一种ZigBee-Bluetooth通信实现方法与流程

一种zigbee
‑
bluetooth通信实现方法
技术领域
1.本发明涉及数字信息传输技术领域，具体涉及一种zigbee
‑
bluetooth通信实现方法。


背景技术：

2.物联网时代的发展给现代生活带来了极大的便利，同时也促进了以wi
‑
fi、zigbee和蓝牙为代表的无线技术的快速发展，这些技术适应了不同的系统性能和环境要求(例如通信距离、设备功耗、吞吐量等)。然而，无线技术的使用依赖于频谱资源的分配，ieee802.11/wi
‑
fi，ieee802.15.4/zigbee，蓝牙bluetooth等为代表的商用无线技术都工作在无需授权的ism(industrial scientific medical band)2.4ghz频段，不同技术的通信信道在频率上出现了较大范围的重叠(见图1)。由于wi
‑
fi、zigbee以及蓝牙等协议在设计时没有或很少考虑其它技术共存的影响，将同一频段除己方通信以外的所有信号均视为干扰，而支持这些协议的设备在物理空间的共存和频谱空间的重叠导致了异质网络共存问题，产生了严重的跨技术干扰(cross technology interference，cti)，由此导致传输性能的下降。
3.此外，wi
‑
fi、zigbee和蓝牙等技术都有适合的应用场景及应用范围，在这个领域可能具有优势，而在另一个环境则可能就是劣势。在具体的应用部署中，就要充分利用各种技术的优势来部署和实施。这就使得无线通信网络除了内部设备间的数据通信需求外，不同无线网络间的数据共享和信息交换需求，异质网络之间的通信和协同也是需要解决的问题。
4.跨技术干扰和异质网络通信协同成为当前急需解决的问题。对于跨技术干扰，传统无线通信技术通过载波监听多路复用/冲突避免(carriers sensing multi
‑
access,csma)为代表的“感知
‑
退避”技术在传输过程中对异质干扰进行退避，通过对信道进行能量检测来推断当前信道是否可以接入，但在通信繁忙的网络环境中，极容易导致“通信饥饿”的情况产生，出现设备频繁退避无法接入信道的情况。
5.zigbee技术通过直序扩频技术(direct sequence spread spectrum,dsss)来抵抗干扰，虽然在一定程度上缓解了部分干扰所带来的的影响，但未从根本上解决cti带来的通信影响。通过真实环境对zigbee和wi
‑
fi的相互干扰情况的研究中，在不同无线流量网络负载情况下，zigbee的丢包率最高可以达到85％。当前异质网络通信协同主要依赖于网关设备，网关设备能够兼容不同的通信协议，从而实现不同网络之间的通信和数据融合。以zigbee和蓝牙之间的网关为例，网关设备能够单独与zigbee设备和蓝牙设备之间通信，同时将zigbee和蓝牙数据封包转发，转换数据格式。网关的使用在一定程度上能够保证将数据准确无误地在zigbee和蓝牙设备之间进行传递。但是网关设备的使用增加了硬件成本，一定程度上增加了网络复杂度，为了更好地对异质网络流量进行中继，网关的部署需要根据网络状况选在特定的位置，给网关的部署带来了一定的挑战；考虑到网关的工作机制，即“接收
‑
处理
‑
发送”，造成了由于中继而增加的流量开销，使得原本拥挤的通信环境更加糟
糕。
6.跨协议通信(cross technology communication,ctc)的提出给以上问题的解决提供了新的思路，在兼容原协议的基础上，通过物理层、数据链路层实现异质网络设备的直接通信，给同一空间异质网络的共存和协同奠定了基础，成为当前学术界研究的热点方向。目前的无线跨协议通信技术主要面向2.4ghz频段工作的wi
‑
fi、zigbee以及蓝牙技术，现有跨协议通信可以分为以下两种类型：数据包级跨协议通信以及物理层信号仿真跨协议通信。
7.数据包级跨协议通信利用数据包级的信息进行跨协议通信，其主要通过数据包的能量、数据包间隔、数据包传输顺序等方式来对信息进行调制以实现跨协议通信。其中，wizig通过改变数据包的传输能量强度来传输比特数据；esense通过调制wi
‑
fi包的数据长度来构建可识别的符号；freebee通过调制信标帧的发送时刻来构建特殊的符号，通信速率可以达到18bps；c
‑
morse通过两种长度差距明显的wi
‑
