CN116232443B - 基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统及方法，系统包括：至少一个反向散射标签、一个接收机和解调装置；其中，接收机采用单商用AP接收机；解调装置，与单商用AP接收机通信连接，能对单商用AP接收机接收的反向散射标签反向散射激励信号的反向散射数据进行处理，从反向散射数据中倒推出所有可能的标签数据和环境数据组合作为全部候选数据，再通过CRC校验全部候选数据得出包含反向散射标签数据和原始环境数据的唯一候选数据，从唯一候选数据中解调出标签数据。该系统通过单商用AP来实现环境反向散射通信，能更好的满足物联网超低功耗的通信需求。
Description
技术领域
本发明涉及物联网通信领域，尤其涉及一种基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统及方法。
背景技术
近年来，随着无线通信的发展，物联网的规模显著扩大。到2025年，预计物联网中无线连接的数目将超过270亿个，这意味着每个人平均将拥有接近4个物联网连接。如此多的设备和连接无疑会产生巨大的能量消耗。
环境反向散射系统是一个允许反向散射标签利用环境射频信号以超低功率实现通信的技术。反向散射标签是反向散射系统的核心设计。尽管环境反向散射系统和传统的射频识别技术都使用低功耗的无源标签，但环境反向散射系统中的标签能够利用环境中已有的无线信号进行通信，而传统的射频识别（Radio Frequency Identification， RFID）标签必须依赖特定的RFID读写器生成的特定信号。
除了标签之外，环境反向散射系统中还有两个核心组成部分，即激励信号和接收机，目前激励信号设想为已有的无线基础设施产生的标准无线信号。否则，如果需要辅助发射机来提供受控的激励源，那么这样的系统更像是另一种形式的RFID。相比之下，由WiFi、蓝牙、ZigBee、FM等信号激励的系统更符合期望，因为这些信号已经存在于平时的环境之中；接收机用于从反向散射数据中解调标签数据，期望这个接收机像商用接入点（AccessPoint, AP）一样成本低廉，且已广泛部署；否则，接收机成本越高，部署就越困难，难以在物联网应用中使用。
然而，即使是最先进的反向散射系统似乎也达不到对以上两个核心组成部分的期望。使用非受控标准无线信号为激励源的系统常常需要两个AP才能解调标签数据，即基于商用AP解调标签数据的系统使用码字翻译来调制解调标签数据，这些系统将环境信号视为码字的序列，标签通过向码字施加相移，将其转化成另一个码字，接收机通过比较反向散射码字和环境信号原始码字之间的差异来解调标签数据， 但这些系统存在一个缺点，即除了使用一个AP来接收反向散射外，还需要额外的AP来解调环境信号。尽管由于无线设备普遍部署，很容易找到两个接收机，但仍需要保证两个接收机是同步的，这增加了额外的硬件成本和同步开销。如果强制让这些系统只使用一个AP工作，那么他们需要一个辅助发射器来发送受控的信号（如全零数据包），在这种情况下，环境中其它已有的信号不能用于这些系统的反向散射通信，并不符合利用已有WiFi、蓝牙、ZigBee、FM等各种信号作为激励信号来实现环境反向散射系统的预期。
而如何利用发射器发送的非受控的信号，并且仅使用单商用AP来实现环境反向散射系统，以更低的成本更好地满足物联网超低功耗的通信需求是需要解决的问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供了一种基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统及方法，能使用现有的非受控信号和单个AP接收机实现反向散射通信，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统，其特征在于，包括：至少一个反向散射标签、一个接收机和解调装置；其中，
所述接收机采用单商用AP接收机；
所述解调装置，与所述单商用AP接收机通信连接，能对所述单商用AP接收机接收的所述反向散射标签反向散射激励信号的反向散射数据进行处理，从所述反向散射数据中倒推出所有可能的标签数据和环境数据组合作为全部候选数据，再通过CRC校验全部候选数据得出包含反向散射标签数据和原始环境数据的唯一候选数据，从唯一候选数据中解调出标签数据。
一种基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射方法，采用本发明所述的基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统，包括以下步骤：
