郭秀珍 何 源

（清華大學軟件學院 北京 100084）

（北京信息科學與技術國家研究中心（清華大學） 北京 100084）（guoxiuzhen94@gmail.com）

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術在應用領域受到了越來越多的關注和采用.據(jù)統(tǒng)計，2016年物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量達到了176.8億臺，并保持每年17%的增長率.與此同時，無線技術作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎技術之一也得到了多樣化的發(fā)展.比如，WiFi技術被廣泛應用在智能家居產(chǎn)品，ZigBee技術應用在無線傳感網(wǎng)絡的監(jiān)控，藍牙設備支持低功耗的連接，LoRa技術能在公里級別的距離傳輸?shù)?

隨著物聯(lián)網(wǎng)設備和應用呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長，在同一個物理空間尤其是室內(nèi)環(huán)境中，各種各樣無線網(wǎng)絡協(xié)議共存的情況越來越普遍.比如在智慧工廠中，ZigBee節(jié)點用于監(jiān)控溫度濕度等環(huán)境信息，RFID標簽用于監(jiān)控設備的振動轉角等狀態(tài)信息，WiFi路由器為巡檢人員提供無線網(wǎng)絡連接，等等.在這種不同無線技術相互共存相互融合的場景中，不同無線技術之間就會導致信道競爭、信號沖突、吞吐降低、延遲增加等嚴重的共存問題.

多種異質(zhì)無線網(wǎng)絡協(xié)議共存在很多物聯(lián)網(wǎng)應用中都是不可避免的.被動地進行沖突避讓、干擾容忍和并發(fā)解碼只是緩兵之策，不同無線技術之間主動進行數(shù)據(jù)共享和融合協(xié)調(diào)才是解決共存問題的突破口.在這種背景下，跨技術通信方法應運而生.多個異構設備之間能夠直接地傳輸數(shù)據(jù)和交換信息，實現(xiàn)更好的網(wǎng)絡管理、干擾控制、交互操作和組網(wǎng)融合等.

跨技術通信方法是近年來學術界和工業(yè)界研究的熱點之一，現(xiàn)有工作實現(xiàn)了2類跨技術通信的方法.第1類利用各種異構設備都能進行能量感知的共性，利用數(shù)據(jù)包級別的特征構建了數(shù)據(jù)包能量、長度、間隔、狀態(tài)信息等側信道來傳輸跨技術通信的比特信息.第2類挖掘了不同無線技術調(diào)制解調(diào)的兼容性，提出了物理層模擬的方法實現(xiàn)對目標信號的重構或映射.目前，跨技術通信方法已經(jīng)取得了積極進展，但同時仍有大量的開放性問題有待解決.

本文在重新梳理相關研究的基礎上，分析了跨技術通信方法產(chǎn)生的背景和研究意義，總結了現(xiàn)有工作提出的跨技術通信方法，并介紹了跨技術通信的相關應用場景.最后，展望了物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展趨勢，實現(xiàn)更加泛在的跨網(wǎng)絡、跨技術、跨頻率的互聯(lián)互通.

1 跨技術通信方法背景

1.1 無線網(wǎng)絡的共存與融合

隨著無線通信和物聯(lián)網(wǎng)技術的蓬勃發(fā)展，使用不同無線技術的應用系統(tǒng)越來越多地出現(xiàn)和豐富了人們的日常生活.比如 WiFi[1-2]，ZigBee[3-4]，Bluetooth[5-6]，LoRa[6-8]，RFID[9-10]等無線技術廣泛應用在智能家居、智能穿戴、智慧醫(yī)療和智慧工業(yè)等領域.一方面，不同的無線技術能夠適應不同的系統(tǒng)性能要求，比如通信范圍、數(shù)據(jù)率、延遲和能耗等.另一方面，這些不同的無線技術共享同一個頻段的信道資源.圖1展示了3種運行在2.4 GHz頻段上的無線信號的頻譜分布，可以發(fā)現(xiàn)這3種信號的頻段相互重疊.如果這些不同無線技術共存在同一個物理空間時，因為信道競爭和信號沖突，有可能誘發(fā)網(wǎng)絡丟包、吞吐降低、延遲增加、頻譜低效等嚴重的共存問題.文獻[11]中展示了真實環(huán)境中WiFi和ZigBee相互干擾的情況，在不同的WiFi流量負載下，ZigBee的丟包率在0%~85%之間變化.

Fig.1 Frequency distribution of common wireless technologies in 2.4 GHz圖1 常見無線技術在2.4GHz的頻譜分布

不同的無線技術因為物理層標準的不兼容性，不能要求其他無線網(wǎng)絡協(xié)議的配合，只能被動地調(diào)整自己的傳輸策略.傳統(tǒng)的無線共存問題[12]的解決方法包括干擾避讓[13-14]、容忍[15-17]和并發(fā)機制[18-19].

1）干擾避讓.避讓法是盡量從時間、頻率和碼字3個方面隔離自己的信號和其他無線異質(zhì)信號.載波偵聽多路訪問[20-21]（carrier sense multiple access, CSMA）和時分多路訪問[22-23]（time division multiple access, TDMA）是時間隔離的方法.在CSMA中，發(fā)射機在發(fā)送信號之前首先進行偵聽檢測信道是否空閑，當信道中有其他信號正在傳輸時，會隨機后退一段時間避讓干擾后再進行傳輸.在跳頻技術[24-25]中，無線網(wǎng)絡協(xié)議并不使用固定的信道，而是在所有可用信道上進行變化.這樣不同的無線技術不會長期在某個相同的信道上停留，有效地避免干擾和沖突.另外，還可以通過編碼技術，增強信號的抗干擾能力和數(shù)據(jù)包的解碼率.

2）容忍和并發(fā)機制.通常不同無線異構設備具有非對稱性，比如WiFi的發(fā)送功率更大、競爭信道的能力更強；低功耗設備ZigBee的功率較低、能力較弱.那么WiFi的CSMA監(jiān)聽不到遠處ZigBee的傳輸，不會產(chǎn)生避讓，所以ZigBee信號很容易被高功率的WiFi干擾.當2個發(fā)送端的數(shù)據(jù)包到達同一個接收端時可能會存在捕獲效應[26-27]，通常信號能量較高的數(shù)據(jù)包可以被成功解析.比如ZIMO[28]中利用干擾消除技術，在ZigBee信號和WiFi信號重疊時，能夠消除WiFi干擾成功解碼出ZigBee信號.

