83WiBeacon：通过WiFi扩展BLE基于位置的服务刘若峰明尼苏达大学，双城明尼阿波利斯，明尼苏达州，美国liux4189@umn。edu姜文超新加坡科技与设计大学wenchao_jiang@sutd. edu. SG摘要尽管蓝牙低功耗（BLE）基于位置的服务（LBS）在物联网应用中流行，但由于部署和维护BLE信标的费用，大规模BLE LBS极具挑战性。为了缓解这个问题，这项工作提出了WiBeacon，它通过适度的软件升级将无处不在的WiFi接入点（AP）重新定位为虚拟BLE信标。具体地，WiBeacon使能的AP可以广播精心设计的WiFi分组，其可以被未修改的移动BLE设备识别为iBeacon兼容的位置标识符。这提供了快速部署BLE LBS，零广告硬件成本和低维护负担。WiBeacon与本地WiFi服务精心集成，保留了对WiFi客户端的透明性 我们在商用WiFi AP上实现了WiBeacon（采用高通、博通和联发科等各种芯片组），并在各种场景下进行了广泛的评估，包括一个真正的快递托运商业应用。在为期两周的试点研究中，WiBeacon提供了可靠的服务，即，与传统的BLE信标一样强大，适用于697名用户和150种智能手机。CCS概念• 网络→无线局域网。关键词跨技术通信，低功耗蓝牙，Wi-Fi，本地化ACM参考格式：Ruofeng Liu ， Zhimeng Yin ， Wenchao Jiang ， and Tian He.2021 年WiBeacon：通过WiFi扩展 BLE基于位置的服务在第27届国际移动计算和网络年会（ACM WEBCOM '21）上，2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良。ACM，纽约州纽约市，美国，14页。网址：//doi. org/10.1145/3447993。3448615允许免费制作本作品的全部或部分的数字或硬拷贝，以供个人或课堂使用，前提是制作或分发副本的目的不是为了盈利或商业利益，并且副本的第一页上有本声明和完整的引用。本作品的版权归ACM以外的其他人所有，必须予以尊重。允许使用学分进行摘要以其他方式复制、重新发布、在服务器上发布或重新分发到列表中，需要事先获得特定许可和/或付费。请求权限请发邮件至permissions@acm.org。2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，©2021计算机协会ACM ISBN 978-1-4503-8342-4/21/10。. . 15美元网址：//doi. org/10. 1145/3447993。3448615殷之梦中国香港特别行政区香港城市大学zhimeyin@cityu。edu. HK天河明尼苏达大学，双子城明尼阿波利斯，明尼苏达州，美国天河@umn。edu1引言蓝牙低功耗（BLE）基于位置的服务（LBS）已经被广泛部署在各种物联网（IoT）场景中（例如，零售商店[42]、体育场馆[55]和机场[35]）。最近，已经推出了拥有百万用户的BLE LBS为了实现即时交付（例如， 实时快递跟踪和订单调度），在上海的10，000多家餐厅部署了全市范围的BLE系统，而未来全国范围的部署预计将涉及250万商家[27]。此外，BLE LBS也被广泛用于流行病期间接触者追踪的自动登记（例如，COVID-19）[5]。然而，BLE定位服务的大规模部署极具挑战性。传统上，BLE基础设施（即，BLE信标[6]）需要大量安装和配置以广播BLE位置标识符。大量的专用信标设备不可避免地招致巨大的部署成本和长期维护负担。根据Forrester Research最近的一份报告，每个信标每年的成本约为300美元[28]。在本文中，我们提出了WiBeacon，这是一种低成本的解决方案，适用于这些新兴的大规模BLE LBS，这些LBS需要中等的定位精度（例如，全市范围的登记和接触者追踪[27]）。具体而言，受跨技术通信（CTC）[31，44，48]的最新进展的启发，这些技术能够在异构无线协议之间进行直接通信，我们建议将已经部署的WiFi基础设施重新用于虚拟BLE信标。通过对现有WiFi接入点（AP）进行软件升级，它们可以向移动设备广播BLE位置标识符，从而实现多个优点。首先，受益于过去10年无处不在的WiFi AP安装，WiBeacon能够快速部署BLE位置服务，而无需产生额外的硬件成本。其次，接入点的内置互联网连接允许系统管理员远程监控、管理和升级大量虚拟信标，从而显著降低地理上分散的信标的长期维护负担。