CN110100464A - 反向散射环境ism频带信号 - Google Patents

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CN110100464A CN201780079566.XA CN201780079566A CN110100464A CN 110100464 A CN110100464 A CN 110100464A CN 201780079566 A CN201780079566 A CN 201780079566A CN 110100464 A CN110100464 A CN 110100464A
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萨钦·卡蒂
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Abstract

一种反向散射标签设备，部分地包括：接收器，其配置为接收符合定义多个码字的通信协议的包；码字编译器，其配置为响应于所述反向散射标签调用的要传输的数据，将置于所述包中的多个码字的至少第一子集编译成由所述协议定义的第二多个码字；以及传输器，其配置为传输由所述码字编译器以不同于接收所述包的第一频率的频率而提供的所述包。所述通信协议可以可选地为802.11g/n、无线个域网或蓝牙通信协议。

Description

反向散射环境ISM频带信号
相关申请的交叉引用
本申请根据35USC 119(e)要求于2016年10月25日提交的、序列号为62/412,712、名称为“Freerider：反向散射环境ISM频带信号”(“Freerider:Backscattering AmbientISM Band Signals”)的美国申请的权益，其内容以引用方式整体并入本文。
本发明涉及2017年8月14日提交的、序列号为15/676,474的申请，其内容以引用方式整体并入本文。
技术领域
本发明涉及一种通信系统和方法，尤其涉及一种低功耗WiFi反向散射通信系统和方法。
背景技术
由于反向散射通信能够为传感器提供低功耗连接性，其已经吸引了人们对可植入传感器、可穿戴设备和智能家居传感等应用的兴趣。这样的应用具有苛刻的电源限制。例如，可植入传感器必须持续使用数年，而更传统的智能家居监控应用可能受益于可以使用数年的传感器和执行器。反向散射通信可以在消耗低功率的同时满足连接性要求，通过收集能量或使用电池保持几年的供电。
目前的反向散射系统需要专业的硬件来产生反向散射无线电能够反射的激励射频信号，并且解码反向散射信号。最近，从WiFi反向散射到BackFi以及和无源WiFi的研究，减少了对专业硬件的需求。例如，无源WiFi可以使用标准WiFi无线电来解码，但它仍然需要一个专用的连续波信号发生器作为激励射频信号源。BackFi需要一个专有全双工硬件附加到WiFi无线电，以实现反向散射通信。因此，对反向散射系统的需求仍然存在，这种系统可以使用日常设备，如访问点、智能手机、手表和平板电脑等进行部署。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的反向散射通信系统100的简化图。
图2是现有技术中已知的在不同子载波上调制的若干OFDM符号。
图3是在信道上收集的若干数据包的持续时间。
图4是根据本发明的一个示例实施例的作为距离的函数的解码成功率。
图5是根据本发明的一个实施例的反向散射标签的简化的高级别框图。
图6示出了802.11g/n传输和接收块的各种框图。
图7是图6所示的扰码器的更详细的视图。
图8示出了反向散射蓝牙信号的频谱。
图9A示出了根据本发明的一个实施例的用于测试视距(line-of-sight，LOS)部署的反向散射标签的实验设置。
图9B示出了根据本发明的一个实施例的用于测试非视距(non-line-of-sight，NLOS)部署设置的反向散射的实验设置。
图10A示出了根据本发明的一个实施例的标签的通量(throughput)，其作为LOS部署中标签与接收器之间的距离的函数。
图10B示出了根据本发明的一个实施例的标签的误码率，其作为LOS部署中标签与接收器之间的距离的函数。
图10C示出了根据本发明的一个实施例的标签的接收信号强度指示，其作为LOS部署中标签与接收器之间的距离的函数。
图11A示出了根据本发明的一个实施例的标签的通量，其作为NLOS部署中标签与接收器之间的距离的函数。
图11B示出了根据本发明的一个实施例的标签的误码率，其作为NLOS部署中标签与接收器之间的距离的函数。
图11C示出了根据本发明的一个实施例的标签的接收信号强度指示，其作为NLOS部署中标签与接收器之间的距离的函数。
图12A示出了根据本发明的一个实施例的标签的通量，其作为标签与无线个域网接收器之间的距离的函数。
图12B示出了根据本发明的一个实施例的标签的误码率，其作为标签与无线个域网接收器之间的距离的函数。
图12C示出了根据本发明的一个实施例的标签的接收信号强度指示，其作为标签与无线个域网接收器之间的距离的函数。
图13A示出了根据本发明的一个实施例的标签的通量，其作为标签与蓝牙接收器之间的距离的函数。
图13B示出了根据本发明的一个实施例的标签的误码率，其作为标签与蓝牙接收器之间的距离的函数。
图13C示出了根据本发明的一个实施例的标签的接收信号强度指示，其作为标签与蓝牙接收器之间的距离的函数。
图14示出了根据本发明的一个实施例的标签和WiFi 802.11g/n、无线个域网和蓝牙通信协议的传输器之间的距离的作用。
图15示出了根据本发明的一个实施例，当反向散射标签存在或不存在时，WiFi802.11g/n的通量。
图16A示出了根据本发明的一个实施例，当使用802.11g/n WiFi作为反向散射标签的激励信号时的反向散射标签的通量。
图16B示出了根据本发明的一个实施例，当使用无线个域网作为反向散射标签的激励信号时的反向散射标签的通量。
