一种基于无线路由器的蓝牙数据包传输方法

1.本发明涉及蓝牙信号传输领域，更确切地说，它涉及一种基于无线路由器的蓝牙数据包传输方法。


背景技术：

2.蓝牙和wifi无线网络是实现万物互联两种主要通信技术。据报告蓝牙定位设备的数量预计将以每年43％的速度增长，到2023年将达到4.31亿台，在商业和工业环境(例如零售商、建筑物和机场)提供定位和自动化追踪等关键服务。此外，蓝牙也是用于个人音频流传输的主要技术，仅2019年全球就出货了11亿的蓝牙音频设备(例如蓝牙耳机和音响等)。另一方面，据思科估到2023年，仅公共wifi热点的数量就将达到6.28亿个，而全球活跃使用的wifi设备已经超过130亿。如果wifi无线路由器可以同时用于传输蓝牙信号，将显着增加蓝牙信号的覆盖范围，并在仅存在wifi硬件的环境中提供有用的蓝牙定位和音频传输功能。然而，由于蓝牙和wifi无线通讯技术具有各自特定的设计目标和原则，以及各自不同的硬件规格和软件协议，使得这两种通讯技术的软硬件无法进行交互协作，利用wifi无线路由器传输蓝牙信号非常具有挑战性(例如，最上层的蓝牙协议在时域中对信息进行编码，而wifi无线传输(使用正交频分复用技术并在频域中对信息进行编码)。此外，wifi信号传输过程的大多数位操作和信号处理将由无线路由器自动处理，无法从软件层面绕开，当传输蓝牙数据包时，这些操作将显示为无效的异常信号。尽管现有一些无线传输设备可以传输任意波形，如博通的802.11ac芯片，但这些设备的信息传输非实时的且需要进行硬件修改，不利于进行普适推广。


