有害的影响，但事实上它也为我们提供了新的机会让这些设备相互协作。最近的研究表明，有别于直接通信的在不同无线设备间跨协议通信也可以带来诸多好处。例如，ZiFi[50]当检测到WiFi设备时再用一个低功耗的ZigBee设备来唤醒WiFi设备可以显著地降低附近的WiFi设备消耗的能量，并且如果WiFi AP的开断和隐私设置支持跨协议通信的话，FreeBee[23]可以节约58%以上的电能。更进一步的来说，跨协议通信为这些共存设备通过交换全球RTS/CTS和TDMA信息提供了更有效的信道协调，可以取代明确信道评估（CCA）。传统上，无线信号的桥接可以通过多无线网关间接实现，但这会带来额外的硬件开销，更难于部署也让网关吞吐的流量加倍。为了避免这些弊端，一些先驱的工作也实现了物理层调制不同的无线设备间的跨协议通信。我们指出现存的跨协议通信方式使用数据包级的调制-将长度，时间，序列特征等符号嵌入。例如在参考文献[43]中，一个发射端向接收端发射一串可以通过接受信号功率（RSSI）译码的由长和短的WiFi数据包组成的摩尔斯码序列。通过这种方式，一个数据包最多可以传输几比特的信息，与原先的单协议通信几千比特的通信速率形成鲜明对比[18],不仅如此，在早期的跨协议通信的解决方案中还需要发送虚拟数据包，大量浪费了信道容量也导致效率更加低下。
在这篇文章中，我们提出了一种新的高吞吐量的跨协议通信方式，这种物理层仿真技术被我们称为WEBee(用WiFi信号模拟ZigBee信号)。在这样一个设备中，WEBee选择WiFi帧结构作为有效载荷并通过仿真方法让商用的ZigBee设备将这个WiFi数据帧当成一个合法的ZigBee数据帧。由于我们并没有修改WiFi设备的任何硬件和固件，这个WiFi帧自然也会被WiFi接收器接收到。我们知道前辈的工作[19]已经可以实现用WiFi设备产生RFID AM信号了，这对我们所做的物理层跨协议通信有诸多启发。
Table 1：Motivation of the WEBee
为了实现CTC跨协议通信，一个WiFi的发射其非常精确的模仿ZigBee信号的时域波形甚至可以通过ZigBee的报头检测并且成功地被拿去做OQPSK地解调，在这种仿真方式之下，WEBee理论上实现了WiFi和ZigBee之间250Kbps的数据传输速率，这也是标准ZigBee通信的最大速率。在实际情况下，在调整了仿真错误之后，我们的一个WEBee的WiFi 发射器实现了63Kbps数据传输速率下99.9%的符号接收，是之前FreeBee[23]相关工作实现的正确率下通信速率的8000倍（7.5bps@99%）。更进一步说，由于WiFi占据的带宽（20MHz）远远的大于ZigBee的带宽，WEBee完全可以在一个WiFi数据帧里在不同频率下模仿两路ZigBee数据帧，实现16000倍的吞吐量和更高的频谱效率。这篇文章展现的第一代模仿专用于WiFi到ZigBee的跨协议通信。然而，我们提出了这种基于模仿的跨协议通信方式依然存在一些挑战，距离未来大规模的运用仍然有相当长的距离。特别要说的是WEBee的主要贡献如下：
·我们设计了一种叫做WEBee的跨协议通信方式，通过WiFi数据帧作为有效载荷来模仿ZigBee的数据帧。没有修改任何ZigBee和WiFi设备的任何硬件及固件结构，这种设计可以被广泛的用在各种结构的WiFi设备上。
·为了拓展它的适用范围，我们提到了一些特别的挑战，主要包括：（1）如何利用WiFi 的OFDM信号实现对ZigBee信号最佳的模拟；（2）WiFi反向无线信道编码的映射问题；（3）如何避免导频/空子载波；（4）平行多跨协议通信情景下的可靠度。正是这些技术技工了基于模仿的跨协议通信设计。