无可否认，CTC的概念在以前的文献中已经被广泛讨论[31，44，48]。然而，先前的设计仅研究了物理层上异构无线设备之间的兼容性（即， 使能从WiFi到BLE的通信，而不需要修改任何一方的硬件）。相比之下，WiBeacon的目标是建立一个全面的定位服务。因此，我们必须从以前的物理层兼容性转变为双方服务级别的完全兼容性。首先，我们的BLE842021年10月25日至29日定位服务必须与移动设备的硬件和软件严格兼容，不需要任何修改。其次，我们对AP的软件升级也应该与原生WiFi服务兼容，并且对WiFi客户端透明。 更具体地说，我们需要解决两个关键问题：如何避免修改移动设备？ 现有的CTC技术需要接收器（即，移动设备）进行重大修改，这使得服务与数十亿未修改的设备不兼容。 这是因为WiFi无线电设备受到硬件限制，因此被禁止遵循现有的BLE LBS协议（例如，iBeacon [2]）。为了克服通信错误，以前的设计在数据包中加入了额外的纠错内容，从而违反了现有协议的标准数据包结构。因此，必须提前修改移动设备以解释消息。然而，在大规模LBS上修改所有潜在设备是不切实际的。我们如何将BLE LBS与原生WiFi服务集成？WiFi AP通常在单个WiFi信道上服务客户端，而BLE LBS（例如，iBeacon）需要周期性跳频以增加检测概率。如果没有两个服务的仔细集成，WiFi网络可能遭受严重的性能退化（例如，传输损耗或甚至意外断开）。 由于以前的设计主要针对物理层兼容性，因此如何在不牺牲WiFi网络的情况下实现服务级集成仍然是一个悬而未决的问题。据我们所知，WiBeacon是第一个跨技术设计，实现了与移动设备和WiFi AP的服务级兼容性。 支持WiBeacon的AP提供严格遵循iBeacon协议的BLE定位服务，因此无需对移动设备进行任何修改。此外，WiBeacon服务与AP的本地WiFi服务无缝集成，因此对WiFi客户端完全透明。 更具体地说，我们的技术亮点如下：iBeacon兼容的服务为未经修改的移动设备：WiBeacon管理广播精心设计的WiFi数据包，可以识别未经修改的移动设备作为标准的iBeacon广播零错误.为了实现这一目标，我们解决了跨技术设计的最根本障碍，以充分填充与现有协议的兼容性：信号不完美。我们的关键技术见解是，尽管由于WiFi传输器的硬件限制，传输的信号不可避免地是不完美的，但我们可以精心利用低通滤波器（LPF）（BLE无线电的标准组件）来减轻接收器侧的缺陷。 基于这一重要见解，我们提出了一种新的方法来生成具有独特缺陷模式的WiFi信号，该方法可以利用LPF来有效地消除通信错误，而无需对移动设备进行任何修改。WiFi兼容的商品接入点集成：我们有意将WiBeacon集成到商品WiFi接入点，同时保留与现有WiFi服务的兼容性。具体来说，我们仔细重用802.11标准的几个功能来模拟iBeacon的跳频通过这样做，我们确保我们的集成符合802.11标准，对WiFi客户端透明，并适用于大量具有不同WiFi芯片组的AP。此外，我们提出了一种动态调度算法，以尽量减少WiBeacon我们在OpenBit上实现了WiBeacon [12]，并使用高通，博通，联发科芯片组在WiFi AP上对其进行了评估。大量实验表明，它实现了与移动设备和本地WiFi服务的兼容性。为了进一步验证WiBeacon在复杂的现实场景中的实用性，我们将其部署在一个真实的商业LBS应用中，即，智能送餐中的送餐员跟踪具体而言，我们与一家即时配送公司合作，并升级餐厅的 现 有 接 入 点 作 为 BLE LBS 基 础 设 施 。 我 们 设 想WiBeacon将大大降低硬件成本和管理负担。在我们为期两周的试点研究中，WiBeacon为697名送餐员提供了定位服务，并帮助跟踪了1780份食品订单。这项真实世界试点研究的结果表明，WiBeacon提供的服务与传统的BLE信标一样可靠。总之，我们的智力贡献如下：我们提出了WiBeacon-一种低成本的解决方案，用于大规模BLE定位服务，通过重用现有的WiFi基础设施，以零额外的硬件和很少的远程配置为代价WiBeacon解决了跨技术设计，以实现与未经修改的移动设备的严格服务级兼容性，并与WiFi服务无缝集成。我们将WiBeacon集成到COTS WiFi AP中。[11]中提供了使WiFiiBeacon兼容的软件和详细说明，供社区重现我们的实验。我们广泛验证了它在真正的商业LBS应用与150种类型的智能手机。