1.2 跨技術通信方法的誕生

跨技術通信是物聯(lián)網(wǎng)設備共存融合的大勢所趨.在物聯(lián)網(wǎng)迅猛發(fā)展的大背景下，多種異質(zhì)無線網(wǎng)絡協(xié)議共存是不可避免的.被動地進行沖突避讓、干擾容忍和并發(fā)解碼只是緩兵之策，不同無線技術之間主動進行數(shù)據(jù)傳輸和融合協(xié)調(diào)才是解決共存問題的突破口.

目前，市場上涌現(xiàn)出了眾多網(wǎng)關產(chǎn)品，包括神州數(shù)碼、艾泰、國富安等多種品牌，可以實現(xiàn)不同調(diào)制方式的無線信號轉換，應用在工業(yè)廠房、家庭監(jiān)控等場景.與此同時，市場上也有很多用于解決設備連接的軟件框架平臺技術，比如Niagara是Tridium公司研發(fā)設計的用于解決設備連接的軟件框架平臺，用于提高物聯(lián)網(wǎng)設備的互操作能力和提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)呈現(xiàn).因此，實現(xiàn)不同無線技術之間的轉換和通信是物聯(lián)網(wǎng)設備共存融合的大勢所趨.但是純網(wǎng)關的設計會帶來部署和維護的成本提高以及雙倍的通信開銷，造成信道擁擠并降低整體傳輸效率[29-31].因此，我們需要去除網(wǎng)關，在無線異構設備之間實現(xiàn)直接的萬物互聯(lián)和異構融合.在這種背景下，跨技術通信方法應運而生.

跨技術通信是指2個異構的無線設備之間能夠?qū)崿F(xiàn)直接的數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，而不需要中間的網(wǎng)關.但是，實現(xiàn)跨技術通信也面臨著很多挑戰(zhàn)，包括信息屏障、媒介缺失和管理失衡.

首先，異質(zhì)網(wǎng)元天然存在“信息屏障”，不同無線技術的物理層采用不同的通信協(xié)議標準，這些標準是不兼容的.其次，這些異構網(wǎng)絡的協(xié)同面臨“媒介缺失”的問題，不同無線技術的編碼調(diào)制方式不同，相應的解調(diào)解碼方式也不同.最后，不同無線技術共享信道資源容易出現(xiàn)“管理失衡”，因為不同無線技術的帶寬、速率、接收靈敏度、抗噪聲干擾、搶占信道的能力是非對稱的.

為了解決這些挑戰(zhàn)，近些年涌現(xiàn)出了很多實現(xiàn)跨技術通信方法的研究工作.對跨技術通信的研究最早可以追溯到2009年，Chebrolu等人[32]提出的Esense借助數(shù)據(jù)包能量實現(xiàn)了從WiFi到ZigBee的直接數(shù)據(jù)傳輸，證明了跨技術通信的可行性.美國明尼蘇達大學的He等人[33]在2015年的MobiCom會議上發(fā)表論文FreeBee時率先將該成果定義為跨技術通信（cross technology communication，CTC），該團隊后續(xù)也發(fā)表了一系列代表性成果，為跨技術通信方向的研究樹立了標桿.隨后，清華大學何源老師團隊于2016年率先在國內(nèi)系統(tǒng)性開展跨技術通信相關研究，團隊提出的能量編碼和數(shù)字模擬等方法備受國內(nèi)外學者的關注和討論.另外，國內(nèi)很多其他高校例如浙江大學、北京郵電大學、西北大學、燕山大學等團隊都先后開展跨技術通信相關研究.

跨技術通信的技術方向體現(xiàn)在2方面：一方面，對跨技術通信的研究從使能實現(xiàn)技術向鏈路層、網(wǎng)絡層以及應用層在不斷延伸和拓展；另一方面，跨技術通信方法的性能不斷完善和提升，比如利用物理層信號模擬和交叉映射的方法提升數(shù)據(jù)率；通過減小模擬誤差逐步增加可靠性；尋找多種無線信號更加細粒度的共性特征來完善兼容性等.

1.3 跨技術通信方法的研究意義

跨技術通信方法能夠?qū)崿F(xiàn)更好的網(wǎng)絡控制、干擾管理、交互操作和異構網(wǎng)絡融合，能夠應用在家居、工業(yè)、醫(yī)療等多種場景.

1）智慧家庭.WiFi AP根據(jù)場景的不同動態(tài)地給傳感器節(jié)點（ZigBee設備）分配不同的優(yōu)先級，保證優(yōu)先級高的傳感器數(shù)據(jù)能高效穩(wěn)定地回傳到數(shù)據(jù)中心，更好地管理共存的異構無線設備[34,36].

2）野外森林.利用大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡（WSN）監(jiān)控溫度濕度等環(huán)境參數(shù)，可以借助LoRa遠距離低功耗的優(yōu)勢，給這些分散的傳感器節(jié)點發(fā)送控制信息，從而避免傳感器節(jié)點自身的多跳傳輸減少延遲.另外，還可以實現(xiàn)網(wǎng)絡診斷，更快速準確地確定故障設備[37].

3）工業(yè)應用.大多數(shù)的工業(yè)控制機械制造需要多種異構設備的交互才能完成復雜的功能，為了提高控制精度減小誤差，我們可以通過從WiFi到ZigBee的跨技術通信方法[38]傳送時間戳信息實現(xiàn)毫秒級別的異構網(wǎng)絡時鐘同步誤差.

4）網(wǎng)絡安全.跨技術通信方法在實現(xiàn)異構設備之間直接數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，也能讓2個異構設備之間可以相互模仿，無法區(qū)分出誰是同質(zhì)設備還是異構設備，從而實現(xiàn)攻擊.比如WiFi設備可以模擬一個藍牙設備，WiFi發(fā)出的從WiFi到藍牙的模擬信號和藍牙到藍牙的數(shù)據(jù)信號非常相似，導致藍牙接收端無法辨別，從而出現(xiàn)廣告推送、數(shù)據(jù)竊取等安全隱私問題[39].