所述系统的解调装置对所述系统的单商用AP接收机接收的所述反向散射标签反向散射激励信号的反向散射数据进行处理，从所述反向散射数据中倒推出所有可能的标签数据和环境数据组合作为全部候选数据；
通过CRC校验全部候选数据得出包含反向散射标签数据和原始环境数据的唯一候选数据，从唯一候选数据中解调出标签数据。
与现有技术相比，本发明所提供的基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统及方法，其有益效果包括：
通过仅设置单商用AP接收机，利用环境的非受控信号作为激励信号，通过解调装置按从反向散射数据倒推出所有可能的全部候选数据，再通过CRC校验全部候选数据得出唯一候选数据，再从唯一候选数据中解调出标签数据，实现了利用单商用AP接收机实现反向散射通信。只使用未经修改的单商用接收机的特点降低了系统的硬件部署成本和软件开销，因此能更好地满足物联网超低功耗的通信需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统的构成示意图。
图2为本发明实施例提供的基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射方法的流程示意图。
图3为本发明实施例提供的基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射方法的具体流程图。
图4为本发明实施例2提供的基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统的不同距离下标签数据吞吐率示意图。
图5为本发明实施例2提供的基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统的不同距离下标签数据解调的准确率示意图。
具体实施方式
下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素（如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等），应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。
术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。
下面对本发明所提供的基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统，包括：至少一个反向散射标签和接收机，所述接收机采用单商用AP接收机；
还包括：解调装置，与所述单商用AP接收机通信连接，能对所述单商用AP接收机接收的所述反向散射标签反向散射激励信号的反向散射数据进行处理，从所述反向散射数据中倒推出所有可能的标签数据和环境数据组合作为全部候选数据，再通过CRC校验全部候选数据得出包含反向散射标签数据和原始环境数据的唯一候选数据，从唯一候选数据中解调出标签数据。
上述系统中，所述解调装置包括：倒推候选数据模块、校验候选数据模块和解码模块；其中，
所述倒推候选数据模块，与所述单商用AP接收机通信连接，能从所述单商用AP接收机接收的所述反向散射标签反向散射激励信号的反向散射数据中倒推出所有可能的标签数据和环境数据组合作为全部候选数据；
所述校验候选数据模块，与所述倒推候选数据模块通信连接，能对所述倒推候选数据模块倒推出的全部候选数据进行校验，通过CRC校验得出包含反向散射标签数据和原始环境数据的唯一候选数据；
所述解码模块，与所述校验候选数据模块通信连接，能对所述校验候选数据模块得出的唯一候选数据进行解码得出所述反向散射标签对应的标签数据。
上述系统中，所述倒推候选数据模块按以下方式从所述单商用AP接收机接收的所述反向散射标签反向散射激励信号的反向散射数据中倒推出所有可能的标签数据和环境数据组合作为全部候选数据，包括：
在长标签数据序列的倒推中使用长序列剪枝。
上述系统中，所述校验候选数据模块按以下方式对所述倒推候选数据模块倒推出的全部候选数据进行校验，通过CRC校验得出包含反向散射标签数据和原始环境数据的唯一候选数据，包括：
对全部候选数据中的每一个候选数据，使用802.11中协议约定的参数来计算CRC，根据计算得出的CRC对对应的候选数据进行CRC校验，若CRC校验正确的候选数据为唯一的候选数据，则该候选数据作为正确的标签数据；