2动机本节介绍了将无处不在的WiFiAP重新用于BLE基于位置的服务的动机。为什么BLE信标的大规模部署会改变？传统上，BLE位置服务需要专用信标，该专用信标向附近的移动设备广播它们的标识符以指示接近度。虽然有效，但这些独立的电池供电的信标在大规模部署时遭受高部署和管理成本。在部署阶段，用户需要花费大量精力购买信标设备，手动安装它们，并在地图中标记它们的位置，这可能需要几个月的时间[17]。安装后，信标的管理更是劳动密集型。即使有一年的电池寿命，一千个信标也会导致每周大量的更换，因为建筑物装修中的信标丢失，电池耗尽，硬件错误等。[16 ]第10段。 更糟糕的是，由于信标通常是独立的，没有互联网连接，信标的故障很难发现，因此需要大量的网站访问进行维护。 Forrester Research的一份报告估计，每个bea-con每年的成本约为300美元[28]，在大规模部署时会产生不小的费用。专用信标的这些基本限制促使我们探索BLE LBS的成本效益替代方案····WiBeacon：通过WiFi扩展BLE基于位置的服务2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，853UHDPEOHO[$$1张图片/2$GGUHVV88ID，PDJRU，PIQRU，O[8（89%HWc&5&我0张图片/2我...%/（5HFHiYHU/3）第十3KDVH6KiIWV为什么WiFi LBS不能取代iBeacon？ 有人可能想知道我们是否可以直接使用WiFi协议的LBS。尽管在文献中进行了广泛的研究，但WiFi LBS也有一些实际限制。首先，与iBeacon数据在所有移动平台上的普遍可访问性相反，扫描的WiFi AP的列表对于某些移动OS（例如， [29]由于安全问题。 这抑制了WiFiLBS在必须与任何潜在移动设备兼容的商业应用中被采用。其次，WiFi扫描会导致移动设备的高功耗，这会快速耗尽它们的电池具体而言，WiFi接收消耗600 mW [52]，明显高于BLE（30mW）[36]。测量研究[47]表明，频繁的WiFi扫描会使电池寿命缩短高达90%。因此，移动设备通常将WiFi扫描间隔限制为60 s（屏幕打开）和300 s（屏幕关闭）[53]，这给通常需要实时性能的位置服务带来了不可接受的延迟。最后，有很多低成本的智能设备和可穿戴设备只配备了BLE芯片组，不支持WiFi。例如，共享自行车中支持BLE的智能锁只能通过接收iBeacon广播来检测地理围栏的入口[38]。通过无处不在的WiFi AP的BLE LBS的好处：我们提出重新使用部署的WiFi AP来提供BLE LBS，其结合了BLE和WiFi两者的优点，即，发达的商业iBeacon生态系统和无处不在的WiFi基础设施。具体而言，过去十年部署了4.32亿个公共WiFi接入点[56]使BLE基础设施的大规模部署能够在短时间内完成此外，由于接入点连接到互联网和电源，因此可以进行远程管理，无需更换电池，从而大大降低了维护成本。与此同时，iBeacon生态系统的所有有价值的功能都得到了继承，包括跨每个移动平台的通用兼容性，数千个开发的iBeacon应用程序，以及基于实时位置的应用程序中移动设备的超低功耗。网络连接 WiFi AP周期性地广播具有精心选择的有效载荷的合法WiFi帧（第§5节）。这些WiFi帧可以通过未修改的移动设备以发现标准iBeacon位置广播的相同方式识别。图1（b）示出了具有唯一位置标识符（例如，UUID）和WiBeacon的估计接近度。WiBeacon与WiFi服务仔细集成（第6节），以便AP保持高速服务（例如，802.11g/n/ac/ax）。4背景本节提供了iBeacon协议的背景，并分析了以前的跨技术通信（CTC）设计的局限性。4.1iBeacon初步兼容iBeacon的信标发射具有图2所示格式的BLE广播，其使用BLE 4.x 1Mbps高斯频移键控（GFSK）调制并在BLE广告信道上发送。具体地，每个数据比特被调制到一个BLE码片，其是1kHz持续时间的正相移或负相移请注意，BLE 4.x不提供任何用于纠错的冗余芯片。因此，iBeacon兼容的服务基本上需要以零芯片错误进行广播。移动终端在BLE通告信道处捕获广播信号，并使其通过1MHz低通滤波器（LPF）。滤波后的信号通过正交解调进行解调。具体地，接收器首先以1MHz（0，.，） 的。相位的变化，即，然后计算连续复数I/Q采样之间的相移。