CN109194364B - 基于BackFi的环境反向散射通信多跳传输方法 - Google Patents

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Abstract

基于BackFi的环境反向散射通信多跳传输方法，多个无线局域网重叠覆盖区域中，存在读写器、多个Tag/传感器、AP等节点，在读写器发出读写命令后，利用重叠覆盖的Wi‑Fi架构将整个网络范围内的所有Tag/传感器进行调度和反射通信。本发明有益效果：与传统方法相比，本发明实现了大规模的Tag/传感器环境反射通信，大幅度提高了系统的吞吐量。

Description

基于BackFi的环境反向散射通信多跳传输方法
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，具体地说是基于BackFi的环境反向散射通信多跳传输方法。
背景技术
物联网(IoT, Internet of Things)的普及和反向散射技术的发展给人们的日常生活带来了诸多便利，但电子标签与读写器之间通信距离短，大幅度限制了反向散射技术的发展，而环境反向散射技术的提出打破了反向散射技术发展的僵局，打开了物联网的全新领域。
环境反向散射通信系统(ABCS, Ambient Backscatter Communication System)其本质是利用环境中现有的射频信号进行通信，该技术避免了读写器持续发送射频信号等待电子标签的反射信号，节省了读写器的射频能源，与主动式电子标签相比，环境反向散射技术所运用的电子标签无电源，避免繁琐的人工维护与定期电池更换，具有很强的环保性和便捷性。
利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)传输特性的反向散射技术对未来智能物联及其应用具有重要研究价值。传统的反向散射和双站反向散射技术需要连续载波发射机获取能量和激励信号，限制了Backscatter 标签或传感器的应用范围和升级空间。而依靠环境射频源信号(电视塔、基站等)的Backscatter 技术则具有更广阔的科研空间和价值，但是电视塔、基站等射频能量的获取不稳定而且可获取量较小，短距离传输网络可提供更大且稳定的射频能量，尤其是未来5G/B5G 的密集部署，使得小小区短距离通信获得更大发展。Wi-Fi 作为近年来短距离通信的主力军受到了工业界和学术界的重点研究，尤其采用现有Wi-Fi 架构的环境反向散射技术则更易于获得实际应用，本发明则基于现有Wi-Fi架构设计Backscatter 传输方法(美国斯坦福学者将其命名为BackFi)，尤其结合多跳协同传输理论，可望实现BackFi 环境反向散射通信的更远距离且高吞吐量传输。
传统的单站/双站反向散射技术只能利用有源信号进行单个电子标签的近距离反射，本发明则是利用现有Wi-Fi架构，实现远距离传输的大规模电子标签(Tag)或传感器的通信。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供基于BackFi的环境反向散射通信多跳传输方法，克服现有技术存在的问题，使相邻小区可以在短时间内同时实现MUMIMO高速传输。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于BackFi的环境反向散射通信多跳传输方法，多个无线局域网重叠覆盖区域中，存在读写器、多个Tag/传感器、AP等节点，在读写器发出读写命令后，利用重叠覆盖的Wi-Fi架构将整个网络范围内的所有Tag/传感器进行调度和反射通信，具体方法为：
一、首先使用改进的CTS-to-Self将所有传统站点置为监听无发送状态，利用定义帧“Multi-RTS”对多路Tag/传感器发送激励信号，其中AP和Tag/传感器相关帧结构的“能力信息”字段可在关联阶段获取；
二、AP在发送完Multi-RTS激励信号后，在短帧间间隔后发送含多路Tag/传感器响应帧的发送顺序，收到激励信号的Tag/传感器节点触发缓存数据的调制；
三、AP对反射信号进行收集，利用网络喷泉码进行编码调制，后再利用反射相位调制器传输至BackFi读写器。
本发明所述改进的CTS-to-Self是对传统的非响应帧“CTS-to-Self”进行改进，改进方法为对传统CTS-to-Self的“more data”位设置为1。
本发明所述步骤二中短帧间间隔为SIFS短帧间间隔。
本发明的有益效果是：在不改动现有无线局域网机制IEEE 802.11ah的前提下，当存在较多无线局域网覆盖时，利用现有无线局域网架构实现未来物联网的环境反向散射通信多跳传输技术，与传统方法相比，本发明实现了大规模的Tag/传感器环境反射通信，大幅度提高了系统的吞吐量。
附图说明
图1为本发明一实施例的环境反向散射通信场景示意图；
图2为本发明一实施例的实施场景图；
图3为本发明一实施例的Multi-RTS帧；
图4为本发明一实施例的Response-order；
图5为本发明环境反向散射通信流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的方法做进一步的阐述。
如图2所示，多个无线局域网重叠覆盖区域中，存在读写器、多个Tag/传感器、AP等节点，本发明则是在读写器发出读写命令后，利用重叠覆盖的Wi-Fi架构将整个网络范围内的所有Tag/传感器进行调度和反射通信，其具体方法是：
（1）首先使用CTS-to-Self将所有传统站点置为监听无发送状态，将利用重新定义新帧“Multi-RTS”对多路Tag/传感器发送激励信号，定义的帧结构如图3所示，新定义帧“Multi-RTS”帧与传统MAC帧结构相比，主要体现在新定义的“M-RTS”字段上，该字段增加了“M-RTS”策略、压缩点阵图、Tag/传感器数等信息，以便实现单Tag/传感器和多Tag/传感器的环境反向散射通信，其中BackFi AP和Tag/传感器相关帧结构的“能力信息”字段可在关联阶段获取。其中BackFi AP在发送完Multi-RTS激励信号后，需在SIFS短帧间间隔后（也可为其他帧间间隔，SIFS时隙短可节省时间），发送含多路Tag/传感器响应帧的发送顺序，该顺序帧“Response-order”定义如图4所示，以避免信号冲突，收到激励信号的电子标签或传感器节点触发缓存数据的调制。
“CTS-to-Self”帧传统上是非响应帧，本发明对其进行改进并命名为增强CTS-to-Self帧，通过对该帧的“more data”位设置为“1”以激励AP或智能设备可向下一跳转发，传统设备对该比特位是不检测的，若收到该帧则默认处于sleep/doze状态，如图3“帧控制”，若采用CTS-to-Self发送激励信号则需所有Tag/传感器反射；若采用“Multi-RTS”则可选择1或多个Tag/传感器实现反射通信。而BackFi AP若采用全双工模式时则需进行自干扰避免，例如发送信号的信道号为“1”，则环境反向散射的信道号可调整为“2”，从而避免自干扰对系统吞吐量性能的影响。
本发明提出的BackFi环境反向散射多跳传输的信令交互流程如图5所示。值得说明的是若Tag/传感器为单一反射信号，则可置“Multi Tag/Sensor”位为0；若为多目标反射信号，则“Tag/Sensor Number”置为1，同时“Multi-RTS”后需跟随一个子类型控制帧，帧结构如图4所示，以便于多个Tag/传感器识别是否需反射信号。
本发明适用于IEEE 802.11ah等具有无线局域网架构的协议，尤其适用于未来环境反向散射通信系统的远距离传输等应用。