·我们在改装商用设备并结合USRPN210设备实现了WEBee系统。我们实现的WEBee可以实现快速稳定并能与一系列的跨协议通信系统兼容。在所有的这些设置中，六次重传的帧接受率（FRR）达到了99%以上,并且吞吐量比现存的跨协议通信方式要大得多[5,9,23,43]。我们也在Nexus5智能手机中嵌入了BCM4330 WiFi芯片来直接控制智能Zigbee灯泡，展现出我们的WEBee可以在当今的主流设备中实现应用。
2.设计目的
频谱资源的紧缺呼吁大家共同分享这些未被限制的频段，在2014-2016年间，FCC(联邦通信委员会)颁布了新的ISM标准，在600MHz、5GHz和7GHz频段开放了新的频带资源，包含新的通信标准如LTEU(T-Mibile和Verizon公司研发)和802.11ah(WiFi协议)，这些共存的无线环境需要这些不同的无线设备的信息进行交换。信息既可以通过多路网关也可以通过跨协议通信技术进行交换，在这部分，我们总结了以往的跨协议通信方式的限制和WEBee相比的优势如表一所示。
多路网关的限制在于：清晰的多路网关可以作为不同的无线设备在物理层的翻译者来实现跨协议通信，但这种方式在几种方面存在限制。首先，多路网关需要额外的硬件开销并且实施起来较为复杂，多路网关的数量与放置的位置都会影响其性能。其次，基于多路网关的跨协议通信方式会造成数据拥堵现象，会增强相互间的干扰，在多跳情况下更为明显。第三，多路网关需要有先用在跨协议通信的情况下，导致他很难支持移动和多跳的通信。
数据包级跨协议通信方式的限制：数据包级的跨协议通信方式的主要限制在于吞吐量。通常无线数据包的持续时间一般在毫秒级别，FreeBee的跨协议通信嵌入的符号较为稀疏，数据包的RSSI持续时间限制了它的传输带宽。例如，在ZigBee设备中，数据包级的RSSI信息的采样率只有31.25KHz,但是ZigBee在调制的时候会产生4MHz的频移。换句话说，数据包级的跨协议通信方式通过较低的采样率与几百Kbps的ZigBee通信方式形成对比。另外一个数据包级的跨协议通信方式的限制在于他们没有充分的利用好带宽，一个单一的WiFi信号传输占据了20-40MHz的带宽，而一路ZigBee信号只占据2MHz的信道带宽。
我们指出数据包级的跨协议通信的限制在于ZigBee检测的不同信道的信息是相同的，使得平行的数据包级的级的信号传输并不方便，物理层的跨协议通信方式的优点如表一所示。
WEBee 通过直接的连接解决了多路网关的限制问题。例如，它现在允许WiFi AP 来控制所有的智能家居中的通过多路网关联系的低功耗ZigBee通信IoT设备，而不是直接通过数据包级的信息
Figure 1: The Architecture of the WEBee Figure 2: How WiFi Transmitter Works
WEBee通过模仿ZigBee的时域信号实现的数据吞吐量量已经接近ZigBee标准中的吞吐量了，通过这种模仿时域信号的跨协议通信的可以非常方便的在不同频带实现，更加提高了实际运用中的适用性能。
3 WEBee设计总览
图1所示是WEBee的工作方式：一个WiFi设备发射的数据帧通过载荷选择可以被ZigBee接收器识别成为一个合法的ZigBee数据帧。更具体地来说，WEBee调整了WiFi数据帧的载荷结构使得其与ZigBee信号非常相似。当这样的一个WiFi数据帧的头部，报头等都会被ZigBee接受器当作噪声，当这部分数据载荷成功通过了ZigBee设备的报头检测之后，这种模拟出来的ZigBee数据帧会被ZigBee接收器解调。