所述CRC为在标签数据调制中对CRC字段施加0°的相移形成的使反向散射数据中的CRC为环境数据的原始CRC。
上述系统中，若所述校验候选数据模块校验正确的候选数据为多个，再通过对校验正确的每个候选数据末尾的奇偶校验位进行进一步校验，得出校验正确的唯一候选数据作为正确的标签数据。其中，奇偶校验位是标签数据中可选的一个数据位。如果选择启用，奇偶校验位则成为反向散射数据的一部分，在反向散射调制时由反向散射标签加入的。
上述系统中，标签数据由反向散射标签调制。调制时，对激励信号中的码字施加0°相移表示调制标签数据0，施加180°相移表示调制标签数据1。为保留环境数据的CRC，标签对CRC对应的码元调制0，即施加0°相移。
如图2、图3所示，本发明实施例还提供一种基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射方法，采用上述的基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统，包括以下步骤：
所述系统的解调装置对所述系统的单商用AP接收机接收的所述反向散射标签反向散射激励信号的反向散射数据进行处理，从所述反向散射数据中倒推出所有可能的标签数据和环境数据组合作为全部候选数据；
通过CRC校验全部候选数据得出包含反向散射标签数据和原始环境数据的唯一候选数据，从唯一候选数据中解调出标签数据。
上述方法中，通过所述解调装置的倒推候选数据模块从所述单商用AP接收机接收的所述反向散射标签反向散射激励信号的反向散射数据中倒推出所有可能的标签数据和环境数据组合作为全部候选数据；
通过所述解调装置的校验候选数据模块对所述倒推候选数据模块倒推出的全部候选数据进行校验，通过校验得出包含反向散射标签数据和原始环境数据的唯一候选数据；
通过所述解调装置的解码模块对所述校验候选数据模块得出的唯一候选数据进行解码得出所述反向散射标签对应的标签数据。
上述方法中，通过所述倒推候选数据模块按以下方式从所述单商用AP接收机接收的所述反向散射标签反向散射激励信号的反向散射数据中倒推出所有可能的标签数据和环境数据组合作为全部候选数据，包括：
在长标签数据序列的倒推中使用长序列剪枝。
上述方法中，通过所述校验候选数据模块按以下方式对所述倒推候选数据模块倒推出的全部候选数据进行校验，通过校验得出包含反向散射标签数据和原始环境数据的唯一候选数据，包括：
在标签数据调制中对CRC字段施加0°的相移，使反向散射数据中的CRC为环境数据的原始CRC；
对全部候选数据中的每一个候选数据，使用802.11中协议约定的参数来计算CRC，根据计算得出的CRC对对应的候选数据进行校验，若校验正确的候选数据为唯一的候选数据，则该候选数据作为正确的标签数据。
上述方法中，若所述校验候选数据模块校验正确的候选数据为多个，再通过对校验正确的每个候选数据末尾的奇偶校验位进行进一步校验，得出校验正确的唯一候选数据作为正确的标签数据。
本发明的核心思想是试图找到所有码字转化可能性（即标签数据调制的可能性），而不是直接获取某一确定的转化（即特定的标签数据）。通过枚举标签数据的每一个比特，可以很容易地获得所有可能的标签数据。进一步地，通过可能的标签数据和接收的反向散射数据来倒推原始数据，然后判断原始环境数据是否正确。此方法最大的优势便是可以使用一个商用的接收端轻易完成，并且无需修改其固件或接口。如果原始环境数据校验通过，那此环境数据对应的标签数据即为解码结果。
综上可见，本发明实施例的系统及方法，通过仅设置单商用AP接收机，利用环境的非受控信号作为激励信号，通过解调装置按从反向散射数据倒推出所有可能的全部候选数据，再通过CRC校验全部候选数据得出唯一候选数据，再从唯一候选数据中解调出标签数据，实现了利用单商用AP接收机实现反向散射通信。只使用未经修改的单商用接收机的特点降低了系统的硬件部署成本和软件开销，因此能更好地满足物联网超低功耗的通信需求。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统及方法进行详细描述。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供一种基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统，能使用环境中非受控的OFDM WiFi信号实现反向散射通信，并且使用单个商用AP设备作为接收机来解调标签数据。该系统包括：
至少一个反向散射标签2、一个单个商用AP接收机1和解调装置3；其中，