图16C示出了根据本发明的一个实施例，当使用蓝牙作为反向散射标签的激励信号时的反向散射标签的通量。
图17A示出了根据本发明的一个实施例，在传输器路径上分别放置4、8、12、16和20个标签时的聚合通量。
图17B示出了根据本发明的一个实施例，在传输器路径上分别放置4、8、12、16和20个标签时的Jain’s公平指数。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种通信系统和方法，通过反向散射另一个兼容包并通过码字编译调制所得到的包上的数据，该通信系统和方法兼容现有通信协议，如WiFi 802.11g/n、蓝牙(Bluetooth)和无线个域网(Zigbee)。根据一些实施例，应用可以构建在携带此类包的现有无线设备上。在某种程度上，低功耗反向散射通信系统(以下简称反向散射标签，或标签)配置为接收在传输的包(例如802.11g/n)中的有效码字，并将其编译为来自802.11g/n码本的不同的有效码字。这种特殊的编译给反向散射标签所需要传输的位进行编码。因此，反向散射包与其他任何包一样，例如802.11g/n包，尽管编译的码字的序列取决于反向散射标签所需要通信的数据。因此，它可以被任何标准802.11g/n、WiFi、蓝牙和无线个域网的接收器解码。本发明实施例的以下描述参考了WiFi 802.11g/n、蓝牙和无线个域网通信协议或标准。然而应当理解的是，本发明的实施例同样适用于许多其他通信协议。
根据本发明实施例的反向散射通信系统可以利用码字编译来使用日常无线电。众所周知，ISM频段上的任何无线信号都是使用固定码本上的一组已知码字生成的。例如，蓝牙使用FSK调制，它的码本中有两个码字：它在一频率上传输一个音调(tone)来发送一个1，并且在不同的频率上发送一个0。类似地，WiFi和无线个域网也具有一些有限码字组，其根据相位、幅值或频率的组合而变化。
为了执行码字编译，在反向散射期间，标签将正在进行的激励信号的码字变换(或编译)为同一码本中的另一个有效码字。这是通过修改激励信号的幅值、相位或频率中的一个或多个来实现的。具体的编译取决于标签需要传输的数据和激励信号的类型。由于反向散射信号中的码字是与原始激励信号来自同一码本的有效码字，因此可以使用日常无线电接收反向散射信号。
图1是根据本发明的一个实施例的反向散射通信系统100的简化图。ISM频段无线电，其可以是WiFi、蓝牙或无线个域网传输器，在正常运行时以数据包15的形式向接收器30传输数据，接收器30可以是WiFi、蓝牙或无线个域网等日常接收器。物联网(IoT)设备20(文中也称为标签)接收包15，完成码字编译，以嵌入标签20需要传输的如下所述的信息，并且将码字编译的包25反向散射到到接收器40，这也可能是一个日常接收器，如WiFi、蓝牙或无线个域网。所述反向散射信号(文中也可替代地称为包)25被频移到另一个信道。相应地，接收器30接收并解码最初传输的包15，并且接收器40接收并解码反向散射包25。解码器50配置为对接收器30和40接收到的包进行比较，从而检索由标签20嵌入的标签数据。
本发明的实施例支持在同一无线信道上的多个标签，通过利用包长度调制将必要的信息传输到标签以进行协调。为了实现这一点，激励包15的长度被用来编码0和1，它们可以排列形成信息发送到执行反向散射MAC协议的标签。因此，协议向标签发送控制信息，以便标签能够协调它们的传输以避免冲突。
除此之外，本发明的实施例实现了以下目标。一个实施例中，在视距(LOS)部署下从42米解码了反向散射OFDM WiFi信号，在非视距(NLOS)部署下是22米。一个实施例中，当LOS接收器为18米或更近时，来自反向散射OFDM WiFi信号的通量接近60kbps。例如，对于更远的距离，平均可以达到32kbps(LOS)和20kbps(NLOS)。例如，一个实施例中，反向散射来自高达22米的无线个域网信号时为15kbps。例如，一个实施例中，反向散射自高达12米的蓝牙信号时为55kbps。根据本发明实施例，反向散射标签可以与WiFi网络共存，且不依赖于标签反向散射的激励信号的类型。此外，在一个实验设置中，证明多达20个反向散射标签是有效运行的，且在MAC方案中成功地通信并保持上行公平性。
根据本发明的实施例，当标签反向散射激励信号时，该标签可以修改信号的幅值、相位或频率中的一个或多个。这种调整如下所示，其中S(t)代表激励信号，T(t)代表标签信号，B(t)代表反向散射的信号。反向散射的信号B(t)是激励信号S(t)与标签信号T(t)之间的时域乘积。因此，标签可以改变其信号T(t)来修改反向散射的信号B(t)的幅值、相位和频率。信号S(t)、T(t)和B(t)可由如下所示：
根据本发明实施例，标签配置为通过调整标签天线的终端阻抗来修改所述反向散射信号的幅值。所述反向散射的信号B(t)的强度定义为：
在上面的表达式中，ZA表示标签天线阻抗，ZT表示穿过标签天线终端的阻抗。反向散射的信号的强度和Γ之间更准确的关系可以参见“模数混合反向散射：无线射频识别中无电池传感的新方法”(“Hybrid analog-digital backscatter:A new approach forbattery-free sensing in RFID(RFID)”)，由Vamsi Talla和Joshua R Smith合著，2013年，IEEE国际会议，第74-81页。
在传统的反向散射系统中，标签在和之间切换来对信息编码。因此，在一个反向散射信号上可以看到两级幅值。根据本发明实施例，标签穿过多个阻抗发生变化，而不是在两个阻抗之间变换以创建模拟反向散射信号，从而精细调整反向散射信号的幅值。
根据本发明的一个实施例，标签通过延迟该标签信号来改变反向散射信号的相位。为了在所述标签引入一个附加相位偏移Δθ，该标签信号延迟了在标签处引入的相位偏移Δθ导致反向散射信号的相位偏移。标签改变其RF晶体管的切换频率以改变反向散射信号的频率。因此，根据本发明实施例，配置标签来修改反向散射信号的幅值、相位和频率，从而使日常无线电之间可以进行反向散射通信。