fi数据包来模拟morse长短码传递比特数据。数据包级的跨协议通信在不影响原有网络通信的前提下，通过粗粒度的数据包来作为基本单位调制信息，然而这种技术需要发送接收双方修改各自的调制解调方式，且需要对大量的数据包进行统计，不适用于资源有限的物联网设备，而且数据包级的跨协议通信通过大量的数据包来实现有效信息的传递，导致了通信速率较低。
8.物理层信号仿真跨协议通信，通过物理层符号传递跨协议通信信息。发射机端跨协议通信，例如webee、bluebee，通过数据链路层有效载荷的精心选择，在发射机端模拟另一技术的波形，使异质设备之间能够互相兼容，从而实现跨协议通信。接收机端跨协议通信则将跨协议通信的复杂度转移至接收机，接收机通过完成对物理层符号的模式识别来解调出有效信息。以实现zigbee到蓝牙的xbee、patternbee为例，xbee通过在蓝牙接收端建立映射矩阵，实现了对交叉编码zigbee分组信号的有效解码，实现了zigbee到蓝牙的跨协议通信；patternbee通过识别无论采样偏移量如何变化，都具有零相移的抗偏移片段，从而根据片段特征解码接收到的zigbee符号，实现跨协议通信。
9.对于zigbee到蓝牙的通信，xbee采用交叉编译的方法，针对采样左偏移和右偏移的两套映射矩阵依序计算位匹配值，增加了接收机的计算工作量。同时，因为映射矩阵的不确定性，接收机前导码原有的功能：通过前导码配置自动增益，确定“0”“1”所使用的频率，前导码因无法确定性模拟，从而无法实现。采样偏移量较小的情况下，则采样判定两点间相位变化量减小，会导致判定准确性降低，且这样的采样判定容易受到介质中传播的影响(见图2)。patternbee通过识别zigbee符号中的特征片段来判定整个符号，与整个序列来判定符号相比，稳定性较差，在信噪比较小的介质中传播或者传播距离较远的情况下，会受到较大的影响。


技术实现要素：

10.针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种zigbee
‑
bluetooth通信实现方法。
11.为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
12.一种zigbee
‑
bluetooth通信实现方法，包括以下步骤：
13.步骤一、采样时钟偏移判定和采样时钟偏移估计
14.zigbee发射机多次发送符合条件的前导码序列，蓝牙接收机通过接收的前导码信号进行时钟偏移判定和采样时钟偏移估计；
15.步骤二、采样时钟偏移补偿
16.根据步骤一获得的采样时钟偏移判定和采样时钟偏移估计，进行采样时钟偏移补偿；
17.步骤三、前导码与接入地址匹配
18.蓝牙接收机接收的信息以16个比特作为一个处理单元，即对应zigbee发射机的一个symbol；
19.前导码的选取和识别：在解码映射表中，选取带有符合蓝牙接收机前导码的0xaa和0x55片段作为前导码加入跨协议通信帧结构；
20.接入地址的选择：根据蓝牙协议针对接入地址的定义和限制，筛选出合适的接入地址待选列表；从接入地址待选列表中，通过双方通信误码率的选择，选取最佳接入地址作为跨协议通信接入地址；
21.步骤四、接收数据处理
22.经过前导码和接入地址验证的比特流序列，按照蓝牙最大帧长度作为一个数据处理单元，该数据处理单元经过逆白化、码书映射和crc校验，向蓝牙上层提供完全兼容上层的数据包；
23.步骤五、蓝牙上层协议处理有效载荷信息
24.经过上述步骤完成的有效载荷，成为与蓝牙协议上层兼容的帧结构和帧数据；此时，将有效载荷交由蓝牙协议上层进行进一步处理。
25.进一步地，所述步骤一中，获取采样时钟偏移判定和采样时钟偏移估计的具体步骤为：
26.时钟偏移判定：前导码序列在不同时钟偏移条件下，会得到不同的时钟偏移采样判定结果，根据时钟偏移判定结果，确定该接收机时钟偏移为左偏移或者右偏移；
27.采样时钟偏移估计：蓝牙接收机在接收到前导序列后，根据实际采样点采样值与标准采样点之间的相位差的平均值，计算实际采样点和标准采样点之间的采样时钟偏移估计。
28.进一步地，获取实际采样点和标准采样点之间的采样时钟偏移估计，具体步骤为：
29.1)采样获得接收机采样点的i路和q路的采样点；
30.2)计算该采样点与标准采样点之间的相位差；
31.3)针对前导码中的8个采样点进行相位差算术平均值计算；
32.4)针对步骤3)得到的算术平均值计算采样时钟偏移平均误差。