反向散射标签反向散射作为激励信号的环境的非受控的OFDM WiFi信号形成携带标签数据的反向散射数据；所述的激励信号由环境WiFi基础设施4提供；
单个商用AP接收机接收反向散射标签反向散射的反向散射数据；
解调装置与单个商用AP接收机通信连接，能对所述单商用AP接收机接收的所述反向散射标签反向散射激励信号的反向散射数据进行处理，从所述反向散射数据中倒推出所有可能的标签数据和环境数据组合作为全部候选数据，再通过CRC校验全部候选数据得出包含反向散射标签数据和原始环境数据的唯一候选数据，从唯一候选数据中解调出标签数据。
本实施例系统中，所述解调装置包括：倒推候选数据模块、校验候选数据模块和解码模块；其中，
所述倒推候选数据模块，与所述单商用AP接收机通信连接，能从所述单商用AP接收机接收的所述反向散射标签反向散射激励信号的反向散射数据中倒推出所有可能的标签数据和环境数据组合作为全部候选数据；
所述校验候选数据模块，与所述倒推候选数据模块通信连接，能对所述倒推候选数据模块倒推出的全部候选数据进行校验，通过CRC校验得出包含反向散射标签数据和原始环境数据的唯一候选数据；
所述解码模块，与所述校验候选数据模块通信连接，能对所述校验候选数据模块得出的唯一候选数据进行解码得出所述反向散射标签对应的标签数据。
本实施例系统中，所述倒推候选数据模块按以下方式从所述单商用AP接收机接收的所述反向散射标签反向散射激励信号的反向散射数据中倒推出所有可能的标签数据和环境数据组合作为全部候选数据，包括：
在长标签数据序列的倒推中使用长序列剪枝。
本实施例系统中，所述校验候选数据模块按以下方式对所述倒推候选数据模块倒推出的全部候选数据进行校验，通过CRC校验得出包含反向散射标签数据和原始环境数据的唯一候选数据，包括：
对全部候选数据中的每一个候选数据，使用802.11中协议约定的参数来计算CRC，根据计算得出的CRC对对应的候选数据进行CRC校验，若CRC校验正确的候选数据为唯一的候选数据，则该候选数据作为正确的标签数据；
所述CRC为在标签数据调制中对CRC字段施加0°的相移形成的使反向散射数据中的CRC为环境数据的原始CRC。
本实施例系统中，若所述校验候选数据模块校验正确的候选数据为多个，再通过对校验正确的每个候选数据末尾的奇偶校验位进行进一步校验，得出校验正确的唯一候选数据作为正确的标签数据。
实施例2
参见图2、图3，本发明实施例提供一种基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射方法，利用如实施例1所述的系统，其使用单AP的解码方法包含以下两个基本步骤：
1）倒推候选数据：从反向散射数据中，倒推所有可能的标签数据和环境数据组合。具体地，通过枚举所有可能的标签数据；然后，对于每个标签数据，从反向散射数据中移除标签的调制，从而倒推原始环境数据；每一个倒推结果，都是一个候选数据；
2）校验候选数据：根据WiFi协议，环境数据包含循环冗余校验（CyclicRedundancy Check， CRC），利用CRC来校验候选数据是否正确，经过校验，会得到唯一候选数据，其中包含反向散射标签数据和原始环境数据。
与此同时，WiFi中二进制卷积纠错码（Binary Convolutional Code， BCC）会干扰由反向散射数据和标签数据倒推原始环境数据。因此本发明利用BCC纠错码的特点设计解调标签数据的方法。
上述方法中，各步骤的具体方式如下：
（1）倒推候选数据：
由反向散射数据和标签数据倒推候选数据的一个直观方法是，重新执行一次标签数据调制，但施加相反的相位旋转，再枚举所有的标签数据后就可以倒推所有的候选数据，但由于BCC会造成干扰，因此首先初步倒推，然后结合BCC的特征对倒推结果进行修正。
(11)初步倒推：
标签数据调制实际上改变了码字的相位，因此，码字中的所有子载波都遭受相同的相位旋转。每个子载波都映射到特定的数据上。在反向散射数据中，相移将改变码字中子载波解映射的值。如在BPSK和QPSK中，0°的相移保持子载波的值不变，而180°的相移将子载波的值完全翻转。如果对原始的码字和反向散射码字使用异或操作，则受到0°相移的码字异或结果将为全0，而受到180°相移的码字异或结果将为全1。根据这一特点，如果翻转或保留一个码字中所有解映射的比特，就能倒推原始码字。
值得注意的是，解映射的结果并不是最终的反向散射数据。在将解映射结果转化为反向散射数据的过程中，发现BCC解码会使反向散射数据不符合进一步变化。BCC是一种在OFDM WiFi中强制使用的纠错码。标签数据的调制可以被认为是解映射数据中的“错误”。因此，在BCC解码之后，部分“错误”被“纠正”。在BCC解码前，每个码字的异或结果为全1或全0，而在解码后，异或结果就不再具备这个特点，且只观察解码后的数据并不能得知哪些比特被纠正了。因此，接下来考虑BCC解码的影响。