码字编译
为了与日常无线电通信，根据本发明一实施例的反向散射标签执行码字编译，如下所述。
定义码字Ci为物理层上的信号符号，其表示传输的特定数据。例如，蓝牙使用二进制FSK调制来嵌入信息。因此，只有两个码字和分别用来表示数据1和数据0。
码本B是无线电使用的一组有效码字。与蓝牙相关的码本是B＝{C1，C2}，因为只有两个码字用在了蓝牙标准中。类似地，WiFi 802.11g/n标准使用码本B＝{C1，C2…Cn}，其中Ci的i是一个从1到n的索引范围，并且是OFDM符号。众所周知，WiFi、无线个域网和蓝牙使用不同的多组码字和码本。
同一码本中的不同码字之间通过相位、幅值、频率的移位或组合而相互关联。例如蓝牙标准中使用的码字C1与蓝牙标准使用的码字C2仅在频域上有所不同，其频差为f2-f1。
码字编译是将有效码字Ci转换成另一个有效码字Cj的行为，这些码字都属于相同的码本，意思为Ci∈B和Cj∈B。根据本发明实施例的反向散射标签，按照WiFi、无线个域网和蓝牙标准执行这样的编译，同时消耗较少的能耗。因为转换或编译后的码字在同一码本中仍然是有效的码字，所以日常WiFi、无线个域网或者蓝牙无线电可以用来解码反向散射信号。标签数据由特定的码字编译进行解码，如下所述。
根据本发明实施例，由标签完成的码字编译的例子如下面的表达式(2)所示，其中激励信号的码字为Ci。为了解码1，标签在传输前将码字Ci编译为Cj。为了解码0，标签保留未编译的码字，因此，反向散射信号具有与激励信号相同的码字。
通过使用码字编译，标签使用日常WiFi、无线个域网或蓝牙无线电解码反向散射信号来提取标签数据。下面的表I为解码反向散射信号的逻辑表。
表I
解码的码字 激励信号码字 标签位
C<sub>2</sub> C<sub>1</sub> 1
C<sub>1</sub> C<sub>2</sub> 1
C<sub>1</sub> C<sub>1</sub> 0
C<sub>2</sub> C<sub>2</sub> 0
从表I可以看出，标签位是反向散射码字和原始码字的XOR函数。因此，可以通过计算原始激励位流和反向散射位流的XOR来提取标签数据。
如上所述，标签通过修改激励信号的幅值、相位或频率来执行码字编译。这种修改将反向散射信号中的激励码字Ci转换为Cj。执行码字编译的标签与频率无关，因此对所有频率的信号应用相同的修改。对于使用单一载波的标准，如蓝牙、无线个域网和802.11b标准，不会造成任何问题。然而，由于与802.11n标准相关联的OFDM信号使用多个子载波，因此上述码字编译可能引起问题。当标签改变子载波i上信号的幅值时，它会在另一个子载波m上引入相同的幅值修改。但是，子载波m上的修改信号可能不是一个有效的码字。
如图2所示，其中子载波i上修改的数据为1000，而子载波m上修改的数据为0101。当标签通过降低信号幅值将子载波i上的信号从1000转为为1101时，标签对子载波m也进行同样的操作，降低了0101的信号强度。结果是，标签在子载波m上创建了一个无效的码字。因此，当标签进行码字编译时，它会寻找信号特征，如幅值、相位或频率，来执行信号修改或编译，从而使修改后的信号仍然是有效的码字。
OFDM符号的反向散射
下面的公式3给出了OFDM调制信号，其中{Xk}为子载波上调制的数据符号，N为子载波数，T为OFDM符号时间。对于802.11g/n标准，一个OFDM符号持续4μs，并且包含了64个子载波。数据符号{XK}是根据WiFi标准位速率，利用BPSK、QPSK、16-QAM或64-QAM调制而生成的。
当对OFDM符号进行反向散射时，根据本发明实施例，标签不会修改激励OFDM信号的幅值或频率，因为这种修改会在反向散射信号中产生一个无效的码字。因此，标签只修改反向散射信号的相位。二进制的例子如以下公式4所示。该标签引入了相位偏移Δθ来传输数据1。其没有引入偏移量来传输数据0。Δθ的值取决于标签位速率。例如，如果该标签传输数据速率较低，则使用Δθ是180°的二进制方案。如果标签决定以更高的数据率传输，它可能选择Δθ为90°，用以下所示的公式5对其信息进行编码。
无线个域网的反向散射
无线个域网的无线电使用偏移QPSK(OQPSK)调制。与QPSK调制类似，数据在传输信号的相位中进行编码。因此，根据本发明实施例，标签在反射时修改相位，将数据嵌入OQPSK信号中。当标签传输数据1时，它在反射信号上引入了Δθ相位偏移。当标签传输数据0时，它不改变相位。在无线个域网中嵌入标签位的公式与802.11g/n WiFi标准相同，如公式4和公式5所示。
蓝牙的反向散射
蓝牙无线电调制信息是根据传输的码字改变在频率f1和f0之间的载波信号频率。无线电发送频率为f1的正弦波用于传输数据1。无线电发送频率为f0的正弦波用于传输数据0。根据本发明，标签使用如下所示的表达式(6)中的公式嵌入其信息。当传输数据1时，标签通过以频率Δf切换其RF晶体管，在反向散射信号中产生额外的频率偏移Δf。当传输数据0时，该标签不会产生额外的频率偏移。如果我们仔细选择Δf，我们可以保证B(t)仍然是有效的蓝牙信号，并且可以被日常蓝牙无线电解码。
为了确保B(t)仍然是有效的蓝牙信号，可以选择由|f1-f0|定义的Δf。假设蓝牙无线电传输频率为f1的数据1。对于要传输数据1的标签，它将信号移动Δf，使得反向散射码字为这是有效的蓝牙FSK编码，因为它是频率为f0的正弦波。然而，日常蓝牙无线电会将其解码为0而不是1。相反，要对数据0进行编码，标签不会对蓝牙信号进行频移。当蓝牙无线电以频率f0传输数据0时，情况是对称的。因此，为了传输数据1，根据本发明的一个实施例，标签将频率为f1的蓝牙码字转换为频率为f0的反向散射码字，并将频率为f0的蓝牙码字转换为频率为f1的反向散射码字。为了传输数据0，该标签生成与原始蓝牙码字频率相同的反向散射码字。因此，通过选择前述Δf，根据本发明的一个实施例，标签产生反向散射信号，其为有效的蓝牙信号，同时嵌入其要传输的数据。