5）健康看護.借助跨技術通信方法可以實現(xiàn)對健康數(shù)據(jù)更快速的上傳和更廣泛的監(jiān)控[40].比如可以利用廣泛部署的WiFi AP作為藍牙基站[41]，及時上傳藍牙手表、手環(huán)等可穿戴設備的測量數(shù)據(jù)，并且實現(xiàn)更加及時地幫助和救援.另外，跨技術通信方法能夠為很多IoT設備制定高效的節(jié)能策略[42].通常允許WiFi連接的設備耗電嚴重，很多設備會采用802.11的PSM模式關閉WiFi接口，來避免設備對環(huán)境中可連接WiFi網(wǎng)絡的嗅探以此節(jié)能，但這種方法也讓設備不能及時地連接到可用的WiFi網(wǎng)絡上.在這種情況下，我們可以利用低功耗ZigBee傳感器節(jié)點的監(jiān)聽模式[28]去檢測是否有可用的WiFi網(wǎng)絡，然后再通過ZigBee到WiFi的跨技術通信方法打開WiFi接口，延長電池壽命.

2 數(shù)據(jù)包級別的跨技術通信方法

因為物理層協(xié)議的不兼容，雖然異構無線設備之間不能直接地解調(diào)解碼（如1.2節(jié)分析），但是可以利用數(shù)據(jù)包級別的特征構建一個能夠?qū)κ瞻l(fā)雙方同時有效的側信道，從而傳送異構設備之間的跨技術通信的數(shù)據(jù)信息.這種方法類似于2個說不同語言的人，雖然聽不懂對方的話，但是可以通過聲音的高低、一句話的長短等來傳遞信息.目前，主要有基于接收信號強度（received signal strength, RSS）和信道狀態(tài)信息（channel state information, CSI）2 種基于數(shù)據(jù)包級別特征的跨技術通信方法.表1總結了現(xiàn)有的數(shù)據(jù)包級別的跨技術通信方法.表1中，可靠性是用來評估該技術的抗干擾能力，以及提出編碼側信道是否有應對環(huán)境干擾的機制.基于RSS的側信道比基于CSI的側信道具有更高的可靠性，另外，StripComm[43]，F(xiàn)reeBee[33]，HoWiES[44]分別采取了曼徹斯特編碼、folding技術和多數(shù)據(jù)包編碼策略來抵抗噪聲；AdaComm[45]，c-Chirp[46]，DopplerFi分別采用了神經(jīng)網(wǎng)絡、線性調(diào)頻和多子載波調(diào)制的方法來提高CSI的可靠性.

Table 1 Overview of Packet-Level CTC Methods表1 數(shù)據(jù)包級別的跨協(xié)議通信技術概覽

2.1 基于RSS的跨技術通信方法

大多數(shù)無線設備，比如 WiFi，Bluetooth，ZigBee，LoRa等，都能支持RSS檢測的功能，能夠?qū)⑹盏降臒o線信號的信號強度直接記錄下來，而不需要將信號解碼出來.收發(fā)雙方可以通過信號強度信息來構建可識別的特征序列，從而實現(xiàn)跨技術數(shù)據(jù)信息的傳輸.我們可以通過調(diào)整數(shù)據(jù)包的發(fā)送能量、長度信息、發(fā)送間隔和順序等來構建不同的RSS序列特征.

1）數(shù)據(jù)包能量.通過控制接收端收到的RSS信息在能量強度上發(fā)生的變化可以傳輸跨技術的數(shù)據(jù)比特.如圖2所示，當WiFi發(fā)送端有數(shù)據(jù)包傳送時，ZigBee接收端檢測到的RSS強度高，可以傳遞跨技術比特“1”；當WiFi發(fā)送端沒有數(shù)據(jù)包傳送時，ZigBee接收端檢測到的RSS強度低，可以傳遞跨技術比特“0”.但是，數(shù)據(jù)包的有無只能在接收端出現(xiàn)2種不同的數(shù)據(jù)包能量等級（能級），一個時間窗口內(nèi)只能傳送實現(xiàn)1b的跨技術數(shù)據(jù).WiZig[47]通過在WiFi發(fā)送端調(diào)整不同的發(fā)送功率來在接收端實現(xiàn)多種不同的能級來提高數(shù)據(jù)率.比如4種不同的發(fā)送功率對應4種不同的能級，就可以傳送2b的跨技術數(shù)據(jù).另外，StripComm[43]提出將數(shù)據(jù)包能量信息進行曼徹斯特編碼的方法來提高跨技術數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力和魯棒性.

Fig.2 Packet-level CTC method based on packet energy圖2 基于包能量的數(shù)據(jù)包級別跨技術通信方法

2）數(shù)據(jù)包長度.發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包的長度不同，使接收端收到信號強度的持續(xù)時間不同，從而可以對應不同的跨技術數(shù)據(jù)比特.如圖3所示.Esense[32]在發(fā)送端和接收端之間建立映射表，規(guī)定一個窗口內(nèi)100種不同長度的數(shù)據(jù)包以及跨技術數(shù)據(jù)比特的對應關系.HoWiES[44]改進了Esense，能夠在一個窗口傳遞 2 744 種信息.

3）數(shù)據(jù)包間隔.通過改變廣播幀的發(fā)送間隔，比如WiFi和Bluetooth的beacon幀，可以傳遞跨技術數(shù)據(jù)信息，不需要帶來額外的數(shù)據(jù)包開銷.比如2個相鄰的 WiFi廣播幀的時間間隔是 100 ms，F(xiàn)reeBee[33]中調(diào)整了WiFi廣播幀的廣播間隔，讓ZigBee和Bluetooth等接收端采集到的高電平的信號強度間隔發(fā)生變化，從而傳遞WiFi到ZigBee和WiFi到Bluetooth的跨技術信息，如圖4所示.