(12)BCC解码的影响：
通过对BCC解码的研究，得知当解码的输入被翻转时，输出总体也会被翻转，只有少数几个比特例外。这是因为BCC具有纠错功能，输入翻转被视为一种错误，输出结果中没有被翻转的比特就是纠错的结果。其次，发现BCC的纠错模式是固定的。知道BCC解码所用到的Viterbi算法是一个确定性的算法，当输入确定时输出也是确定的。发现BCC解码的纠错总是符合几种特定的模式，因为只有这几种模式符合Viterbi算法的输入和输出。因此，可以使用这些纠错模式预测哪些输出比特被纠正。
发现对于任意的编码速率，编码模式可能不一样，但模式的总数仍是有限的。当把回溯深度设置为50时，如果用R表示速率，发现的模式有5个，/>的模式有1个，的模式有2个。
(12)倒推剪枝：
将观察到的性质用于倒推剪枝。
(13)使用BCC解码模式：
使用BCC解码模式剪枝。上述研究的性质主要是基于硬判决解码器，其接收二进制的输入，但商用的WiFi接收机使用软判决解码器，其接收0到1之间的输入。使用商用网卡检验软判决解码器解码编码速率的反向散射数据，校验软判决解码器是否具有相似的规律。结果显示，得到了很多模式，但大部分码字中只出现少数模式。特别地，发现有7种模式的出现频率超过1%，这7种模式的码字占所有码字的97.78%。这有利于使用这些模式来翻转环境数据。
使用少数的几个BCC解码模式来预测BCC解码结果，以替代简单的N比特枚举。如此，本发明极大地减少了倒推数据的数量和解码的时间复杂度。为确保不错过真实的数据，应该尽可能多的考虑所有模式，但有些模式的频率极低，如果每次都考虑所有模式，复杂度仍然很高。因此，可以放弃其中一些模式来换取更低的复杂度。此外，由于在硬判决解码器中观察到的模式数量远少于软判决解码器，因此如果可行，可以通过修改接收机的配置，令其使用硬判决解码器，以获得更低的复杂度。
(14)长序列剪枝：
发明人同时发现，并不是所有码字都受BCC纠错的影响，这种影响只发生在与之前码字具有不同标签数据的码字上。例如，码字i-1的标签数据为0，但码字i的标签数据为1，则码字i受BCC纠错影响。然而，如果码字i-1和码字i的标签数据都是1，则码字i不受影响。因此，在长标签数据序列的倒推中使用剪枝。只考虑与之前的码字具有不同标签数据的码字中的比特变化，而不是所有码字的比特变化。即，如果码字i和码字i-1的数据不同，则考虑码字数据和BCC纠错影响倒推原始码字；反之如果数据相同，则只考虑码字数据而不考虑BCC纠错影响倒推原始码字。由于倒推的复杂度主要来自于BCC纠错影响，该方法减少原始码字的可能，因此实现降低复杂度，达到剪枝的效果。
(15)复杂度分析：
如果使用q个模式，每个码字将有q种可能。对于一个l比特的标签数据序列，倒推的复杂度为。长序列剪枝平均能将复杂度减半，即为/>。枚举标签数据的复杂度/>是不可避免的。于是，长序列剪枝将复杂度从/>降为。
（2）校验候选数据：
当一个商用WiFi接收机收到一个数据包时，接收机使用CRC校验来检查接收数据包是否存在比特错误。受此启发，使用环境数据的CRC校验来校验候选数据。首先，在标签数据调制中对CRC字段施加0°的相移，确保反向散射数据中的CRC为环境数据的原始CRC。然后再倒推候选数据。对每一个候选数据，使用802.11中约定的参数来计算CRC，从而进行校验。
由于CRC校验具有碰撞的可能，CRC碰撞，使多个标签数据对应的候选数据可能通过校验，此时无法判断哪一个才是正确的标签数据。如果真的解调出了多个标签数据，可以增加其它校验方法，如在标签数据末尾添加一个奇偶校验位，以在多个CRC校验通过的标签数据中进一步校验。好在CRC冲突的概率极低。对于一个给定的32位CRC，一个随机序列能够通过CRC校验的概率仅为2-32。在实际应用中，并不需要因如此低的碰撞概率而增加额外校验措施。
实施例3
本实施例提供一种基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统，该系统中反向散射标签使用一个包络检测器AD8313和高速比较器TLV3501进行低功耗数据包检测，使用射频开关ADG902反向散射数据，此射频开关由Xilinx ZYNQFPGA EBAZ4205控制。