技术实现要素：

3.本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供了一种基于无线路由器的蓝牙数据包传输方法，所述技术方案如下：
4.步骤1、将物理层中有序的蓝牙数据包比特流转换为随机无序的wifi数据流；
5.步骤2、通过无线路由器驱动程序中提供的函数或移位寄存器生成伪随机序列，利用无线路由器扰码器将步骤1处理后得到的wifi数据流与所述伪随机序列进行异或操作；
6.步骤3、向步骤2处理后得到的wifi数据流进行前向纠错编码与解码；
7.步骤4、采用松弛法对步骤3处理后得到的wifi数据流进行正交幅度调制，求解最接近原始相位信号的时域信号；
8.步骤5、向步骤4处理后得到的时域信号插入循环前缀；通过配置接收端，对循环前缀样本进行丢弃；
9.步骤6、通过累加的方式将步骤5得到的时域信号转换为对应的相位信号，对相位信号进行傅里叶变换以转换为符合无线路由器传输需求的正交波形信号。
10.作为优选，步骤3具体包括以下步骤：
11.步骤3.1、利用前向纠错编码器向步骤2处理后得到的wifi数据流添加冗余信息；
12.步骤3.2、利用卷积码对wifi数据流进行前向纠错编码；生成卷积码解码表，所述卷积码解码表包含待编码二进制及对应二进制卷积码；
13.步骤3.3、根据解码表对待解码的wifi数据流进行解码。
14.作为优选，步骤4具体包括以下步骤：
15.步骤4.1、傅里叶变换将时域信号转换为频域信号；
16.步骤4.2、松弛法求解频域波形的最佳拟合；
17.步骤4.3、逆傅里叶变换将频域信号转换为时域信号。
18.作为优选，步骤3.2中，以步骤3.1处理后得到的数据流作为给定的输入序列，从首位开始以此根据每一位生成与其对应的解码表的记录，具体包括以下步骤：
19.步骤3.2.1、输入序列的一位转换为符合二进制卷积编码规则长度的二进制数据；
20.步骤3.2.2、根据二进制卷积码编码规则生成该二进制数据对应的二进制卷积码；
21.步骤3.2.3、将该二进制卷积码和该二进制数据存储到卷积码解码表，所述二进制卷积码以十进制形式，或者八进制形式，或者十六进制形式，存储到卷积码解码表。
22.作为优选，步骤3.3中，依次从待解码数据流中读取长度为二进制卷积码编码规则要求的长度的卷积码数据进行解码，具体包括以下步骤：
23.步骤3.3.1、读取符合编码要求长度的卷积码数据并按对应进制转换；
24.步骤3.3.2、根据解码表中卷积码数据与二进制数据的对应关系，对本次读取的二进制卷积码进行解码。
25.作为优选，步骤4中还包括：
26.步骤4.4、对相位信号进行调制，或者以采样方式添加线性增加的相位。
27.作为优选，步骤4.2中，时域波形为x[n]，x[n]的对应频域波形为x[f]；所述时域波形的最小二乘拟合为形的最小二乘拟合为的计算结果最小；对应频域部分仅包含离散数值；令y[n]和y[f]分别表示在时域和频域中的拟合差值；由帕塞瓦尔定理得频域中的拟合差值；由帕塞瓦尔定理得即最小化时域残差等价于最小化频域残差。
[0028]
作为优选，步骤5中，所述插入循环前缀的过程中复制了64个样本中的最后8个样本，并将它们插入到前面，使每72个样本中的最前和最后的8个样本是相同的。
[0029]
作为优选，步骤6中，正交波形信号的相位为由下式生成：
[0030][0031]
其中n＝72k，k为任一取值的自然数，n+n是相位的下标。
[0032]
作为优选，步骤6中，频域信号由具有各自频率偏差的1和0来构建；以20mhz的采样率生成正交信号；在频域信号的前后插入0；然后通过累加的方式将频率信号转换为其相位信号。
[0033]
本发明的有益效果是：本发明在不需要对无线路由器进行硬件修改的前提下，有效利用广泛部署的wifi设施提高蓝牙信号的传输距离，扩大蓝牙信号的覆盖范围以接收信号。
附图说明
[0034]
图1为本技术提供的基于无线路由器的蓝牙数据包传输方法的流程图；
[0035]
图2为本技术提供的前向纠错码流程图；
[0036]
图3为本技术提供的正交调制流程图。
具体实施方式
[0037]
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
[0038]
实施例1：
[0039]
如图1所示，基于无线路由器的蓝牙数据包传输方法包括：
[0040]
步骤1、将物理层中有序的蓝牙数据包比特流转换为随机无序的wifi数据流；
[0041]
经过步骤1处理后，可以降低数据流中连续出现0或1的概率，减少在数据传输的发送和接收端数据的误码率。
[0042]
步骤2、通过无线路由器驱动程序中提供的函数或移位寄存器生成伪随机序列，利用无线路由器扰码器将步骤1处理后得到的wifi数据流与所述伪随机序列进行异或操作；
[0043]
步骤3、如图2所示，向步骤2处理后得到的wifi数据流进行前向纠错编码与解码；
[0044]
步骤3具体包括以下步骤：
[0045]
步骤3.1、利用前向纠错编码器向步骤2处理后得到的wifi数据流添加冗余信息；
[0046]
步骤3.2、利用卷积码对wifi数据流进行前向纠错编码；生成卷积码解码表，所述卷积码解码表包含待编码二进制及对应二进制卷积码；
[0047]
步骤3.2中，前向纠错编码使得接收端能够进行错误检验和纠正，降低传输过程中信息丢失。此外，生成卷积码解码表的过程中，以步骤3.1处理后得到的数据流作为给定的输入序列，从首位开始以此根据每一位生成与其对应的解码表的记录，具体包括以下步骤：
[0048]
步骤3.2.1、输入序列的一位转换为符合二进制卷积编码规则长度的二进制数据；
[0049]
步骤3.2.2、根据二进制卷积码编码规则生成该二进制数据对应的二进制卷积码；
[0050]
步骤3.2.3、将该二进制卷积码和该二进制数据存储到卷积码解码表，所述二进制卷积码以十进制形式，或者八进制形式，或者十六进制形式，存储到卷积码解码表。
[0051]
步骤3.3、根据解码表对待解码的wifi数据流进行解码。
[0052]