我们指出WEBee实质上是一个转换设计，在这种情况下ZigBee接收器无法区分发射器是ZigBee设备还是WiFi设备。因为WiFi数据帧的高带宽多种ZigBee数据帧的时域波形可以被调制在一个WiFi的数据帧内。多路工作在不同信道的ZigBee信号可以独立的检测和解调出不同的ZigBee数据帧。
3.1背景
为了解释WEBee,我们首先来介绍WiFi和ZigBee的接受器是如何工作的，尽管我们现在的方式还是比较简单的，但是这对于未来的基于模仿的跨协议通信方式具有一定的应用价值。
3.1.1 WiFi发射器如何工作
图二显示了一个WiFi发射器的工作方式，从第一步到第四步，（1）信道码编码将Wifi帧的信息编码使其具有更强的抗干扰能力，（2）然后这些编码映射到星座图上，，是典型的QAM调制；（3）通过使用正交频分复用（OFDM）的方式，这些星座点可以调制成48个数据子载波，额外的数据可以作为WiFi接收器的信道估计。（4）然后通过傅里叶反变换结合起这些子载波并将其转换成为时域信号；（5）可以通过循环前缀调制给WiFi信号加上前缀。（6）最终，一个完整的4us的WiFi数据帧然后被发射器发射。
WEBee创造的时域波形可以被ZigBee接收器识别，为了模仿ZigBee的波形，WEBee通过如图二所示的四步处理，而为了实现用商用设备对时域的ZigBee射频信号的传输，WEBee在第三步需要选择相关联的频率，以对应好第二步的星座点，这些星座点通过WiFi的载荷控制，换句话说，选用相应的WiFi载荷取决于QAM的星座点在IFFT变换后的对应载波。当一个具体的星座点被映射到IFFT中时，我们期望中的时域信号就会被模仿并且通过商用设备发射出来。通过这种信号模仿，商用设备就可以对发射的数据帧的解调解码。这表明WEBee在本质上并没有改变WiFi的调制器，并且这种基于QAM调制的方式会造成一些不可避免的错误，因为只有少数的一些QAM星座点可以较好的实现这种模仿。
Figure 3: How ZigBee Receiver Works
3.1.2 ZigBee接收器时如何工作的
WEBee发射一个WiFi数据帧到商用的ZigBee设备，ZigBee接收器的物理层如图3所示，因为共享着同样的ISM无线频段（2.4GHz）,通过WiFi信号模拟出来的波形也可以被ZigBee设备采样解调。为了接收一个数据帧，一个ZigBee射频乘法器将通带的信号频谱向下搬移到基带，并且用ADC进行同相和正交的采样将数据离散化。ZigBee的调制方式是正交相移键控，这种调制方式通过相位移动到正交或者同相的方式来对采样到的符号进行调制。更具体地来说，在采样到地S（n）和s(n-1)相移通过arctan(s(n)Xs*(n-1)),其中S*(n-1)是S（n-1）的共轭。通过阈值的设定，ZigBee输出译码结果，“1”代表相移大于0o ,反之译码输出结果为0。
在收集了32个码之后，ZigBee将这些码元映射到4个比特（1帧ZigBee数据）
通过这些预定义的符号与码元之间的关系通过直序扩频技术处理（DSSS）
3.1.3 为什么模仿可行
ZigBee的直序扩频技术通过随机噪声码与信息序列相乘获得扩频码。
在DSSS中，定义一个相关门限来控制接收到的32位的序列与预先定义的序列之间的可以允许的最大汉明距离，一个非零判决门限意味着它可以允许这些数量的码元错误。通常来说，12是默认的门限，意味着12个码元的错误可以被ZigBee的DSSS技术修复。在某些情况下，这些门限可以被设置地更松以适应高干扰和噪声地环境。例如，在这篇文章[28]中地默认判决门限是20以适应WiFi信号地干扰。正如之前提到地，基于QAM模仿会引入一些码
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