低能耗跨技术通信协议的研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sxh6916
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物联网技术的飞速发展造成了大量物联网通信设备的紧密共存问题,与此同时,带有多个不同通信模块的复合芯片的出现,为异构通信协议之间的相互协作提供了新的机遇。基于WiFi和蓝牙的复合芯片,本文创新性地让复合芯片中的WiFi和蓝牙协议相互协作,利用复合芯片中的WiFi协议来辅助蓝牙协议进行跳频通信的信道选择,使蓝牙跳频到质量较好的信道进行通信,来提高蓝牙的通信速率;同时,基于现有的WiFi到蓝牙的跨技术通信,利用功率较低的蓝牙辅助WiFi进行空闲监听,来节省能耗。现有的蓝牙协议大多使用随机跳频通信,该方式无法保证选择到质量较好的信道,此外,由于WiFi和蓝牙工作在相同的频段,彼此的信道相互重叠,且复合芯片中的WiFi和蓝牙模块处于相同无线通信环境,因此本文研究了WiFi辅助的蓝牙跳频通信。基于WiFi宽频带及正交频分多路复用的特点,本文利用WiFi细粒度的信道状态信息来评估蓝牙信道的信噪比;并基于WiFi评估的蓝牙信道信噪比,指导蓝牙跳频到信噪比较高的信道,从而实现WiFi辅助的蓝牙跳频通信。本文进行了大量实验来比较WiFi辅助的蓝牙跳频通信与随机蓝牙跳频通信的性能,实验结果表明WiFi辅助的蓝牙跳频通信所选信道的接收信号强度和信噪比相比于随机蓝牙跳频通信均有所提升,WiFi辅助的蓝牙跳频通信的正确接受比特率相较于随机蓝牙跳频通信提升了16.67%。WiFi协议具有宽频带和高速率的优点,但其运行功率和空闲监听功率也较高,据调研,WiFi的空闲监听功率为蓝牙的77倍,因此本文研究了蓝牙辅助的WiFi空闲监听。基于现有的WiFi到蓝牙的跨技术通信,本文设计了以下非透明的辅助空闲监听方案;通过修改WiFi发送端数据负载,使蓝牙能够正确解码WiFi信号,并在数据包中设置标识位和地址字段分别指示是否请求发送数据和请求通信的目的地址,蓝牙端在接收到数据包时根据标识位和地址决定是否启动本地WiFi接收数据。为了避免修改WiFi发送端,本文分析了蓝牙解码WiFi比特序列转换的过程,并设计了透明的辅助空闲监听方案;并使用虚拟地址的方式来提高透明的辅助空闲监听方案的性能,同时分析了虚拟地址设计的相关问题,包括最大化可用地址数、最大化地址间最小距离和最小化编码地址所用比特数问题,证明了这些问题是NP难问题,并设计了对应的近似算法。实验结果表明蓝牙辅助的WiFi空闲监听方案平均约节省30%的能耗,且在信噪比条件较好时,漏报率低至5%,误报率低至0%。
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