最后，接收器将相移的符号解释为比特：正相移被解码为比特1，而负相移被解码为比特0。移动设备使用没有码片错误的解码帧进行邻近估计，而丢弃具有任何码片错误的帧。i%HDFRQ/RFDWiRQIGHQWiIiHU5HPRWH0DQDJHHQW+iJK-VSHHG：i）6HUYiFHEiWV%/（/%6：i）i8VHUV（D）$UFKiWHFWXUHRI：i%HDFRQ （E）1H[XV56QDSVKRW图1：WiBeacon将无处不在的WiFi AP变成基于位置的服务的虚拟BLE信标。3概述简而言之，WiBeacon将WiFi AP变成虚拟BLE信标，通过无处不在的WiFi基础设施提供BLE位置服务如图1（a）所示，系统管理员通过远程方式在部署的WiFi AP升级和图2：iBeacon广播帧的帧格式、调制和解调。4.2现有CTC跨技术通信（CTC）[22，31，48，49]使WiFi无线电能够模拟异构无线信号。然而，由于WiFi无线电的硬件限制，仿真信号固有地遭受信号缺陷[31]。由于这些缺陷，现有的设计无法在没有芯片错误的情况下产生iBeacon广播，因此无法与未经修改的移动设备严格兼容。7147点714722021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，Ruofeng Liu，Zhimeng Yin，Wenchao Jiang，andTian He86Qe/2我/2ej011−（二）−具 体 地 ， 现 有 设 计 在 WiFi 无 线 电 中 专 门 使 用 频 分 复 用（OFDM）调制器来产生异构信号（因此称为“OFDM方法”）。如图3的左侧部分所示，每个OFDM符号具有循环前缀（CP），因此码字CiB it sd0. ..D74s OFDM符号的第一个 0.8s信号 必须与最后0.8s 的信号完全相同。相比之下，BLE信号（在图3的右侧部分中描绘）不具有这样的重复。由于这种硬件限制，每4个BLE芯片中就有一个明显失真，从而导致严重的芯片错误。尽管被破坏的信号仍然可能被BLE无线电设备检测和解码（即，物理层兼容），则结果将被未修改的移动设备忽略，因此不能用于位置服务。(a) CCK调制（b）QPSK芯片Ci，0.Ci，7图4：补码键控（CCK）调制产品-uces 11 MHz QPSK芯片w/正交相位和传输- mit序列。（假设#2）。请注意，这两个假设将在第5.2节（假设#1）和第5.3节（假设#2）中放宽。&\FOiF3UHIi[0.8XV（DiVWRUWiRQ）&RS\3DVWH（PXODWH）1 XV（RQH %/（KiS））4十五回想一下，BLE芯片是通过相移来调制的（即， 相位变化），而CCK的每个QPSK码片在特定样本处产生正交相位。因此，通过操纵QPSK码片（即，随着时间的推移，我们可以创建相移，：i）i 2）D06\PERO4 7DUJHW %/（KiSV图3：以前的OFDM方法遭受严重的芯片完美模拟BLE芯片。在图5的上部和中部，我们演示了通过以下方式仿真正相移的示例：QPSK芯片。BLE码片（表示为BLE0→BLE1）是1个码片，而QPSK码片是1������由于循环前缀限制导致的错误。芯片（表示为#1，... #22）是一个持续时间为1秒。因此，积极的BLE芯片可以由一个序列的11个连续的字节05威比康广播WiBeacon采用了与以往设计不同的方法我们观察到，除了OFDM，每个WiFi AP还支持复杂的（#1#11）随后是连续11次对于负BLE芯片，反之亦然2 （#12 − #22）。副传统WiFi协议1中规定的无线电码键控（CCK）调制，这对于向后兼容性是强制性的，即使17DU JHW%/（KiS7141XV3KDVH6KiIW电子邮件：info@jsz.com.cn最新的WiFi 6 AP [3，4，10]必须能够服务于传统的WiFi客户端。在本节中，我们提出了有趣的是，我们的CCK方法遭受与先前OFDM方法相当数量的信号缺陷。然而，它没有生产芯片，（1 XV 3KDVH6KiIW）DHViUHG436K&KiSV1/11 XV070我电子邮件：info@hzc.com.cn错误，并与未经修改的移动设备完全兼容。我们首先在第5.1节中提出它的基本思想。 然后在第二节中分析并解决了CCK方法的两个关键硬件限制§5.2和§5.3。5.1通过CCK的WiBeacon广播（1/11XV3KDVHV）#1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 ...