WiFi接收机使用一个商用网卡或一个软件无线电（Software-Defined Radio,SDR）实现反向散射数据接收和标签数据解调。商用网卡使用Atheros AR938x网卡，并将其装配到一个戴尔笔记本中，无需修改固件，商用网卡使用软判决BCC解码器，使用频率大于1%的7种模式解码；使用Omnipeek软件进行数据包接收，SDR使用Xilinx Zedboard ZYNQ7000 和射频前端AD-FMCOMMS3，调整其信号处理过程，令其在解调反向散射数据时使用硬判决BCC解码器，使用5种模式解码。在不同距离下得到的结果如图4、图5所示。
图4展示了不同距离下标签数据吞吐率。可见SDR实现(即本发明系统实现)的吞吐率比商用网卡实现略高。SDR实现最高能达到5.90kbps的吞吐率，高于商用网卡的5.62kbps。这是因为相比于硬判决解码器，软判决解码器对标签数据解调的干扰更大，因为软判决解码器在BCC解码中纠错能力更强。当距离增加时，系统的吞吐率降低。当距离从0.1米升高到1米时吞吐率快速降低，但从1米到8米时缓慢降低，并保持在1 kbps之上。
图5展示了不同距离下标签数据解调的准确率。使用作为本发明系统的SDR实现和商用网卡实现时，解调准确率最高能达到96.0%和91.53%。当距离增加时，解调准确率降低。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random Access Memory，RAM）等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统，其特征在于，包括：至少一个反向散射标签、一个接收机和解调装置；其中，
所述接收机采用单商用AP接收机；
所述解调装置，与所述单商用AP接收机通信连接，能对所述单商用AP接收机接收的所述反向散射标签反向散射激励信号的反向散射数据进行处理，从所述反向散射数据中倒推出所有可能的标签数据和环境数据组合作为全部候选数据，再通过CRC校验全部候选数据得出包含反向散射标签数据和原始环境数据的唯一候选数据，从唯一候选数据中解调出标签数据；其中，从所述反向散射数据中倒推出所有可能的标签数据和环境数据组合作为全部候选数据是：重新执行一次标签数据调制，但施加相反的相位旋转，再枚举所有的标签数据后倒推所有的候选数据，然后结合BCC的特征对倒推结果进行修正。
2.根据权利要求1所述的基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统，其特征在于，所述解调装置包括：倒推候选数据模块、校验候选数据模块和解码模块；其中，
所述倒推候选数据模块，与所述单商用AP接收机通信连接，能从所述单商用AP接收机接收的所述反向散射标签反向散射激励信号的反向散射数据中倒推出所有可能的标签数据和环境数据组合作为全部候选数据；
所述校验候选数据模块，与所述倒推候选数据模块通信连接，能对所述倒推候选数据模块倒推出的全部候选数据进行校验，通过CRC校验得出包含反向散射标签数据和原始环境数据的唯一候选数据；
所述解码模块，与所述校验候选数据模块通信连接，能对所述校验候选数据模块得出的唯一候选数据进行解码得出所述反向散射标签对应的标签数据。
3.根据权利要求2所述的基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统，其特征在于，所述倒推候选数据模块按以下方式从所述单商用AP接收机接收的所述反向散射标签反向散射激励信号的反向散射数据中倒推出所有可能的标签数据和环境数据组合作为全部候选数据，包括：
在长标签数据序列的倒推中使用长序列剪枝。
4.根据权利要求2所述的基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统，其特征在于，所述校验候选数据模块按以下方式对所述倒推候选数据模块倒推出的全部候选数据进行校验，通过CRC校验得出包含反向散射标签数据和原始环境数据的唯一候选数据，包括：
对全部候选数据中的每一个候选数据，使用802.11中协议约定的参数来计算CRC，根据计算得出的CRC对对应的候选数据进行CRC校验，若CRC校验正确的候选数据为唯一的候选数据，则该候选数据作为正确的标签数据；
所述CRC为在标签数据调制中对CRC字段施加0°的相移形成的使反向散射数据中的CRC为环境数据的原始CRC。
5.根据权利要求4所述的基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统，其特征在于，若所述校验候选数据模块校验正确的候选数据为多个，再通过对校验正确的每个候选数据末尾的奇偶校验位进行进一步校验，得出校验正确的唯一候选数据作为正确的标签数据。