避免来自有源无线电的干扰
如果标签向接收器传输反向散射信号，由于反向散射信号和激励信号共用一个信道，接收器可能会受到激励信号的严重干扰。为了避免这种干扰，根据本发明的实施例，标签会改变反向散射信号的频率，以确保其占用的频率信道不同于激励信号占用的频率信道。这样的频率转移技术，例如，在题为“实践反向散射通信于身体传感器”(“Enablingpractical backscatter communication for on-body sensors”)的文章，其由PengyuZhang，Mohammad Rostami,Pan Hu和Deepak Ganesan合著，2016年ACM SIGCOMM 2016的会议记录，第370-383页，或在题为“反向散射中间技术：面向植入设备的互联网连接”(“Inter-Technology Backscatter:Towards Internet Connectivity for ImplantedDevices”)的文章，其由Vikram Iyer,Vamsi Talla,Bryce Kellogg,Shyamnath Gollakota和Joshua Smith合著，2016年ACM SIGCOMM 2016会议记录，第356-369页。
例如，以所需频率偏移切换射频晶体管来改变频率是可以实现的。例如，如果要将反向散射信号从激励信号移位20MHz，则以20MHz切换RF晶体管。在一个例子中，当对WiFi信号进行反向散射时，标签改变频率，使反向散射信号调谐到信道13，这是2.4GHz ISM频段中使用最少的信道。这种信道分配减少了对其他有源无线电以及来自其他有源无线电的干扰。当反向散射蓝牙或无线个域网时，标签改变反向散射信号的频率，使其调谐到接近2.48GHz的信道，因为这些信道受到WiFi信号的干扰较小。
MAC协议
为了促进无线媒介在多个标签之间的有效共享，本发明的实施例开发了一种媒体访问(MAC)方案。该MAC协议有两个目的，即通知标签对什么信号进行反向散射，以及为多个标签提供支持，如下所述。
协调标签
确定反向散射的时间是很重要的。如果反向散射了错误的信号，则无法恢复数据。标签需要一种方式来区分何时开始反向散射信号。为了确保标签在适当的时间开始反向散射，传输器(如图1中的传输器10)发送一个预先确定的0和1的序列的前导码，如下所述。标签维持接收位的循环缓冲区。如果缓冲区的开头与前导码匹配，则标签将会了解缓冲区包含的反向散射数据是由传输器的指令初始化的，而不是随机包。
与多个标签通信
由于标签没有足够的能力进行载波感测，因此采用了一种基于Framed SlottedAloha算法协议的随机访问方案。根据该协议，传输器作为一个中央协调器，正如如下公开所描述的那样：“UHF RFID性能的实证研究”(“An empirical study of UHF RFIDperformance”)，Michael Buettner和David Wetherall，第14届ACM移动计算与网络国际会议论文集，2008年，第223-234页。通信以每轮固定数量的时隙轮次进行。在每一轮中，标签选择一个随机时隙进行传输。如果两个标签选择了相同的时隙，就会发生冲突，数据无法传输成功。在一轮结束时，传输器处理来自标签的数据，并在进入下一轮之前调整时隙的数量。
与随机分配的分时方案相比，随机访问允许标签的数量在没有特定关联过程的情况下增长和减少。时隙的数量由接收器从它接收到的包数量以及可能发生的冲突的数量来推断。接收机将此信息传递给传输器(例如，图1中的传输器10)。如果传输器遇到许多碰撞，则增加时隙的数量。如果碰撞次数低于预定数量，传输器就会减少时隙的数量。为了避免来自同一信道上的其他用户的冲突，传输器(如图1所示的传输器10)在向标签发送消息之前使用载波感测。在下一轮之前，每一轮都可以有任意数量的延迟。这确保反向散射系统不会占用信道。使用轮数允许反向散射系统和信道的其他用户之间的公平性。反向散射系统使用时隙实现了标签之间的公平性。
图3显示了在演讲厅中收集信道6上的3000万个包的持续时间。在图3可见的双峰分布中，近78％的数据包不会超过500μs并且近18％的包持续了1500μs-2700μs。在脉冲宽度误差界限为25μs时，根据本发明一实施例，具有相同长度的环境包的概率是0.03％左右。
传输协调消息到标签
根据本发明的一方面，传输器到标签的通信是使用一种消耗较低功率并且不需要标签解码包的技术来完成的。为此，在一个实施例中，使用包络检测器完成传输器和标签之间的通信。低功率包络检测器消耗通常小于1μW。这种包络检测器用于测量参数，当传输器使用如下文所述的日常硬件时，可以轻易测量和调制这些参数。
包长度调制
根据本发明的一个实施例，包长度调制(PLM)用于建立从传输器到标签的通信。对传输器来说，包持续时间相对容易控制，在一定距离范围内工作良好，并且在具有环境网络流量时也是稳健的。根据本发明实施所使用的PLM方案中，0位由持续时间为L0的包表示，1位由持续时间为L1的包表示。为了控制包长度，传输器发送预定义持续时间为L0和L1的包。标签使用包络检测器来识别包的存在和持续时间。如果包持续时间等于L0或L1(在预定义的错误范围内)，则将位记录到数据缓冲区。如果包的持续时间不等于L0或L1(考虑到预定义的范围)，则将该包作为噪声并丢弃，从而成功接收存在于其他传输的位。
根据本发明，在一个实施例中，使用WiFi 802.11g/n标准操作的反向散射标签的工作速度约为500bps，其足以操作MAC层。
为了发送调度消息，传输器可能会生成伪包。或者，传输器可以在将现有流量发送到网络接口卡(NIC)之前缓冲现有流量，然后重新排序或重新打包，形成L0和L1s的序列。因此，只要网络繁忙，反向散射消息对信道的其余部分造成的开销就可以忽略不计。