#11#12#13...#225.1.1CCK初步。图4（a）展示了CCK调制器的概念图。 每8比特被编码成一个码字（表示为），该码字包含8个复数码片（即，0，.，7）根据[26]中定义的码本。码片由正交相移键控（QPSK）调制。 如图4（b）所示，每个图5 ： CCK 方 法： 目标 BLE 芯 片（ 上） ， 基本CCK 方 法（中），和信号缺陷所造成的限制CCK码字（下）。QPSK码片取四个值之一（k0，2、，− ���其对应于4个正交相位（0Ω、90Ω、180Ω、90Ω）。 QPSK码片以11 MHz顺序传输。每个QPSK芯片需要1 微秒，总共花费8 微秒来发送8的CCK码字5.2解决信号缺陷5.2.1代码本限制。不幸的是，第5.1.2节中的直接方法不能直接应用。每种类型11 11芯片5.1.2CCK方法：基本思想。 为了证明基本思想，我们暂时假设CCK调制器没有任何硬件限制，即，它可以产生任意QPSK序列，1请注意，WiFi AP同时支持多个802.11协议（例如，在802.11b发送诸如信标、探测请求之类的控制帧以获得最大可靠性，同时使用802.11g/n/ac用于高速率数据通信）。因此，WiBeacon调制器在商用无线电台中的应用受到硬件的限制，CCK也不例外。按照章节所述§5.1.1，QPSK码片由CCK编码器以码字的形式创建（即，一组8个QPSK码片）。然而，CCK码本仅包含256个有效CCK码字，这与我们能够产生任意QPSK序列的假设相差甚远（由于每个码片采用四个可能的正交相位中的一个，因此总的正交相位为0。8不会阻止AP为具有高速率802.11协议的WiFi客户端8个码片的可能组合的数目大到4 = 65536）。e70第十71436K&KiSVE\5HVWUiFWHG&&KRGHZRUG6iJQDO IPSHUIHFWiRQV3KDVH3KDVHCCK编码器（8个芯片）DAC11 MHzC i，0. Ci，7WiBeacon：通过WiFi扩展BLE基于位置的服务2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，873KDVH 6KiIW11||（i）16iJQDOEHIRUH/3）20 0+]6iJQDOEHIRUH/3）F20-20 1 234 5 6 7820-20 1 2 345 6 7 8（E）&&K：6SiN\（UURUV 6HSDUDWHG iQWR（YHU\（&KIS）（e）2）D0：&KXQN\（UURUV &RQcHQWUDWH RQ25%%/（&KiSV10+]6iJQDODIWHU/3）20-20 1 2 3 4 5 6 7820-20 1 2 345 6 7 86XUYiY iQJ6iJQDODIWHU/3）3KDVH 6KiIWV(D)/RZ -3DVV）iOWHUiQJ DW(c) &&K：6SiN\（UURUV DUH（OiPiQDWHG E1/3）（f）2）D0：KXQN\（UURUV DUH 5HWDiQHGDIWHU/3）2 20 0%/（5）（QGDIWHU/3）-20 1 2 3 4 5 6 78-20 1 2 345 6 7 8（XV）第十五章：一个女人(d) &&K 3URGXcHV RUUHcW 3KDVH 6KiIWV DIWHU/3）（J）2）D0 6WiOO 6XIIHUV）URP IQcRUUHcW 3KDVH 6KiIWV图6：WiBeacon利用BLE接收器的低通滤波（a）消除信号缺陷。通过我们的CCK方法（b）产生的BLE信号具有尖峰和分离的误差（（b）中的灰色区域通过低通滤波（c）平滑尖峰误差相比之下，先前的OFDM方法（e）产生在低通滤波（f）之后保留的大块且集中的误差（（e）中的灰色区域），并且导致严重的码片误差（g）。事实上，CCK码本的限制导致比以前的OFDM方法更严重的信号缺陷。 采用图1所示的正相移的仿真。例如，5期望前8个QPSK码片是八个连续的QPSK0（即，[1111111]）。然而，根据[ 26 ]，八个连续的0不是码本中的有效码字，而接近近似（在图26的底部中描绘）。5）是[111 - 111 - 11]，其与期望的1相差2个QPSK码片。一般来说，由CCK码字生成的信号中至少有25%（8个QPSK码片中的2个）是不完美的，这比先前的OFDM方法更严重（回想一下，在4 微秒 OFDM符号中的0.8 微秒循环前缀仅导致0.8/4=20%的不完美）。