Fig.3 Packet-level CTC method based on packet size圖3 基于包長度的數(shù)據(jù)包級別跨技術通信方法

Fig.4 Packet-level CTC method based on packet interval圖4 基于包間隔的數(shù)據(jù)包級別跨技術通信方法

4）數(shù)據(jù)包順序.控制不同數(shù)據(jù)包的發(fā)送順序可以構建不同的信號強度序列.如圖5所示，C-Morse[48]調(diào)整不同類型、不同長度數(shù)據(jù)包的發(fā)送順序，在接收端構建{短、短、長、長}、{短、長、短、長}等多種不同類型的摩斯編碼序列；EMF[49]中通過調(diào)整數(shù)據(jù)包的發(fā)送順序，改變了接收端在一個時間窗口內(nèi)收到的高電平的占空比.可以用摩斯編碼來改變信號占空比實現(xiàn)跨技術數(shù)據(jù)比特信息的傳遞.PRComm[50]主要考慮了同步和抗干擾2個需求，發(fā)送端通過改變數(shù)據(jù)包順序來構建不同的偽隨機序列，提高抗干擾能力，并提出基于可識別編碼特征的動態(tài)同步解碼策略，容忍數(shù)據(jù)包時間誤差的影響.

Fig.5 Packet-level CTC method based on packet schedule圖5 基于包順序的數(shù)據(jù)包級別跨技術通信方法

2.2 基于CSI的跨技術通信方法

無線異構信號在頻域上互相重疊的特性為基于CSI的跨技術通信方法提供了理論支持.WiFi 802.11a/g/n 支持 20 MHz的信道寬度，每個信道分成64個子信道，CSI[54]是用來指示這些子載波上的信道狀態(tài)，包括幅度和相位2個部分.相比于RSS，CSI的變化更穩(wěn)定，抗干擾能力更強.通過影響WiFi接收端收到的CSI的特征序列、波形構建和頻偏等，可以實現(xiàn)跨技術通信方法.

1）特征序列.當WiFi數(shù)據(jù)包在傳送過程中受到其他數(shù)據(jù)包的干擾或者影響時，CSI序列會發(fā)生顯著變化，從而可以利用CSI序列實現(xiàn)跨技術數(shù)據(jù)的傳輸，如圖6所示.比如，當信道中有ZigBee數(shù)據(jù)包傳輸時，ZigBee信號會影響WiFi數(shù)據(jù)包的前導碼，從而使接收端收到的CSI序列發(fā)生變化.因為環(huán)境信道的復雜性，CSI的變化特征很難通過現(xiàn)有的公式進行量化.ZigFi[51]中提出利用支持向量機來對CSI序列進行判斷.如果CSI發(fā)生了顯著變化，則判斷信道中有ZigBee數(shù)據(jù)包，從ZigBee到WiFi的跨技術數(shù)據(jù)是“1”；反之，從 ZigBee到 WiFi的跨技術數(shù)據(jù)是“0”.除了ZigBee信號外，背景噪聲、突發(fā)信號、多徑干擾都會影響WiFi的CSI序列，AdaComm[45]利用機器學習的方法來判斷CSI序列的特征，從而增強了跨技術數(shù)據(jù)傳輸?shù)聂敯粜院推者m性.

Fig.6 CSI sequence received by WiFi with and without ZigBee圖6 有/無ZigBee傳輸情況下WiFi收到的CSI序列

2）波形構建.除了將WiFi的CSI是否發(fā)生變化作為特征外，還可以通過不同的CSI大小構建不同的CSI波形來進行跨技術數(shù)據(jù)的傳輸.B2W2[52]中通過Bluetooth數(shù)據(jù)包來影響WiFi收到的CSI，通過調(diào)節(jié)不同的Bluetooth發(fā)送功率，使得WiFi的CSI出現(xiàn)DAFSK的波形，WiFi接收端根據(jù)波形的變化來解碼數(shù)據(jù)，如圖7所示.受LoRa信號擴頻調(diào)制技術的啟發(fā)，c-Chirp[46]在不同的ZigBee信道上發(fā)送數(shù)據(jù)包，WiFi接收端收到的CSI序列會在不同的頻率上線性變化，從而將ZigBee到WiFi跨技術通信的距離提高到60 m.

Fig.7 DAFSK waveform constructed by WiFi CSI圖7 利用 WiFi CSI構建 DAFSK 波形

因為數(shù)據(jù)率受限的影響，目前跨技術通信的研究主要集中在基于物理層信號的跨技術通信方法研究.但是相比基于物理層信號的跨技術通信方法，數(shù)據(jù)包級別的跨技術通信方法在通用性、兼容性和可靠性方面仍然具有較大的優(yōu)勢.

3 物理層級別的跨技術通信方法

雖然基于數(shù)據(jù)包級別的跨技術通信方法實現(xiàn)簡單、不需要修改設備的底層硬件和MAC協(xié)議、有很強的兼容適配能力，但是這種方法實現(xiàn)的跨技術傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率是非常有限的，通常只有幾百bps到幾千bps.通常一個數(shù)據(jù)包的持續(xù)時間是幾毫秒，所以基于數(shù)據(jù)包能量、大小、間隔和發(fā)送順序等數(shù)據(jù)包級別特征的方法的調(diào)制粒度有限，從而限制了數(shù)據(jù)率.

為了進一步提升跨技術通信的傳輸效率，近年來提出基于物理層級別的跨技術通信方法，能夠?qū)崿F(xiàn)Mbps的數(shù)據(jù)率.按照發(fā)送端和接收端是否需要修改上層協(xié)議，我們將現(xiàn)有的物理層級別的跨技術通信方法分為3類，分別是接收端透明的、發(fā)送端透明的、非透明的跨技術通信方法.表2總結了現(xiàn)有的物理層級別的跨技術通信方法.其中，修改程度是指對發(fā)送端或者接收端進行修改的程度，分為對軟件或固件的修改以及對硬件的修改.修改程度“低”是指只需要對發(fā)送端或者接收端中的一端進行軟件或固件的修改，改變發(fā)送端的發(fā)送方式或者接收端的解碼規(guī)則；修改程度“中”是指需要同時在軟件或固件層面對發(fā)送端的發(fā)送方式和接收端的解碼規(guī)則進行修改；修改程度“高”是指我們需要對發(fā)送端和接收端的硬件進行升級改造來完成跨技術通信.