步骤3.3中，依次从待解码数据流中读取长度为二进制卷积码编码规则要求的长度的卷积码数据进行解码，具体包括以下步骤：
[0053]
步骤3.3.1、读取符合编码要求长度的卷积码数据并按对应进制转换；
[0054]
步骤3.3.2、根据解码表中卷积码数据与二进制数据的对应关系，对本次读取的二进制卷积码进行解码。
[0055]
步骤4、采用松弛法对步骤3处理后得到的wifi数据流进行正交幅度调制，求解最
接近原始相位信号的时域信号；
[0056]
如图3所示，步骤4具体包括以下步骤：
[0057]
步骤4.1、傅里叶变换将时域信号转换为频域信号；
[0058]
步骤4.2、松弛法求解频域波形的最佳拟合；
[0059]
步骤4.3、逆傅里叶变换将频域信号转换为时域信号；
[0060]
步骤4.4、对相位信号进行调制，或者以采样方式添加线性增加的相位。
[0061]
需要说明的是，802.11n协议有四种常用的调制方案(bpsk、qpsk、16-qam和64-qam)来生成频域样本，而更高阶的调制方案对应于更高的数据速率。更高阶的调制具有更多的星座，因此在频域中具有相对更高的分辨率。然而，即使使用64-qam，分辨率(实部或虚部中的8级或3位)也非常有限，因此必须仔细选择每个星座，以尽量减少将实部或虚部量化为其中之一的误差。
[0062]
由于这种限制，很难设计一种优化接收性能的端到端算法。具体来说，假设离散值的输入限制可以被视为整数约束。接收性能可以通过重构时域信号的相位与原始相位信号的接近程度来衡量。因此，该问题可以表述为整数规划问题。穷举搜索的复杂度是64
52
＝2
312
，因为可以控制52个频率(802.11n中的数据的52个子载波)上的样本。将问题简化为仅使用8个子载波的样本进行优化(对应于0.3125
×
8＝2.5mhz的带宽)，复杂度也是648＝2
48
。复杂度过高，不具有可行性。
[0063]
对任意给定x[f]，将设为最短欧氏距离的星座，则目标函数最小。由于蓝牙信号接收器只有时域波形的相位有关，可以在时域参考和相位之间添加比例因子a，使得x[n]＝ae
iφ[n]
，本方法将a设为0.2，如果一个符号内的蓝牙波形的能量主要集中在两个子载波上，每个子载波的幅度约为32个单位，接近35。本方法使用动态比例因子进行测试，进一步优化残差。选择的过程如图3所示。
[0064]
本发明采用松弛法，用松弛法求解时域波形的最佳拟合，减少了相位分析中的计算量。考虑一个时域波形x[n]，寻找其最小二乘拟合x[n]对应的频域波形为x[f]；该拟合对应频域部分仅包含离散数值。即仅包含离散数值。即为最小二乘拟合，即最小。频域信号由时域信号经过傅里叶变换得来。设y[n]和y[f]分别表示在时域和频域中的拟合差值；由帕塞瓦尔定理得因此最小化时域残差等价于最小化频域残差。
[0065]
步骤5、向步骤4处理后得到的频域信号插入循环前缀；通过配置接收端，对循环前缀样本进行丢弃；
[0066]
在步骤5中，插入循环前缀使得符号具有重复的结尾，而对循环前缀样本进行丢弃，用于对抗多径传播的影响。
[0067]
需要说明的是，相位信号θ[n]可以被转换为其相应的正交波形e
iθ[n]
。循坏前缀插入的输入与输出是一一对应的，反之亦然。因此不能简单地以输出正交波形的准确性判断输入。首先需要找到一个输出正交波形该正交波形为蓝牙设备接收的信号，或者是由
循环前缀插入生成的。
[0068]
循环前缀插入块的输出，每72个样本中的最前和最后的8个样本是相同的。因此，可以通过每72个样本中的前8个样本复制到后8个样本来生成满足的波形。循环前缀插入过程复制了后64个样本中的最后8个，并将它们插入到前面。然而，由于可以完全自由地设计最后64个样本，它们可以以一种方式生成，最后8个样本似乎被插入在前面的循环前缀波形覆盖了。
[0069]
每个正交频分复用符号的加窗工作原理是将每个正交频分复用符号扩展1个样本(从紧跟的循环前缀的样本中复制)，然后在时域中对重叠样本进行平均。由于在时域中添加两个相位样本会产生不稳定的相位，因此相位信号每72个样本中就有1个被破坏。这导致在某些设备上无法接收信号。因此，本方法考虑一个额外的连续性约束：对于每个正交频分复用符号，最后几个样本和扩展样本必须与下一个正交频分复用符号中的前几个样本连续。
[0070]
步骤6、通过累加的方式将步骤5得到的时域信号转换为对应的相位信号，对相位信号进行傅里叶变换以转换为符合无线路由器传输需求的正交波形信号。
[0071]
步骤6中，正交波形信号的相位为由下式生成：
[0072][0073]
其中n＝72k，k为任一取值的自然数，n+n是相位的下标。
[0074]
频率信号由具有各自频率偏差的1和0来构建。大多商用无线硬件以20mhz的采样率生成正交信号，即每个1或0对应于频率信号的20个样本。在频率信号的前后插入0，以符合蓝牙芯片的模式。然后通过累加的方式将频率信号转换为其相位信号。为了传输蓝牙数据包的中心频率与无线信道不完全相同，需要对相位信号进行调制(采样方式添加线性增加的相位)，以便输出是相对于到无线信道的中心。这种调制操作必须在循环前缀插入之前应用，因为这两个操作对于相位信号是不可交换的。
[0075]
实施例2：
[0076]
本发明使用三种型号的智能手机和两种无线路由硬件设备进行测试，智能手机型号包括红米k40 pro、华为mate 10和三星s6，路由设备包括tp-link和awk系列。本发明开发了计算接收蓝牙信号强度的app并安装在测试智能手机上，在路由器上部署本发明提出的技术将无线信号毅蓝牙数据包的方式传输到测试手机。本发明测试了三种距离下的蓝牙接收信号的强度指示，分别是0.2米、1.5米和4～5米的距离。实验结果如下表1所示。可以看出，不同的智能手机接收蓝牙数据包的性能都表现较好，验证了本发明提出的利用无线路由器传输蓝牙数据包的有效性。此外，在相同距离的测试条件下，不同手机上接收的信号强度略有不同，这是由于不同的蓝牙芯片具有不同的敏感度。
[0077]
表1蓝牙信号接收强度验证结果
[0078]