33.进一步地，所述步骤三中，接入地址由两个处理单元组成，即32位比特序列；接入地址可以由用户设定，并且使得该选定接入地址作为跨协议通信和蓝牙通信的区分字段。
34.进一步地，所述步骤二中，若蓝牙接收机为左偏移，则判断该左偏移的采样时钟偏移估计δt是否处于合理阈值，如果是，则保持该接收机状态；如果采样时钟δt过小，则对蓝牙接收机采样时钟延时t，使之保持在合理阈值内；若蓝牙接收机为右偏移，则判断该右偏移的采样时钟偏移估计δt是否处于合理阈值，如果是，则调整采样时钟延迟2δt；如果采样时钟δt过小，则对蓝牙接收机采样时钟延时2δt t,使蓝牙接收机处于左偏移的合理
阈值内；所述δt为蓝牙接收机采样时钟与理想采样时钟采样点之间的时间差，t为采样时钟偏移量与合理采样时钟偏移量间的时间差。
35.进一步地，所述步骤三中，选取接入地址的具体步骤为：
36.1)zigbee发射机依次发送16个symbol，蓝牙接收机按照传输误码率和识别率将symbol进行排序，选取传输误码率最低，识别率最高的两组symbol组成待选接入地址；
37.2)按照蓝牙协议针对接入地址的规则，筛选最为合适的待选接入地址作为跨协议通信接入地址。
38.进一步地，所述步骤四，具体包括以下步骤：
39.逆白化：在逆白化阶段，复用原蓝牙接收机的逆白化机制，移位寄存器初始值设定为信道号，对接收的比特流进行逐位的异或操作；
40.码书映射：zigbee16种chip序列对应16种编码序列，能够表示0000
‑
1111即0
‑
f，也就是zigbee的16种symbol；将蓝牙接收机接收到的16位比特序列，与zigbee技术16个symbol对应起来形成映射表；在运行过程中，每16位作为一个处理单元，设定匹配阈值，依次与映射表项进行匹配，达到阈值即可确定匹配值，从而映射出的zigbee技术symbol即为本次码书映射的结果；
41.经过码书映射的接收数据流，就形成了完整的有效载荷和crc校验域，经过crc校验完成对有效载荷的校验。
42.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
43.1.本发明zigbee
‑
bluetooth的通信实现方法，在兼容蓝牙间通信的前提下实现了蓝牙接收机对zigbee
‑
bluetooth跨协议通信，并通过码书映射等机制实现蓝牙上层协议的兼容和跨协议通信的容错机制；
44.2.本发明zigbee
‑
bluetooth的通信实现方法，进一步根据采样时钟偏移判定和采样时钟偏移估计结果，进行合理的采样时钟偏移补偿，使采样时钟偏移处于一种合适且确定的偏移量，解决了偏移量小导致的判定准确率降低的问题，同时使得采样偏移具有确定性并完成了前导码的使用，降低对接收端硬件的修改程度；
45.3.本发明采用一种基于匹配阈值的码书映射机制，码书映射设定阈值，接收比特以16位作为一个处理单元，依次与码书映射表进行匹配，达到阈值确定该映射符号。假设符号0
‑
f均匀出现，则该映射机制的计算成本成为扫描全部映射表项的一半。同时，因为接收机采样偏移的确定性，使得本发明蓝牙接收机码书映射机制的计算成本为交叉解码的四分之一，大大减少了蓝牙接收机的接收计算成本和匹配成本。
附图说明
46.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
47.图1为ism 2.4ghz各技术信道重叠示意图；
48.图2为采样时钟偏移量较小示意图；
49.图3为zigbee设备到蓝牙设备的跨协议通信方法的流程示意图；
50.图4为采样时钟偏移导致蓝牙接收机解调结果示意图；
51.图5为采样时钟偏移导致非正交相位差；
52.图6为clock recovery mm模块采样机制；
53.图7为采样时钟偏移补偿效果图；
54.图8为动态运行阶段流程图；
55.图9为蓝牙接收机白化与逆白化示意图；
56.图10为跨协议通信码书映射示意图。
具体实施方式
57.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
58.实施例1