Table 2 Overview of Physical-Level CTC Methods表2 物理層級別的跨技術通信方法概覽

3.1 接收端透明的跨技術通信方法

接收端透明的跨技術通信方法是指接收端不需要任何修改就可以直接解碼其他異構無線信號的方法.發(fā)送端通過適當?shù)挠布薷幕蛘吖碳壢ツM接收端的信號.因為發(fā)送端有較強的計算能力，所以發(fā)送端模擬出的信號和接收端想要的信號非常相近，從而被接收端認為是合法的數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)有效的接收.根據(jù)發(fā)送端模擬目標的不同，接收端透明的跨技術通信方法又可以分為對接收端時域波形的模擬和對接收端相偏序列的模擬.

1）對時域波形的模擬.發(fā)送端通過改變數(shù)據(jù)包的內(nèi)容去模擬接收端想要的時域波形，從而實現(xiàn)跨技術數(shù)據(jù)的有效接收和解碼[66].WEBee[55]提出了基于物理層波形模擬的方法實現(xiàn)從WiFi到ZigBee跨技術通信的方法.如圖8所示，WiFi發(fā)送端在WiFi數(shù)據(jù)包的payload域填充合適的數(shù)據(jù)比特去模擬ZigBee的時域波形，然后像發(fā)送正常的WiFi數(shù)據(jù)包一樣發(fā)送模擬數(shù)據(jù)包.ZigBee接收端將WiFi數(shù)據(jù)包的前導碼、包頭和尾部數(shù)據(jù)域認為是噪聲丟棄，而WiFi的payload域滿足ZigBee的波形要求，會被認為是合法的ZigBee數(shù)據(jù)包成功解碼.

這種對時域信號的模擬方法主要是通過WiFi發(fā)送的逆過程來實現(xiàn)的，如圖9所示.假設WiFi發(fā)送端發(fā)出的模擬信號就是標準的接收端信號，經(jīng)過去循環(huán)前綴（CP）、傅里葉變換、逆映射、解卷積、解交織、解擾碼等操作，可以反推出原始的數(shù)據(jù)比特.如果WiFi發(fā)送端將這些數(shù)據(jù)比特填充到payload域，那么經(jīng)過發(fā)送流程，就能模擬出接收端想要的時域信號，這個過程叫作QAM模擬.根據(jù)相似的波形模擬的思想，PMC[56]中WiFi發(fā)送端利用WiFi和ZigBee重疊的子載波實現(xiàn)對ZigBee信號的模擬，利用WiFi和ZigBee非重疊的子載波實現(xiàn)WiFi信號的傳輸.

Fig.8 Physical-level CTC method based on time-domain emulation圖8 基于時域波形模擬的物理層跨技術通信方法

Fig.9 Process of WiFi transmission and emulation圖9 WiFi端的信號發(fā)送和信號模擬流程

但是，WiFi端模擬出的時域信號和接收端想要的時域信號之間存在模擬誤差，主要來自QAM模擬誤差和循環(huán)前綴帶來的誤差.如圖10所示，一般WiFi中可用的QAM點大小和數(shù)量是固定有限的，ZigBee信號對應的QAM和WiFi可用的QAM點不能重合.所以，用距離最近的WiFi可用QAM點去模擬ZigBee信號時，就會出現(xiàn)QAM誤差.WiFi中采用循環(huán)前綴機制，將每個OFDM碼元后面的0.8us的信號復制到碼元的開頭，來抵抗多徑干擾的影響.但是，ZigBee信號并沒有循環(huán)前綴的約束，一個ZigBee符號開頭和結尾的時域信號并不相同.所以，WiFi的循環(huán)前綴也會帶來模擬誤差.

Fig.10 QAM errors caused by time-domain emulation圖10 由時域模擬產(chǎn)生的QAM誤差

2）對相偏序列的模擬.因為模擬誤差，WiFi發(fā)送端的模擬信號和ZigBee想要的時域信號并不能完美地匹配和對應，所以基于時域波形的模擬方法僅能實現(xiàn)50%左右的數(shù)據(jù)包接收率.另外，我們發(fā)現(xiàn)很多接收端是利用相位變化而不是波形來解碼的，比如相偏大于0解碼為1，相偏小于0解碼為0.因此，很多工作提出了基于相偏序列的模擬方法來提高模擬信號的接收率.

WIDE[57]提出了數(shù)字模擬的方法有效地減小了模擬誤差，將WiFi到ZigBee跨技術數(shù)據(jù)包的接收率提高到了85%.ZigBee接收端根據(jù)相偏符號實現(xiàn)解碼.比如比特1對應相偏為正，無論是pi/2還是pi/4都能滿足相偏為正的符號要求；反之比特0對應的相偏為負.所以，如圖11所示，給定一個比特序列，有很多種能夠滿足相偏要求的階梯狀相位序列.不同的相位序列對應的WiFi模擬誤差是不同的，所以，WiFi發(fā)送端能夠選擇模擬誤差最小的相位序列進行模擬，從而有效地提高模擬信號在接收端的接收率.BlueBee[58]實現(xiàn)了Bluetooth到ZigBee的跨技術數(shù)據(jù)傳輸，也是依據(jù)Bluetooth和ZigBee都是利用相偏序列進行解碼的原理，雖然Bluetooth和ZigBee的時域波形不同，但是它們產(chǎn)生的相偏序列是相同的.

Fig.11 Physical-level CTC method based on digital emulation圖11 基于數(shù)字模擬的物理層跨技術通信方法

3.2 發(fā)送端透明的跨技術通信方法

3.1節(jié)所述的接收端透明的跨技術通信方法利用發(fā)送端強大的計算能力發(fā)送模擬信號，接收端不需要任何修改就能直接解碼出發(fā)送端發(fā)送的模擬信號，實現(xiàn)從高端無線設備（計算能力較強，比如WiFi）到低端無線設備（計算能力較弱，比如ZigBee）的跨技術通信方法.反之，如果發(fā)送端不需要做任何修改，充分利用接收端的計算能力，可以實現(xiàn)反向的從低端無線設備到高端無線設備的跨技術信息傳輸，這就是發(fā)送端透明的跨技術通信方法.

