跨平台无线网络中信号强度感知的方法与研究

摘要

人类社会的发展,信息的流动越来越便捷。作为信息流动的技术手段,无线通信技术的发展在其中扮演了重要的角色。这也带来了多种无线技术的发展与共存的现状,比如说GSM,GPRS,EDGE,WiMAX, WiFi,Bluetooth,ZigBee等等。在日常生活中,越来越多场合会遇到多种无线技术共存于同一个物理空间中的情况。比如一个用户可能会在咖啡馆利用WiFi技术上网,与此同时会利用蓝牙无线耳机连接手机,通过GSM网络打电话。在这里就有三种无线技术同时被用到,也就是说三种跨平台的无线信号共存于同一空间中。
　　由于许多无线技术都工作在ISM(Industrial Scientific Medical)频段上,在实际工作中它们会对彼此造成干扰。比如蓝牙耳机和WiFi网络之间会发生信号冲突。随着无线通信技术的普及,不同类别的无线信号共存并发生冲突的现象越来越普遍。这虽然影响了网络性能,但同时也带来了利用不同无线技术的协同合作来完成特定功能的潜力。
　　这篇文章以WiFi和ZigBee为例子,研究了无线跨平台网络之间的冲突问题,同时提出利用多种无线技术协同合作来实现无线网络中信号强度感知的机制以及由此衍生出的两个应用。
　　第一个应用是利用无线设备实时地感知不同来源的无线信号的强度。这个场景里,假设环境中会存在数量不等的WiFi设备和ZigBee设备,每个设备发出不同的信号在空气中传播,并随距离变远而衰弱。而跨平台的无线设备之间不能彼此解读对方的信号内容,但是可以感知其信号的强度。这个问题存在几个难点。其一在于ZigBee设备不能解读WiFi信号,反之亦然。比如说,当环境中存在某个WiFi信号时,ZigBee设备并不能解读出这些信号的内容,只能侦测出信道中信号强度的变化。同时多个WiFi设备所发出来的数据包会混在一起,对于ZigBee网络来说,要辨别出不同WiFi设备的信号是十分困难的。其二在于ZigBee结点所拥有的资源,计算能力,储存空间,携带的电池电量都是很有限的,所以ZigBee结点上不能进行过于复杂的操作和计算。其三在于ZigBee网络上没办法实现高精度的同步操作,同时ZigBee结点上硬件的时间是有一定时钟偏移(Clock Drift)。
　　这篇文章引入了一个基于网关的机制来解决这些难点,提出一个轻量型的算法用于辨别不同的设备对应的信号强度。其基本思想是每个结点先采集得到环境中混杂的信号强度序列,然后在其中搜索对应特定设备的子序列。这篇文章利用最优化等数学工具来解决这些时钟不同步与偏移等问题。
　　第二个应用是利用感知信号强度来区分开无线数据包丢包的原因,从而可以对不同的丢包原因采取不同的应对机制。无线数据包中出现包丢失有多种原因,每个原因都需要用不同的应对机制。但是现在通用的WiFi技术和ZigBee技术都没有区分数据包丢包的原因。

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第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2研究内容

1.3 本章小结

第二章相关研究及技术介绍

2.1 跨平台无线网络之间信号强度的感知与协作

2.2 无线信号强度地图的建立与应用

2.3丢包原因的区分与应对机制

2.4本章小结

第三章跨平台无线网络中的信号能量感知系统框架

3.1 核心思想

3.2 利用跨平台无线网络建立无线信号强度地图的系统框架

3.3 利用信号感知系统区分丢包原因与应对机制的系统框架

3.4 本章小结

第四章利用跨平台无线网络建立无线信号强度地图的方法

4.1系统设计细节

4.2理论分析

4.3实验和分析

4.4 本章小结

第五章利用信号感知系统区分丢包原因与应对机制

5.1区分丢包原因的机制

5.2数据包冲突的应对机制

5.3数据包信号过弱的应对机制

5.4本章小节

第六章总结和展望

6.1本文总结

6.2 未来展望

6.3 本章小节

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文