59.在zigbee技术中每个chip序列持续时间为4us，而在蓝牙接收机中，chip序列被切割为4个1us片段。由于zigbee技术和蓝牙技术的带宽差异，每个1us片段包含两个zigbee比特的相移信息，而蓝牙解调器根据两个zigbee比特的累计相移解调。当zigbee两个比特为连续的“11”或“00”时，蓝牙接收机解调为“1”或“0”。而zigbee两个比特为“10”或“01”时，根据蓝牙接收机的采样时钟偏移程度的不同，被解调为“1”或“0”和“0”或“1”两种情况。在本发明实例中，通过获得采样时钟偏移判定、采样偏移估计，进而对采样时钟进行合理补偿，从而使得zigbee两个比特为“10”或“01”时，蓝牙接收机解调为“1”或“0”这一组确定性结果。
60.如图3所示，为本发明实施提供的zigbee设备到蓝牙设备的跨协议通信方法的流程示意图。本发明实例主要包括两个阶段：静态建立阶段和动态运行阶段。静态建立阶段主要完成采样时钟偏移判定、采样时钟偏移估计和采样偏移补偿。具体步骤如下：
61.步骤一、蓝牙接收机的时钟偏移判定和采样时钟偏移估计
62.zigbee发射机多次发送符合条件的前导码序列，蓝牙接收机通过接收的前导码信号进行时钟偏移判定和采样时钟偏移估计；
63.采样时钟偏移判定主要利用具有前导码序列的zigbee符号在不同的采样时钟偏移条件下，会得到不同的时钟偏移采样判定结果，而根据采样判定结果，确定该接收机时钟偏移为左偏移或者右偏移。
64.采样时钟偏移估计：蓝牙接收机在接收到前导序列后，根据实际采样点采样值与标准采样点之间的相位差的平均值，计算实际采样点和标准采样点之间的采样时钟偏移估计，具体步骤为：
65.1)采样获得接收机采样点的iq两路的采样点；
66.2)计算该采样点与标准采样点之间的相位差；
67.3)针对前导码中的8个采样点进行相位差算术平均值计算；
68.4)针对上步得到的算术平均值计算采样时钟偏移平均误差。
69.采样时钟偏移估计主要是偏移量δt的确定。由于采样时钟偏移量δt的存在，使得“10”或“01”这样具有相同正负相移量的片段，被蓝牙接收机解调为“1”或“0”。如图4所示。
70.半正弦o
‑
qpsk信号时域表达式如下：
71.s
半正弦o
‑
qpsk
(t)＝a[i(t)cos 2πf
c
t
‑
q(t)sin 2πf
c
t]
[0072]
其中，
[0073][0074][0075]
rect为矩形函数；a为载波幅度；a
n
取值为
‑
1或 1，分别对应1和0，为同相通路基带信号的包络，为延时t
b
后的正交路基带信号的包络，f
c
为载波通信中心频率。
[0076]
半正弦o
‑
qpsk调制，i路和q路在采样点上应为正交调制，在星座图上表示为i正向坐标轴，即i(t1)q(t1)应为正交。而采样时钟偏移导致非正交相位差，如图5所示。
[0077]
i(t1 δt),q(t1 δt)采样产生的非正交相位差δφ与δt唯一对应，以此来计算采样时钟偏移δt。
[0078]
取8个采样点，计算相位差δφ的算术平均值，将无线信号传播过程中的奇异点影响去除，公式如下：
[0079][0080]
根据计算得出的平均相位，计算采样时钟偏移量δt
[0081][0082]
步骤二、采样时钟偏移补偿
[0083]
根据步骤一获得的采样时钟偏移判定和采样时钟偏移估计，进行采样时钟偏移补偿；
[0084]
本实例介绍一种基于gnu radio usrp平台的采样时钟补偿方法。采样时钟补偿方法利用gnu radio中的信号处理模块clock recovery mm模块实现采样时钟补偿，该模块针对输入信号进行采样的机制，如图6所示，其中，mu是第一个抽取样本与时间零点之间的距离，omega是两个连续抽取样本之间距离。通过修改mu的值，使得蓝牙接收机达成以下效果：
[0085]
定义δ为蓝牙接收机采样时钟与理想采样时钟采样点之间的时间差，为采样时钟偏移量与合理采样时钟偏移量间的时间差，合理采样时钟偏移量可以完成稳定的跨协议通信。
[0086]
若蓝牙接收机为左偏移，则判断该左偏移的采样时钟偏移估计δ是否处于合理阈值，如果是，则保持该接收机状态，不做处理。如果采样时钟δ过小，则对蓝牙接收机采样时钟延时，使之保持在合理阈值内。
[0087]
若蓝牙接收机为右偏移，则判断该右偏移的采样时钟偏移估计δ是否处于合理阈值，如果是，则调整采样时钟延迟2δ。如果采样时钟δ过小，则对蓝牙接收机采样时钟延时2δ ,使蓝牙接收机处于左偏移的合理阈值内。
[0088]
采样时钟偏移补偿效果如图7所示。
[0089]
静态建立阶段完成后，蓝牙接收机配置采样偏移补偿量，然后进入动态运行阶段。值得注意的是，由于采样偏移补偿参数已经确定和蓝牙接收机的稳定性，静态建立阶段仅需进行一次，便可正常进行跨协议通信。