發(fā)送端透明的跨技術通信方法的核心思想是交叉映射[67-68]，通過發(fā)送端信號和接收端解碼出的信號之間的映射關系，實現(xiàn)跨技術信息的傳輸和解碼.XBee[59]利用交叉映射的思想實現(xiàn)了從ZigBee到Bluetooth的跨技術通信方法.如圖12所示，ZigBee發(fā)送端利用相偏進行編碼，Bluetooth接收端也是根據(jù)相偏進行解碼.所以，發(fā)送端發(fā)出的不同ZigBee信號會在Bluetooth解碼端解碼出不同的比特序列，從而傳送不同的跨技術數(shù)據(jù).LEGO-Fi[60]通過選擇重組了幾個不同的WiFi模塊，實現(xiàn)了從ZigBee到WiFi的跨技術通信.ZigBee信號經(jīng)過降采樣就可以通過WiFi的短碼元檢測模塊而不會被直接丟棄，把WiFi接收端的長碼元序列替換為ZigBee的幀起始符可以用來確定ZigBee信號的起始位置，最后利用WiFi的相位解碼器提取相偏序列并利用ZigBee符號和相偏序列的映射關系實現(xiàn)解碼.

Fig.12 Physical-level CTC method based on cross-demapping圖12 基于交叉逆映射的物理層跨技術通信方法

3.3 非透明的跨技術通信方法

非透明的跨技術通信方法是指發(fā)送端和接收端都做出硬件修改或者固件升級的跨技術通信方法，這類技術通?？梢杂脕砀纳瓶缂夹g通信的性能或者用來實現(xiàn)多路跨技術數(shù)據(jù)的并發(fā)傳輸.

1）改善跨技術通信的性能.通常采用接收端透明的跨技術通信方法，發(fā)射端發(fā)出的模擬信號會有模擬誤差，從而影響跨技術模擬信號的接收率.為了提高跨技術通信的魯棒性，TwinBee[61]在接收端探索了ZigBee端解碼WiFi模擬信號得到的符號錯誤分布情況，并提出了碼片組合的方法在接收端將錯誤的解碼比特進行恢復.如圖13所示，對于一個ZigBee碼片的結果來說，容易出錯的碼元位置一般位于中間或者2端.另外，ZigBee的碼元之間存在循環(huán)移位的特點，第“m+2”個碼片向左平移8位后就是第“m”個碼片.比較碼片“m”和循環(huán)移位后的“m+2”，我們發(fā)現(xiàn)容易出錯的分布情況不同.所以接收端將碼片“m”和循環(huán)移位后的“m+2”進行組合，可以恢復出正確的碼片序列.LongBee[62]中利用WiFi發(fā)送端的高功率和ZigBee接收端的高靈敏度，將WiFi到ZigBee的跨技術通信距離延長到了90 m.

Fig.13 Chip-combining coding in TwinBee圖13 TwinBee中碼片組合的編碼方法

2）實現(xiàn)多路跨技術數(shù)據(jù)的并發(fā)傳輸.在文獻[63]中，設計和實現(xiàn)了一個Chiron發(fā)送器和Chiron接收器，可同時向（或從）商用WiFi和ZigBee設備上發(fā)送（或接收）WiFi數(shù)據(jù)和ZigBee數(shù)據(jù).Chiron發(fā)送器利用信號模擬的方法，讓生成出來的信號能夠同時滿足WiFi和ZigBee信號的特點，如圖14所示.Chiron接收端需要增加一個信號探測模塊，根據(jù)WiFi和ZigBee碼片速率的差異確定接收信號的類型.單WiFi信號、單ZigBee信號和WiFi加ZigBee混合信號分別對應不同的解碼算法.類似地，PIC[64]實現(xiàn)了 WiFi和Bluetooth之間的跨技術通信信息，發(fā)送端能同時發(fā)出WiFi和Bluetooth信號，解碼端也能同時解碼出WiFi和Bluetooth信號.Symphony[65]實現(xiàn)了 ZigBee和Bluetooth發(fā)送端到LoRa接收端的跨技術通信方法.發(fā)送端通過控制ZigBee和Bluetooth數(shù)據(jù)包中的比特發(fā)出不同的波形序列；LoRa的接收端利用不同的接收模版實現(xiàn)對ZigBee和Bluetooth信號的解碼.

Fig.14 Workflow of the sender and the receiver in Chiron圖14 Chiron中的發(fā)送機和接收機工作流程

4 現(xiàn)有跨技術通信方法的比較

從技術大類上分，跨技術通信主要包括數(shù)據(jù)包級別的跨技術通信方法和物理層級別的跨技術通信方法.我們從通用性、高效性和可靠性3個方面對現(xiàn)有2類跨技術通信方法進行比較和分析.

1）在通用性方面.數(shù)據(jù)包級別的跨技術通信實現(xiàn)簡單，比物理層級別的跨技術通信方法更加通用易用.數(shù)據(jù)包級別的跨技術通信利用數(shù)據(jù)包級別的特征比如數(shù)據(jù)包RSS和CSI來傳遞跨技術數(shù)據(jù)，絕大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設備都支持數(shù)據(jù)包RSS和CSI的獲取.因此，數(shù)據(jù)包級別的跨技術通信不需要修改數(shù)據(jù)包的內(nèi)容、設備的底層硬件和MAC協(xié)議，只需要調(diào)整發(fā)送功率就可以調(diào)制跨技術信息，具有很強的兼容適配能力.但是物理層級別的跨技術通信需要對發(fā)送端或者接收端的發(fā)包內(nèi)容或者解碼流程進行改動.

2）在高效性方面.物理層級別的跨技術通信方法的數(shù)據(jù)率顯著高于數(shù)據(jù)包級別的跨技術通信.通常一個數(shù)據(jù)包的持續(xù)時間是幾毫秒，所以數(shù)據(jù)包級別的跨技術通信對數(shù)據(jù)包RSS和CSI等特征調(diào)制粒度有限，從而限制了數(shù)據(jù)包級別的跨技術通信數(shù)據(jù)率只有幾百bps到幾千bps.但是，物理層級別的跨技術通信方法提出波形模擬和相位模擬的方法，利用更加細粒度的波形或者相位信息來調(diào)制跨技術信息，能夠?qū)⒖缂夹g數(shù)據(jù)率提升到Mbps.