5.2.2消除缺陷的机会为了在不修改移动设备的情况下消除CCK信号的缺陷，我们利用了一个隐藏的机会-低通滤波（LPF），这是BLE接收器的标准程序 如图6（a）所示，BLE接收器在其前端采用低通滤波器以用于降噪。滤波器将20 MHzWiFi信号截止到1 MHz，这相当于输入信号在时域中的移动平均值。我们的关键观察是，通过精心选择具有唯一误差模式的CCK码字， CCK码字中的缺陷可以被低通滤波器2平滑，从而导致零码片误差。图6（b）通过将期望的BLE信号（红色虚线）与CCK信号（蓝色实线）进行比较来展示机会。 虽然缺陷（灰色区域）的总数很大，但是每个错误实例的持续时间（即，不匹配的QPSK码片）非常短（即，①的人。因此，如果我们正确地选择§5.2.3），错误区域似乎是分离到每个BLE芯片中的短尖峰当信号通过1 MHz低通滤波器时，这些尖峰和分离的缺陷被LPF的移动平均值显著地平滑，如图6（c）所示。因此，经滤波的CCK信号产生与图6（d）中的期望信号完全相同的相移相比之下，先前的OFDM方法遭受不同的错误模式，因此不能受益于低通滤波。 如图6（e）所示，由0. 8个BLE循环前缀是矮胖的矩形并且仅集中四个BLE码片中的一个如图6（f）所示，这些大块集中的缺陷太长，无法通过移动平均线消除。因此，在LPF之后保留缺陷，这导致图6（g）中的严重芯片误差。5.2.3CCK码字选择。剩下的问题是如何找到可以利用低通滤波并产生正确的BLE芯片的CCK码字。根据我们之前的分析，可以通过两个步骤获得好的码字。首先，如第4.1节所述，BLE芯片通过相移进行调制。因此，期望好的CCK码字产生尽可能类似于期望相位的相位。因此，我们首先使用第5.1.2节中的基本CCK方法计算所需的QPSK序列（表示为������）。然后，我们遍历码本以找到������在相位域中最接近期望序列������的码字（等式1）。相位域中的距离是8个码片之间������和������8个码片处的相位差的总和（即， ���，���并且 ���，���= 0. 7）。2请注意，低通滤波器在商品BLE无线电上普遍实现[36]argmax.7−1=0−1���（一）&&KDHViUHG（UURU 5HJiRQV2）D0DHViUHG（UURU 5HJiRQV200+]1 0+]F3KDVH 6KiIW3KDVH3KDVH3KDVH3KDVH用于降噪。因此，我们确实需要对移动设备进行任何修改，正如第9.5节中150种不同的智能手机型号所证明的那样。������,���−2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，Ruofeng Liu，Zhimeng Yin，Wenchao Jiang，andTian He88−FW第一步通常产生具有相同最近距离的几个码字。 为了从子集中找出最佳的一个，我们使用我们在第5.2节中的见解，即分离的缺陷可以通过低通滤波来平滑。因此，对于码字，分离的不匹配QPSK码片越多，它们被低通滤波消除的机会就越高。 如等式2所示，我们在子集中挑选码字，使得连续不匹配码片之间的最小间隔最大 化 。 ������,���is the position of������ℎ mismatched chip of������compared to the desire������.arg最大值最���小值，+1−，���利用调整后的CCK码本，我们对每个期望信号段执行§5.2.3节中的CCK方法最后，将计算出的码字反向工程为数据比特，即，WiFi载荷。请注意，此过程完全在软件中完成，不需要修改WiFi硬件。6与WiFi服务的集成WiBeacon与WiFi服务集成，方法简单但有效，对WiFi客户端透明，适用于跨不同供应商的AP设备（第6.1节）。我们也-.，≠������，（二）使用动态WiBeacon调度算法，以保证iBeacon服务的可靠性，同时最大限度地减少其对WiFi性能的影响（第6.2节）。5.3失调补偿到目前为止，我们假设WiFi和BLE的中心频率完全对齐。然而，受限于有限数量的WiFi通道，它们不得不错位。例如，BLE信道39（2480 MHz）与其最近的WiFi信道（2472 MHz）之间存在8 MHz的未对准。j2（fw$fb）nTs6.1兼容集成集成的最关键任务是模仿iBeacon的跳频功能，同时对WiFi客户端透明为了实现这一点，我们提出了一种方法，完全使用802.11AP的标准功能。因此，它不需要与WiFi客户端进行它也不会引起稳定性问题（例如，断开和分组丢失）。