[0090]
步骤三、前导码与接入地址匹配
[0091]
动态运行阶段：经过步骤一和步骤二后，蓝牙接收机经过信号解调，能够稳定、准确地接收zigbee
‑
bluetooth跨协议通信的信息序列；蓝牙接收机接收的信息以16个比特作为一个处理单元，即对应zigbee发射机的一个symbol。动态运行阶段流程如图8所示。
[0092]
前导码的选取和识别：在蓝牙协议中，前导码用来配置接收机的自动增益控制和确定“0”、“1”比特所使用的频率。前导码的使用对蓝牙接收机至关重要。在解码映射表中，选取带有符合蓝牙接收机前导码的0xaa和0x55片段作为前导码加入跨协议通信帧结构。
[0093]
接入地址的选择：接入地址由两个处理单元组成，即32位比特序列。接入地址可以由用户设定，并且使得该选定接入地址作为跨协议通信和蓝牙通信的区分字段。根据蓝牙协议针对接入地址的定义和限制，筛选出合适的接入地址待选列表。从接入地址待选列表中，通过双方通信误码率的选择，选取最佳接入地址作为跨协议通信接入地址。
[0094]
选取接入地址的具体步骤为：
[0095]
1)zigbee发射机依次发送16个symbol，蓝牙接收机按照传输误码率和识别率将symbol进行排序，选取传输误码率最低，识别率最高的两组symbol组成待选接入地址；
[0096]
2)按照蓝牙协议针对接入地址的规则，筛选最为合适的待选接入地址作为跨协议通信接入地址。
[0097]
步骤四、接收数据处理
[0098]
经过前导码和接入地址验证的比特流序列的按照蓝牙最大帧长度作为一个数据处理单元，该数据处理单元经过逆白化、码书映射、crc校验，向蓝牙上层提供完全兼容上层的数据包；
[0099]
具体包括以下步骤：
[0100]
逆白化：在逆白化阶段，复用原蓝牙接收机的逆白化机制，移位寄存器初始值设定为信道号，对接收的比特流进行逐位的异或操作。白化与逆白化示意图如图9所示。
[0101]
码书映射：由于蓝牙没有纠错机制，跨协议通信不是完美的信号波形仿真，很容易发生错误。其次，由于zigbee
‑
ble的通信仅有16种码片序列，每种序列16位比特，实际上只能支持4个比特的数据传输，无法完全仿真每一个比特序列。在此基础上，引入码书映射，以此来实现：
[0102]
1)跨协议通信纠错机制；
[0103]
2)上层协议的帧结构的完全仿真。
[0104]
码书映射示意图如图10所示：
[0105]
具体步骤：zigbee16种chip序列对应16种编码序列，这可以表示0000
‑
1111即0
‑
f，也就是zigbee的16种symbol。将蓝牙接收机接收到的16位比特序列，与zigbee技术16个
symbol对应起来形成映射表；
[0106]
在运行过程中，每16位作为一个处理单元，设定匹配阈值，依次与映射表项进行匹配，达到阈值即可确定匹配值，从而映射出的zigbee技术symbol即为本次码书映射的结果。上述匹配阈值通过静态阶段多次发送接收获得合理值，其数值为接收单元与标准单元匹配个数的平均数；
[0107]
假设symbol 0
‑
f是均匀出现，则该映射技术的计算成本为扫描全部映射表项的一半，减小了接收机计算和匹配成本。同时，因为接收机采样偏移的确定性，使得本发明接收机码书映射机制的计算成本为交叉解码的四分之一，大大减少了蓝牙接收计算成本和匹配成本。
[0108]
经过码书映射的接收数据流，就形成完整的有效载荷和crc校验域，经过crc校验完成对有效载荷的校验。
[0109]
步骤五、蓝牙上层协议处理有效载荷信息
[0110]
经过上述步骤完成的有效载荷，成为与蓝牙协议上层兼容的帧结构和帧数据；此时，将有效载荷交由蓝牙协议上层进行进一步处理。
[0111]
上述步骤的实现，完成了zigbee技术到bluetooth技术的跨协议直接通信，同时通过码书映射等机制实现蓝牙上层协议的兼容和跨协议通信的容错机制。根据采样时钟偏移判定和采样时钟偏移估计结果，进行合理的采样时钟偏移补偿，使采样时钟处于一种合适且确定的偏移量，解决了偏移量小导致的判定准确率降低的问题，同时使得采样偏移具有确定性，并实现了前导码的使用，降低对接收端固件的修改程度。
[0112]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。