3）在可靠性方面.數(shù)據(jù)包級別的跨技術通信技術比物理層級別的跨技術通信方法更加魯棒，具有更強的抗干擾能力.數(shù)據(jù)包級別的跨技術通信方法中只要數(shù)據(jù)包沒有被完全淹沒到噪聲和干擾信號中，就可以實現(xiàn)跨技術數(shù)據(jù)的傳輸.但是，物理層級別的跨技術通信方法對波形或者相位信號的質(zhì)量要求較高，一旦噪聲和干擾對波形或者相位產(chǎn)生影響后，就有可能會導致解碼錯誤以及丟包.因此，物理層級別的跨技術通信方法更容易受到噪聲或者干擾的影響，需要利用鏈路層的編碼策略和糾錯機制來提高跨技術通信的可靠性.

綜上所述，雖然目前學術界對物理層級別的跨技術通信方法研究更為活躍，但并不意味著數(shù)據(jù)包級別的跨技術通信已落后.實際上，這2類技術在通用性、高效性和可靠性上各有側重、互為補充.

5 跨技術通信方法的上層應用

第2節(jié)和第3節(jié)描述的方法是異構設備之間直接通信的物理層基礎.除此之外，還需要考慮一些上層協(xié)議的問題才能實現(xiàn)更好的跨技術通信網(wǎng)絡.比如，在數(shù)據(jù)鏈路層，不同能量強度的異構無線設備可能會導致跨技術隱藏終端問題；跨技術鏈路質(zhì)量需要實時估計才能更好地進行跨技術通信參數(shù)的調(diào)整.在網(wǎng)絡層，多種無線設備共存異構無線網(wǎng)絡需要跨技術通信的路由協(xié)議，并且需要跨技術ACK機制保證網(wǎng)絡運行的穩(wěn)定性等.表3總結了一些典型的上層跨技術通信工作，包括信道協(xié)調(diào)、跨技術ACK機制、鏈路質(zhì)量估計、數(shù)據(jù)轉發(fā)和路由等.

Table 3 Upper Layer Application of CTC Method表3 跨技術通信方法的上層應用

5.1 信道協(xié)調(diào)

跨技術通信方法能夠幫助低功耗設備更好地進行信道的選擇，在和高功率設備共存的場景下實現(xiàn)更好地協(xié)調(diào)信道的使用[75-76].跨技術通信方法能夠讓異構無線設備之間傳遞直接信道協(xié)調(diào)信息，比如具體的信道空閑時間等，而不需要被動式地偵聽和避讓，有效地提高了頻譜利用率并減少了信號之間的干擾.G-Bee[77]中提出利用WiFi信號傳輸?shù)谋Ｗo頻帶去傳輸 ZigBee信號.在 ECC[69]中，WiFi能夠在 WiFi傳輸過程中預留空白間隙，并將空白間隙的時間長度直接傳遞給ZigBee設備.ZigBee設備解碼后，可以在已知確定的空白間隙里傳輸ZigBee數(shù)據(jù)，避免了盲目等待和隨機避讓，減少了信號干擾和傳輸延時，提高了信道利用率.

5.2 跨技術ACK機制

對于一個通信系統(tǒng)來說，反饋機制是非常重要的.NetCTC[71]為跨技術數(shù)據(jù)傳輸提供了反饋機制，WiFi設備將WiFi到ZigBee的跨技術數(shù)據(jù)包用噴泉碼編碼，接收端只要能收到足夠多的數(shù)據(jù)包就能保證解碼的成功率.當接收端收到足夠多的模擬數(shù)據(jù)包后，發(fā)送“CTC-ACK REQ”信號給 WiFi設備.這樣的噴泉碼加ACK的機制，既能保證跨技術數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和接收率，還能減少不必要的重傳，提高傳輸效率.

5.3 鏈路質(zhì)量估計

異構無線設備組成的異構網(wǎng)絡的信道鏈路和同質(zhì)網(wǎng)絡的信道鏈路是不同的.2個異構無線設備之間的跨技術數(shù)據(jù)包，在傳輸過程中除了會受到發(fā)送端和接收端之間物理信道造成的影響外，發(fā)送端發(fā)出的模擬數(shù)據(jù)包和接收端想要的理想數(shù)據(jù)包之間本身也存在偏差.C-LQI[73]是關于異構跨技術通信網(wǎng)絡里做鏈路質(zhì)量估計的文章，將跨技術通信鏈路分為邏輯鏈路和物理鏈路2部分，邏輯鏈路主要考慮的是跨技術的模擬數(shù)據(jù)包和理想數(shù)據(jù)包之間的模擬誤差，物理鏈路主要考慮的是物理信道對模擬數(shù)據(jù)包的影響.X-MIMO[74]中將信道估計和MIMO技術結合，實現(xiàn)了WiFi到多個ZigBee的跨技術數(shù)據(jù)傳輸.

5.4 數(shù)據(jù)轉發(fā)和路由

在多種無線設備共存的異構網(wǎng)絡里，跨技術通信方法能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)轉發(fā)和路由，提升網(wǎng)絡的傳輸效率和運行能力[34-36].ECT[70]以跨技術通信方法為基礎，提出了ZigBee和WiFi共存網(wǎng)絡里的數(shù)據(jù)轉發(fā)機制.ZigBee節(jié)點同時將重要信息和原始信息發(fā)送給 WiFi AP 和其他 ZigBee 節(jié)點.當 WiFi AP 收到重要信息后傳給服務器，服務器將ZigBee網(wǎng)絡里各個節(jié)點的優(yōu)先級映射表和路由機制回傳給WiFi設備，并由WiFi設備通過跨技術通信方法傳遞給ZigBee節(jié)點.這樣ZigBee節(jié)點可以直接獲取到不同ZigBee設備的優(yōu)先級和路由信息，實現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)轉發(fā)，減少延遲.