图4显示了解码成功率作为距离的函数。与图4相关的实验是在办公楼内的一条长走廊上进行的。在1.8v参考电压下，当标签距离传输器不足4m时，系统能够成功解码调度消息，准确率超过70％。该系统在距离50m时成功解码了50％的前导码。由于增加了信噪比，通过增加比较器中的参考电压，可以获得更高的准确度。我们使用现成的日常802.11g/nWiFi、无线个域网和蓝牙收发器以及定制的反向散射标签构建了一个原型系统，如下所述。
图5是根据本发明的一个实施例的反向散射标签100的高级别简化框图。所示的反向散射标签100部分包括：复用器110、码字编译器105、相位调制器115、频率调制器120、移频器125和天线130。根据接收到的数据类型和使用的通信协议，码字编译器使用相位调制器115或频率调制器120的输出。相位调制器115调制接收包的相位，频率调制器调制接收包的频率，细节如上所述。复用器110的输出经移频器125移频后再由天线130传输。
硬件平台
802.11g/n收发器：802.11g/n接收器设置在一台配有Broadcom BCM43xx无线网卡的MacBook Pro笔记本电脑上，其支持802.11a/b/g/n/ac。无线网卡设置在监听模式下以报告具有错误校验总和的包。在接收到包后，使用tcpdump(一个公知的软件)对包进行解析并提取标签位。
此外，Intel NUC上的5300无线网卡作为标准的802.11g/n OFDM传输器使用，传输速率为15dBm。所使用的固件是“工具发布：收集802.11n带有信道状态信息的跟踪”(“Toolrelease:gathering 802.11n traces with channel state information provided”)，Daniel Halperin,Wenjun Hu,Anmol Sheth,David Wetherall,ACM SIGCOMM计算机通信评论41，1(2011)，第53-53页中描述的固件。
无线个域网收发器：使用一台TI CC2650无线电(http://www.ti.com/product/CC2650)作为无线个域网收发器，其传输功率设置为5dBm，这是该无线电允许的最大功率。CC2650无线电开发板CC2650EM-7ID支持两种类型的天线：PCB板上天线和带有SMA接口的天线。在该实验中，使用了VERT2450天线，因为它具有更宽的波束。它安装在SMA接口上，如“Ettus Research.[n.d.].VERT2450Antenna.https://www.ettus.com/product/details/ VERT2450”所述。
蓝牙收发器：一台TI CC2541无线电(http://www.ti.com/product/CC2541)作为蓝牙收发器使用。该无线电以每秒1Mbps和0dBm的速度传输，使用FSK调制，频率偏差为250kHz，带宽为1MHz。所使用的调制指数为0.5±0.01。
标签：所使用的标签有两个VERT2450天线：一个用于接收，一个用于传输https:// www.ettus.com/product/details/VERT2450。接收天线与LT5534包络检测器耦合，后者测量输入信号何时开始。从激励信号的起始点到包络检测器的指示信号之间测出了0.35us的延迟。换句话说，在激励信号到来的0.35μs之后，包络检测器通知处理器激励信号已经开始。在评估中，当经历0.35μs延迟之后，性能没有降低。
另一个由ADG902射频开关控制的天线，决定了何时以及如何反向散射激励信号。该码字编译模块是在低功耗FPGA AGLN250上完成的。标签采用能量管理模块，为系统其余部分提供1.5V和3.3V电源。标签平台的源代码可见https://github.com/pengyuzhang/ FreeRider.
实施的挑战
每台无线电都有自己的物理层堆栈，其中包含一组特定的信道代码、交织技术和加扰算法，所有这些都可能干扰码字编译并使其无效。下面将描述如何在面临这些挑战时使用码字编译。
反向散射OFDM WiFi信号的挑战
图6是802.11g/n传输接收模块的各种框图。在解码反向散射WiFi信号时，有三个因素会造成困难，即扰码器、卷积信道编码器和交织。扰码器是一种数据增白引擎，它接受输入数据并使用伪随机序列进行XOR。扰码器确保传输的数据不全是0也不全是1，这就导致了糟糕的峰均比。信道编码器采用卷积编码来提高其对无线传输的鲁棒性。交织引擎对传输位序进行重新排序，以确保即使无线信道上出现突发错误，也不会对接收到的数据造成连续错误的突发。下面描述这三个模块，因为它们先于802.11g/n传输器中的调制器放置。关于为什么这样的放置会导致反向散射解码失败的解释如下。
对于任意输入序列b0，b1…bn，传输信号S(t)可以表示为S(t)＝f(b0,b1,…,bt)其中f()表示扰码器、信道编码器、交织器和调制器采用的操作。由于接收器中对应的解调器、解交织器、信道解码器和解扰器提供了反向操作f-1()，因此接收器能够解码并输出所传输的序列。
但是，当出现标签并使用标签位t0、t1、…，tn产生了信号g(b0,b1,…,bt)，反向散射信号B(t)成为标签信号与激励信号的时域乘积。为了进一步理解这一点，我们解释了如公式7所示的二进制情况。该信号看起来不像由XORing激励信号位与标签位产生的并通过f()。因此，解码标签位就变得很困难。
这个问题的一个可能的解决方案是冗余，例如，将标签位映射到多个802.11g/n位。该标签传输了一个序列，而不是直接传输t0,t1,…,tn，其中标签在切换到下一个之前多次重复每个位。下面是对这种冗余有助于描述解决问题的原因。
交织模块被配置为交织分配给每个子载波数据。交织是根据每个OFDM符号完成的。换句话说，交织模块不交织属于两个OFDM符号的数据。因此，只要标签位持续时间比OFDM符号长，交织模块就不会产生问题。