Claims (2)

1.基于BackFi的环境反向散射通信多跳传输方法，其特征在于：多个无线局域网重叠覆盖区域中，存在读写器、多个Tag/传感器、AP节点，在读写器发出读写命令后，利用重叠覆盖的Wi-Fi架构将整个网络范围内的所有Tag/传感器进行调度和反射通信，具体方法为：
一、首先使用改进的CTS-to-Self将所有传统站点置为监听无发送状态，利用定义帧“Multi-RTS”对多路Tag/传感器发送激励信号，其中AP和Tag/传感器相关帧结构的“能力信息”字段可在关联阶段获取；所述改进的CTS-to-Self是对传统的非响应帧“CTS-to-Self”进行改进，改进方法为对传统CTS-to-Self的“more data”位设置为1；所述定义帧“Mu1ti-RTS”与传统MAC帧结构相比，增加了新定义的“M-RTS”字段，该字段增加了“M-RTS”策略、压缩点阵图和Tag/传感器数信息，以便实现单Tag/传感器和多Tag/传感器的环境反向散射通信；
二、AP在发送完Multi-RTS激励信号后，在短帧间间隔后发送含多路Tag/传感器响应帧的发送顺序，收到激励信号的Tag/传感器节点触发缓存数据的调制；
三、AP对反射信号进行收集，利用网络喷泉码进行编码调制，后再利用反射相位调制器传输至BackFi读写器。
2.根据权利要求1所述的基于BackFi的环境反向散射通信多跳传输方法，其特征在于：所述短帧间间隔为SIFS短帧间间隔。
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