6 未來展望

在物聯(lián)網(wǎng)時代，如智能交通、智能電網(wǎng)、智能家居、智慧城市和相似的物聯(lián)網(wǎng)應用中，數(shù)以億計的智慧物體需要聯(lián)網(wǎng)交互信息，實現(xiàn)智能管理.一個理想的物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)無疑需要所有的設備和物體都可以互聯(lián)互通，并且能夠高效、實時地交換數(shù)據(jù)，分享信息.雖然目前的研究能夠?qū)崿F(xiàn)2個異構無線之間的跨技術通信方法，但是與廣泛的互聯(lián)互通這一愿景相比，卻仍有不小的距離.在跨網(wǎng)絡、跨頻率、跨介質(zhì)的通信傳輸?shù)妊芯糠较?，仍存在許多開放性問題，下面作簡要的分析和探討.

6.1 跨網(wǎng)絡的通信傳輸

反向散射通信（backscatter）系統(tǒng)因為成本低、功耗小、設計簡單，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應用.一個典型的Backscatter系統(tǒng)里包括2個組件：一個是激勵源，一個是標簽.標簽通過反射激勵源的信號實現(xiàn)信息的傳遞.我們可以利用現(xiàn)有的無線設備作為激勵源激活標簽，標簽將感知數(shù)據(jù)傳送給已有的無線設備，這樣既可以實現(xiàn)無線設備之間的數(shù)據(jù)通信，也能利用標簽實現(xiàn)低功耗感知數(shù)據(jù)的監(jiān)控.

如圖15所示，在WiTag[78]中，客戶端設備將數(shù)據(jù)包傳輸給WiFi AP，標簽端通過切換阻抗大小調(diào)整反射信號的相位.相位為0度代表標簽的數(shù)據(jù)是1，相位為180度代表標簽的數(shù)據(jù)是0.標簽不同相位的反射信號會影響 WiFi AP 對數(shù)據(jù)包的解碼，WiFi AP 通過信號疊加的結果可以解碼出標簽的感知數(shù)據(jù).

Fig.15 The application scenario of WiTag圖15 WiTag的應用場景

如圖16所示，Gatescatter[79]也利用標簽輔助實現(xiàn)了ZigBee傳感器感知數(shù)據(jù)到WiFi AP的上傳，標簽利用硬件設計將ZigBee的OQPSK轉換為WiFi 802.11b的信號，從而被WiFi網(wǎng)絡有效地接收.

6.2 跨頻率的通信傳輸

當2個異構無線設備不在同一個頻段時，可以利用硬件的非線性實現(xiàn)頻移，實現(xiàn)跨頻率的通信傳輸.

Fig.16 The application scenario of Gatescatter圖16 Gatescatter的應用場景

如圖17所示，Interscatter[80]借助Backscatter標簽實現(xiàn)不同頻率的Bluetooth和WiFi的跨技術、跨頻率傳輸.Backscatter標簽有2個作用：1）它可以產(chǎn)生頻率偏移，從而實現(xiàn)Bluetooth頻段和WiFi頻段的重合；2）通過調(diào)節(jié)標簽的阻抗，可以對反射的Bluetooth信號產(chǎn)生不同影響，從而讓WiFi接收端得到不同的解碼數(shù)據(jù).

Fig.17 The application scenario of Interscatter圖17 Interscatter的應用場景

如圖18 所示，TiFi[81]實現(xiàn)了 RFID（800~920 MHz）到 WiFi設備（2.4 GHz）的跨技術、跨網(wǎng)絡數(shù)據(jù) 傳輸.RFID在反射信號的過程中反射天線會產(chǎn)生諧波分量[82]，比如 820 MHz信號 2 次諧波是 1.64 GHz，3 次諧波是2.46 GHz.因此，可以利用這種硬件的非線性實現(xiàn)頻率重疊.

Fig.18 Reflection of WiFi beacon by using RFID圖18 利用RFID反射WiFi數(shù)據(jù)幀

6.3 跨介質(zhì)的通信傳輸

現(xiàn)有的通信技術無法實現(xiàn)跨介質(zhì)邊界的通信，例如跨水和空氣介質(zhì).因為大部分無線信號會直接在跨介質(zhì)邊界反射，而不會穿過水中，即使到達水中，無線信號在水中的衰減也會很大.如圖19所示，TARF[83]實現(xiàn)了水下傳感器向空氣中的無人機進行數(shù)據(jù)傳輸，TARF的設計依賴于聲波的基本物理特性，水下聲波傳感器發(fā)出的聲波信號是一種壓力波，當壓力波撞擊水面時，會引起表面的擾動或位移.為了提取聲波引起的表面信號，我們通過在空中傳輸射頻信號測量水面反射信號，這些反射信號隨表面位移而變化.鑒于聲波引起的表面振動非常微小，只有幾微米到幾十微米，TARF在空中傳感器發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波（調(diào)頻載波）測量反射信號的相位.AmphiLight[84]利用激光實現(xiàn)了反向地從空中傳感器到水下接收器之間的跨介質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸.

Fig.19 Cross-media communication between air and water圖19 空氣和水的跨介質(zhì)通信

7 總 結

本文著眼于異構無線設備的共存問題，探討了面向物聯(lián)網(wǎng)的跨技術通信方法.在重新梳理相關研究的基礎上，對2類現(xiàn)有的跨技術通信方法（數(shù)據(jù)包級別的跨技術通信方法和物理層級別的跨技術通信方法）進行了分析和總結.實現(xiàn)萬物低功耗的泛在互聯(lián)是物聯(lián)網(wǎng)世界一個長期存在的愿景，因此后續(xù)關于跨技術通信的研究主要集中在3個方面：1）構建更穩(wěn)定的特征信號來保證跨技術通信的可靠性；2）實現(xiàn)更細粒度的信號控制來提高跨技術通信的數(shù)據(jù)率；3）改進通信模式來降低跨技術通信的能耗.

作者貢獻聲明：郭秀珍負責文章的文獻整理、部分內(nèi)容撰寫，以及論文中圖表的繪制；何源負責部分內(nèi)容撰寫以及整體的修改。