扰频和信道编码器模块都生成并维持传递给调制器的数据的确定性结构。扰码器使用图7所示的结构进行数据增白。即使输入都是0，实际传输的数据也是非0序列。这样的数据增白降低了射频前端的峰均功率比。扰码器的数学表达式如公式8所示：
C[k]＝b[k]⊕b[k-3]⊕b[k-7] (8)
信道编码器使用公式9，如下所示，以6Mbps的速度对数据进行编码，其中b(k)为输入位，C1(k)和C2(k)为使用1/2编码率生成的码字。
对于其他位率，信道编码器是不同的。标签注入的数据可能会破坏两个模块创建的结构，使反向散射解码变得困难。为了克服这些挑战，使用Matlab模拟了这两个模块，发现只要标签向四个OFDM符号(6Mbps数据速率下的96个WiFi位)注入一位标签数据，就可以获得接近1e-3的误码率。这是因为输入序列b(k)和两个模块C(k)或{C1[k],C2[k]}的输出之间存在一对一的映射。
由公式8和公式9可知，{b[k]⊕1,b[k-1]⊕1,…b[k-7]⊕1}的序列可以生成C[k]⊕1和{C1[k]⊕1，C2[k]⊕1}。因此，当该标签进行码字编译并转换C(k)，{C1[k]，C2[k]}到C[k]⊕1以及{C1[k]⊕1，C2[k]⊕1}，在接收器上的响应模块应输出{b[k]⊕1，b[k-1]⊕1，...，b[k-7]⊕1}。以MacBook Pro笔记本电脑为反向散射解码器，通过Matlab仿真和实际系统实现验证了该结果。
影响反向散射解码的最后一个因素是导频音。OFDM符号中的导频音调用于校正相位误差。这种相位误差校正可以消除由标签引入的额外相位偏移，并呈现错误解码的标签数据。然而，也有一些WiFi芯片，如Broadcom的BCM43xx，不使用导频音调进行相位误差纠正，并且能够正确解码反向散射的标签数据。
反向散射无线个域网的挑战
无线个域网使用OQPSK调制，在同相信号和正交信号之间存在一个恒定的时域偏移(半个位)。这种偏移通过避免相邻位之间的18相变，降低了信号峰均功率(PAPR)。如果标签在反向散射无线个域网中的相邻位之间引入了180°的相变，则它可能破坏OQPSK信号的结构并制造故障解码。
这个问题的一个解决方案是将标签位嵌入到多个(N)OQPSK符号中。当标签传输数据1时，该标签在N OQPSK符号上引入了180°附加相位偏移，而不是在正弦OQPSK符号上引入180°相位偏移。由于破坏了上述潜在的OQPSK信号结构，日常无线个域网解码器可能会对第一个标签修改的OQPSK符号错误解码。但是，由于保留了OQPSK信号的结构，以下N-1个标签修改的OQPSK符号可以被正确解码。因此，只要选择一个较大的N，数据信息就可能嵌入到无线个域网的流量中。在一个例子中，选择了一个值为8的N。
反向散射蓝牙的挑战
解码反向散射蓝牙信号需要克服调制指数i和信道带宽w两个挑战。调制指数i定义为表示FSK信号的频率偏差与所占带宽的比值。商用蓝牙无线电通常使用调制指数为0.5。根据本发明实施例，当标签以Δf切换其RF晶体管时，在产生期望的反向散射信号的同时，该标签在频谱的另一侧也产生了不期望的信号，如图8所示。由于反向散射信号是蓝牙信号和标签信号之间的时域乘积，所以产生了这种不期望的信号。因此产生了双边带的反向散射信号。
根据本发明的一个实施例，通过利用蓝牙无线电将信道外的信号视为干扰并能够将其消除，从而消除不期望的反向散射信号。因此，Δf的选取需要满足以下两个条件，以保证不期望的信号保留在反向散射信道外，从而进行消除：
低功耗标签设计
为了实现低功耗，根据本发明实施例的标签使用环形振荡器产生实现频移所需的方波信号。Pengyu Zhang、Mohammad Rostami、Pan Hu和Deepak Ganesan合著的“为身体传感器提供实用的反向散射通信”(“Enabling practical backscatter communication foron-body sensors”)，ACM SIGCOMM 2016会议记录，第370-383页中描述了这样一种设计。在使用65纳米技术节点形成的一个特定的原型中，根据激励信号，标签的整体能耗接近30μW。大部分的能量(如19μw)被生成频移所需的20MHz时钟所消耗。可以确定的是，12μW用于操作射频开关，1-3μW用于运行确定码字编译器类型的控制逻辑。
实验设置
图9A和图9B分别显示了测试标签设置在视距(LOS)和非视距(NLOS)部署时的性能的实验。标签被放置在距离传输器(802.11g/n WiFi，无线个域网或蓝牙)1米的地方。没有对日常无线电传输器进行硬件修改。然后将接收器从标签移开，测量标签的通量、误码率(BER)和接收信号强度指示(RSSI)。在LOS的实验中，所有的设备都放在走廊里。在NLOS实验中，传输器和标签被部署在一个房间里，而接收器被部署在走廊里。在NLOS部署中，反向散射信号穿过多个墙壁。
标签的背向散射性能与部署在LOS的802.11g/n WiFi
图10A是根据本发明的一个实施例的标签的通量作为LOS部署中标签与接收器之间的距离的函数。802.11g/n WiFi传输器以11dBm发送其OFDM信号。可以看出，接收器在距离为42米的情况下仍然能够解码反向散射信号。这段距离是“无源WiFi：为Wi-Fi传输提供低功耗”(“Passive WiFi:bringing low power to Wi-Fi transmissions”)BryceKellogg,Vamsi Talla,Shyamnath Gollakota和Joshua R Smith合著，2016年第13届USENIX网络系统设计与实现研讨会(NSDI 16)，第151-164页中最大距离的1.4倍；是“为身体传感器提供实用的反向散射通信”(“Enabling practical backscatter communicationfor on-body sensors”)，Pengyu Zhang,Mohammad Rostami,Pan Hu和Deepak Ganesan合著，2016年ACM SIGCOMM会议论文集中报道的FS-Backscatter最大距离的8.4倍。这种长的通信距离对于许多物联网应用程序来说已经足够。