请注意，我们有意避免使用任何特定于硬件的功能，以便我们的方法可以在不同供应商的AP上工作（如第8节中的实现所证明的那样）。 该方法包括三个步骤：跳频准备：在将WiFi无线电关闭工作信道之前，我们做了几项准备工作，以避免数据包丢失。首先，我们关闭数据队列的出站门，缓存传入数据，以防止下行WiFi数据包错误，e新的传播。第二，防止来自客户端的上行链路流量数字载波机BLE眼中的原始CCK码本当AP切换离开时，我们发送cts-to-self-一个802.11控制帧，它可以使客户端静默一段特定的短时间（33 ms）[43]。在接收到帧时，客户端设置图7：码本调整补偿失调（示例中Δ = ���− ���= 1 MHz）。为了解决这个问题，我们提出了码本调整，一种新的设计，以有效地补偿高达9 MHz的失调。我们的技术见解是，当仿真具有未对准的中心频率的BLE波形时，WiFi发射器基本上从BLE接收器的角度利用经调整的码本来执行仿真。具体地，如图7的左侧部分所描绘的，WiFi标准中的码本可以被视为从WiFi的角度来看的码本它们的NAV（网络分配向量）相应地终止，并且在NAV期满之前不会尝试发送上行链路业务跳频：为了在不断开客户端的情况下将WiFi无线电切换到不同的信道，我们重新使用WiFiAP的信道外功能[14]，这是最初为AP设计的802.11标准功能，用于检测干扰源或未经授权的ad-hoc网络。信道外功能可以切换无线电到另一个WiFi信道的一小段时间（10-15毫秒），同时保持整个状态的AP。因此，它避免了网络重置我们利用这个机会与WiFi发射机相同的中心频率（即，（掌声）。与此相反，模拟iBeacon帧。跳频完成：当定时器到期时，我们im-图中右部的BLE接收器从不同的频率点观察WiFi信号（即，），导致对每个WiFi码字的不同观测。基于关键的洞察力，WiBeacon在进行CCK方法之前将码本调整为BLE的观点。如图7所示，如果WiFi和BLE分别在������和������中操作，则我们将标准码本的每个码字在频域中移位Δ =������������，这是通过每个码字与数字载波的点积来完成的，如等式3所示，其中������是采样率。���������������������������=������·���2 (������− ��� ���)���(3)WiFi将无线电切换回工作信道，因此它开始向客户端提供缓冲数据。 此时，WiFi客户端可以恢复上行链路数据传输。6.2动态WiBeacon调度WiBeacon有望保证LBS的可靠性，同时将其对WiFi服务性能的影响降到最低。为了满足这两个目标，我们仔细设计了一个WiBeacon调度器（如图9所示）的基础上两个关键的观察。首先，iBeacon广播是无连接的，因此它不需要严格的周期性，因此可以延迟以避免干扰WiFi流量。第二、fbfwID码字1j2j4j17年j8年ej0，e 11，e 11，e 11，....2jj15je 2，e 22，e 22，e 22，e11，.……256…ID码字1ej0，e j0，e j0，ej，e j0，.2jjje2，e2，e2，e2，....……256…WiBeacon：通过WiFi扩展BLE基于位置的服务2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，89WiFi突发空白...通过WiFi的互联网数据流量本质上是突发的为WiBeacon留下了大量的时间空白1007限制和讨论7.1限制适用与不适用场景：WiFi AP最初150010005000250 5001000908070605040302010010080 60 50 40 30 20 15 10 5部署用于向移动设备提供高速互联网接入，这与通过BLE信标的位置服务有很大不同。因此，将现有WiFi AP重新用于BLE LBS受到潜在的限制。首先，WiFi AP通常以粗粒度部署，例如，每个房间或兴趣点一个AP因此，WiBeacon可能不适合于具有高精度要求的室内定位（例如，精确地跟踪访问者，广告间隔（ms）WiFi空白长度（ms）画廊）。然而，在这些情况下，WiBeacon仍然可以提供(a) 平均检测时延（b）WiFi空白空间分布图8：动态调度的机会为了验证我们的观察结果，我们进行了一项实证研究，其中我们比较了COTS智能手机在广告帧严格周期性和交错（延迟0和广告间隔之间的随机时间）时检测BLE信标所需的平均时间。