根据本发明的一个实施例，当接收器距离该标签不足18米时，标签可以达到近60kbps的数据速率。当接收器移动到距离标签近26-36米的位置时，通量降低到将近15kbps。这是一个相对较低的数据速率，因为OFDM符号的持续时间比DSSS符号长。可以看出，即使在较长的距离上，如图10B所示的误码率仍然很低，尽管如图10C所示的RSSI确实会随着距离而降低。例如，当接收器定位在距离标签40m的位置时，达到1e-3的误码率。因此，在更远的距离上，如果反向散射包到达接收器，那么标签很可能以较低的误码率提取位。如果头本身没有解码，则包丢失增加，通量下降。
标签的反向散射性能与部署在NLOS的802.11g/n WiFi
在NLOS实验中，802.11g/n传输器和标签被部署在一个房间里，而接收器被部署在走廊里。图11A显示了该设置中系统的通量。当接收器距离标签22米时，能够接收到反向散射包。与LOS部署类似，当接收器距离标签不到14米时，数据速率可以达到近60kbps。在更远的距离，反向散射通量下降到近20kbps。图11B显示了该NLOS部署中系统的BER。与LOS部署类似，穿过不同距离的BER都很低。然而，反向散射通信在22米处停止，即使RSSI在22米处达到-84dBm，如图11C所示。可以看出，当接收机距离标签超过22米时，反向散射信号需要再经过一面墙才能到达接收机，如图9B所示。结果信号变得太弱，无法检测到包的头。
无线个域网的反向散射
图12A示出了根据本发明的一个实施例中无线个域网接收器离开标签时标签的通量。接收器接收近22米外的反向散射包。图12B示出了根据本发明的一个实施例中无线个域网接收器离开标签时标签的位错误率。图12C示出了在22米处接收到的信号强度下降到-97dBm，其接近无线个域网无线电的本底噪声(noise floor)。因此，在较远的距离接收反向散射包变得很有挑战性。当接收器距离标签不到12米时，反向散射数据速率可以达到近14kbps。在更远的距离，通量下降并不严重。在20米的距离上，数据速率达到12kbps。与激励信号为802.11g/n时相比，所获得的位错误率跨越所有距离可以接近5e-2。
蓝牙的反向散射
图13A示出了根据本发明的一个实施例中蓝牙接收器离开标签时标签的通量。可以看出，接收器解码反向散射包达到12米。图13B示出了根据本发明的一个实施例中蓝牙接收器离开标签时标签的BER。图13C显示，在12米处，反向散射信号的强度接近-100dBm，接近本底噪声。因此，在更远的距离解码反向散射包变得很有挑战性。当接收器距离标签不到10米时，数据速率接近50kbps。通量在12米时下降到19kbps，BER增加到0.23。
传输器与标签之间距离的影响
为了测量这种效果，标签和传输器之间的距离被改变到一个点，在这个点上可以维持反向散射通信。图14显示了这个实验的结果。当反向散射802.11g/n信号时，在传输器到标签的距离为4米时，最大接收器到标签的距离为8米。这比当传输器到标签的距离为1米时可以实现的42米要小。减小接收器到标签之间的通信距离会使可实现的传输器到标签之间的距离略有增加。标签系统的操作机制如图14的210区域所示。
当使用无线个域网或蓝牙无线电时，传输器到标签的距离和接收器到标签的距离都变得更短。无线个域网和蓝牙无线电的最大传输距离分别为2米和1.5米，标签系统相应的运行状态分别记为220和230。这两种方案都比使用802.11g/n信号时要小，主要是因为无线个域网和蓝牙无线电的传输功率更小(5dBm和0dBm同15dBm比较)。
与WiFi网络共存
为了确定根据本发明实施例的标签是否可以与现有的WiFi网络共存，在笔记本电脑通过WiFi在信道6(2.437GHz)上传输文件中产生了WiFi流量。然后，在接近2.472-2.48GHz的频率(确切的频率取决于激励信号的类型)上运行反向散射。通过测量来确定在反向散射信道与WiFi信道不冲突的情况下，WiFi流量与反向向散射如何相互影响。
反向散射影响WiFi
图15显示了反向散射标签存在或不存在时的WiFi通量。当没有反向散射时，WiFi能够以接近37.4Mbps的中值数据速率传输。然后，将反向散射标签放置在距离WiFi接收器1m处，测量WiFi通量。标签依次运行三个码字编译器，一个用于反向散射802.11g/n WiFi，一个用于无线个域网，一个用于蓝牙。测量的WiFi通量中值分别为37Mbps、37.9Mbps和36.8Mbps，在不存在反向散射标签的情况下，接近WiFi通量。因此，反向散射标签不会对现有的WiFi流量造成干扰。
WiFi影响反向散射
为了确定并发WiFi流量是否影响反向散射解码，我们进行了以下实验。当标签在一个被WiFi流量占用的信道中反向散射它的数据时，反向散射通量下降到零，因为WiFi流量通常高于反向散射信号约30dB。因此，反向散射承受影响。因此，在现有WiFi流量与反向散射不共享信道的情况下进行了实验，从而了解在相邻信道存在WiFi流量的情况下，反向散射的表现。
图16(A)为以802.11g/n WiFi为激励信号，标签在信道13(2.472GHz)上反向散射，并且WiFi流量在信道6(2.437GHz)上运行时的反向散射通量。当没有WiFi流量时，可以实现61.8kbps的中值反向散射通量。当WiFi流量存在时，反向散射通量保持在61.8kbps。但是，可以看出，在没有WiFi流量的情况下，有20％的时间反向散射达到68kbps，而在有WiFi流量的情况下，有10％的时间反向散射下降到35kbps。因此，WiFi流量的存在影响了反向散射通量。为了尽量减少这种影响，类似于“Hitchhike：实用的后向散射使用日常WiFi”(“Hitchhike:Practical backscatter using commodity WiFi”)，Pengyu Zhang,DineshBharadia,Kiran Joshi和Sachin Katti合著，2016ACM SENSYS，中描述的技术，可与RTS-CTS一起使用，为反向散射预留信道。
图16(B)和16(c)分别显示了标签对无线个域网信号和蓝牙信号进行反向散射时的反向散射通量。在这两个实验中，标签在信道2.48GHz反向散射。由此可见，存在或不存在WiFi流量之间的反向散射通量差异仅在1-2kbps之间。因此，当使用无线个域网或蓝牙无线电时，现有的WiFi流量不会影响反向散射性能。原因之一是这两种无线电都是窄带的，因此在过滤带外干扰方面有更好的性能。
评估MAC层性能
研究了系统在与多标签通信时的性能。图17(a)是在传输器路径上分别放置4、8、12、16和20标签时的聚合通量。聚合通量低于单个标签的通量有两个原因：控制开销和冲突。随着标签数量的增加，聚合通量也会增加。这是因为当使用更多的传输槽时，控制开销的相对比例会降低。如果模拟超过20个标签，通量将逐渐接近于18kbps左右。如果没有碰撞(例如TDM方案)，模拟通量逐渐接近于40kbps左右。
Framed Slkotted Aloha非常适合于数据需求较低的应用，在这些应用中，活动标签的数量可以增加或减少而不发出警告，比如库存跟踪。根据本发明的实施例，可以在标签中实现分时方案，从而使更多的数据密集型应用受益。上面的分析仅限于单MAC层的设计。
图17(b)显示了Jain’s的公平指数，如“通量公平指数：解释”(“Throughputfairness index:An explanation”)，技术报告，俄亥俄州立大学CIS系，Raj Jain,ArjanDurresi和Gojko Babic合著，1999年，当4、8、12、16和20个标签存在时。当标签数量增加时，公平性指数几乎保持不变，因为当出现更多标签时，调度器动态地分配更多时隙。当出现20个标签时，平均公平指数为0.85，表明大多数标签仍然获得了类似的数据传输机会。
上述对本发明实施例的描述是说明性的，而不是限制性的。例如，本发明的各种实施例不受用于信号通信协议802.11g/n、蓝牙、无线个域网或其他用于信号传输方式的限制。其他修改和变更对本领域技术人员来说是显而易见的，并属于所附权利要求的范围。

Claims (20)

1.一种反向散射标签通信装置，包括：
接收器，其配置为接收符合定义多个码字的通信协议并且特征为第一频率的包；
码字编译器，其配置为响应于所述反向散射标签调用的要传输的数据，将置于所述包中的所述多个码字的至少第一子集中的每一个编译成所述协议所定义的所述多个码字的另一个；以及
传输器，其配置为传输由所述码字编译器以不同于所述第一频率的第二频率提供的包。
2.根据权利要求1所述的反向散射标签通信设备，其中，通过改变所述码字的相位来实现码字的编译。
3.根据权利要求2所述的反向散射标签通信设备，其中，所述通信协议是无线个域网或WiFi 802.11(g)或WiFi 802.11(n)通信协议中的一种。
4.根据权利要求1所述的反向散射标签通信设备，其中，通过改变所述码字的频率来实现码字的编译。
5.根据权利要求4所述的反向散射标签通信设备，其中，所述通信协议是蓝牙通信协议。
6.根据权利要求2所述的反向散射标签通信装置，其中，所述相位改变由所述传输器的数据速率定义。
7.根据权利要求1中所述的反向散射标签通信装置，其中，所述反向散射标签通信装置随机地在多个时隙中的一个时隙期间传输由所述码字编译器提供的所述包。
8.根据权利要求7所述的反向散射标签通信装置，其中，所述多个时隙的数量可变。
9.根据权利要求1所述的反向散射标签通信装置，其中，接收的所述包具有选自多个预定义值中的一个的持续时间。
10.根据权利要求9所述的反向散射标签通信装置，其中，所述反向散射标签通信装置进一步包括用于检测接收的所述包的持续时间的包络检测器。
11.一种通过反向散射标签进行通信的方法，所述方法包括：
接收符合定义多个码字的通信协议并且特征为第一频率的包；
响应于所述反向散射标签调用的要传输的数据，将置于所述包中的多个码字的至少第一子集中的每一个编译成所述协议所定义的所述多个码字的另一个；以及
传输由所述码字编译器以不同于所述第一频率的第二频率提供的包。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过改变所述码字的相位来实现码字的编译。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述通信协议是无线个域网或WiFi 802.11(g)或WiFi 802.11(n)通信协议中的一种。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括：
通过改变码字的频率来编译所述码字。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述通信协议是蓝牙通信协议。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述相位改变由传输所述包的传输器的数据速率定义。
17.根据权利要求1所述的方法，还包括：
随机地在多个时隙中的一个时隙期间传输已编译的所述包。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述多个时隙的数量可变。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，接收的所述包具有选自多个预定义值中的一个的持续时间。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述反向散射标签包括配置为用于检测接收的所述包的持续时间的包络检测器。
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