图8（a）描绘了在各种通告间隔中，平均检测时延不增加随机时延。此外，我们分析了现实世界的无线数据跟踪公共AP在咖啡店和研究领域在高峰时段。两个AP均为超过10个客户端提供服务，吞吐量分别为10.1 Mbps和8.3 Mbps图8（b）中绘制了每100 ms中连续空白长度的分布。超过97100 ms周期的3%具有15ms或更长的空白，这对于通常花费10-15 ms的信道外活动是足够的。根据观察，WiBeacon被安排保持恒定的广播频率，同时最大限度地减少WiFi流量的延迟具体来说，我们动态调度WiBeacon广播作为一个周期性的实时任务，具有动态优先级。 如图9所示，周期和截止日期被分配为iBeacon广告间隔，这是用户配置的参数。为了避免干扰WiFi流量，WiBeacon任务具有最低的优先级，如果没有接近最后期限。调度器监视数据队列，并在队列为空时适时地执行WiBeacon通过这种方式，WiBeacon有效地利用了空白无线流量之间的联系通过现有的WiFiAP以低维护成本提供位置信息，同时需要额外的BLE信标来进一步提高定位精度。其次，WiFi AP通常放置在需要互联网覆盖的地方，而一些应用可能希望BLE信标安装在不同的兴趣点（例如，商店或某些通道的入口/出口这种不匹配还需要BLE信标的额外部署以满足特定场景的需求。WiBeacon是最适合新兴的BLE信标系统，是大规模和地理上分散。一个具体的用例是阿里巴巴本地服务正在进行的全市范围的位置基础设施部署[27]，其中每个餐厅将安装一个信标，而全国预计将部署250万个信标。由于商家已经安装了至少一个WiFiAP，为客户提供免费互联网服务，因此使用WiBeacon升级WiFiAP足以支持此用例。由于信标的总数非常大，它可以显著降低在这种情况下的部署成本，以及由于部署的信标是分散的，并且传统信标需要大量的现场访问以进行维护，因此可以显著降低管理成本。WiBeacon的另一个杀手级应用是移动设备的自动签到，在大流行期间提供准确的合同跟踪和快速部署（例如，COVID-19）。WiBeacon的其他应用包括位置感知待办事项提醒和零售店的优惠券交付[42]。广播频道覆盖：BLE标准定义了三个广泛的-铸造通道（即，���ℎ���,���ℎ , and���ℎ ���).���使用码字调整-37 38 39移动WiBeacon可以有效地覆盖移动和无线网络，而无线网络是���38 39 37释放信标任务调度信标任务任务截止期离任何WiFi频道都很远 正如我们将在第9.4节中演示的那样，两个广播信道的覆盖范围足以在真实场景中提供可靠的基于位置的服务。7.2讨论BLE通告间隔（周期）图9：探索WiFi临时空白当WiBeacon任务接近最后期限时，调度器增加其优先级并开始iBeacon广播帧的传输这为WiFi数据引入了有限的延迟（通常小于15 ms），同时防止BLE LBS的饥饿请注意，这种情况在现实世界的WiFi网络中非常罕见我们分析在多个地方捕获的跟踪超过10个用户（例如， 咖啡厅（图8） 当广告间隔被设置为500 ms时，可能性小于0。01%。传统WiFi的可用性：每个商用WiFi AP必须支持802.11b CCK调制以实现向后兼容性（即，服务传统客户端）。因此，WiBeacon适用于已部署和未来的AP。例如，CCK在最新的WiFi6 AP中可用[3，4，10]。此外，AP可以同时使用不同的802.11协议，因此WiBeacon不会强制AP在802.11b中工作。常规WiFi流量仍然可以使用高速率协议，即，802.11g/n/ac/ax，而我们专门使用无线信标CCK邻近估计精度：默认情况下，AP具有更高的传输功率，因此具有更广泛的信号覆盖范围。注意，更宽的覆盖范围并不意味着更低的接近度估计精度，因为接近度不是由信号是否交错严格咖啡店研究区（8.3Mbps（10.1Mbps）延迟（ms）CDF（%）2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，Ruofeng Liu，Zhimeng Yin，Wenchao Jiang，andTian He90CC2650BLE嗅探器WiBeaconBLE信标Nexus 5BLEbeaconBLE信标WiBeacon(a) 走廊(b) 办公室(c) 户外桥图10：评估场景（走廊、实验室和桥梁处的商用WiFi AP和BLE信标但是有多少
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