6.一种基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射系统，包括以下步骤：
所述系统的解调装置对所述系统的单商用AP接收机接收的所述反向散射标签反向散射激励信号的反向散射数据进行处理，从所述反向散射数据中倒推出所有可能的标签数据和环境数据组合作为全部候选数据，具体是：重新执行一次标签数据调制，但施加相反的相位旋转，再枚举所有的标签数据后倒推所有的候选数据，然后结合BCC的特征对倒推结果进行修正；
通过CRC校验全部候选数据得出包含反向散射标签数据和原始环境数据的唯一候选数据，从唯一候选数据中解调出标签数据。
7.根据权利要求6所述的基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射方法，其特征在于，通过所述解调装置的倒推候选数据模块从所述单商用AP接收机接收的所述反向散射标签反向散射激励信号的反向散射数据中倒推出所有可能的标签数据和环境数据组合作为全部候选数据；
通过所述解调装置的校验候选数据模块对所述倒推候选数据模块倒推出的全部候选数据进行校验，通过校验得出包含反向散射标签数据和原始环境数据的唯一候选数据；
通过所述解调装置的解码模块对所述校验候选数据模块得出的唯一候选数据进行解码得出所述反向散射标签对应的标签数据。
8.根据权利要求7所述的基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射方法，其特征在于，通过所述倒推候选数据模块按以下方式从所述单商用AP接收机接收的所述反向散射标签反向散射激励信号的反向散射数据中倒推出所有可能的标签数据和环境数据组合作为全部候选数据，包括：
在长标签数据序列的倒推中使用长序列剪枝。
9.根据权利要求7-8任一项所述的基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射方法，其特征在于，通过所述校验候选数据模块按以下方式对所述倒推候选数据模块倒推出的全部候选数据进行校验，通过校验得出包含反向散射标签数据和原始环境数据的唯一候选数据，包括：
在标签数据调制中对CRC字段施加0°的相移，使反向散射数据中的CRC为环境数据的原始CRC；
对全部候选数据中的每一个候选数据，使用802.11中协议约定的参数来计算CRC，根据计算得出的CRC对对应的候选数据进行校验，若校验正确的候选数据为唯一的候选数据，则该候选数据作为正确的标签数据。
10.根据权利要求9所述的基于单商用AP接收机的环境WiFi反向散射方法，其特征在于，若所述校验候选数据模块校验正确的候选数据为多个，再通过对校验正确的每个候选数据末尾的奇偶校验位进行进一步校验，得出校验正确的唯一候选数据作为正确的标签数据。
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104348578A (zh) * | 2013-08-02 | 2015-02-11 | 腾讯科技（深圳）有限公司 | 数据处理的方法及装置 |
| CN106921415A (zh) * | 2017-03-09 | 2017-07-04 | 电子科技大学 | 一种用于环境反向散射通信系统的信号接收方法 |
| CN109218240A (zh) * | 2018-10-22 | 2019-01-15 | 清华大学 | 一种环境反向散射通信系统中的信号发送与检测方法 |
| CN109495412A (zh) * | 2019-01-14 | 2019-03-19 | 电子科技大学 | 基于mpsk载波的反向散射通信系统接收机设计方法 |
| US10251159B1 (en) * | 2014-07-30 | 2019-04-02 | X Development Llc | Remote storage over backscatter radio |
| CN113395224A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-09-14 | 中国信息通信研究院 | 一种反向散射通信方法、装置和系统 |
| CN114861670A (zh) * | 2022-07-07 | 2022-08-05 | 浙江一山智慧医疗研究有限公司 | 基于已知标签学习未知标签的实体识别方法、装置及应用 |
| CN115499106A (zh) * | 2022-11-21 | 2022-12-20 | 中国科学技术大学 | 基于码字转换WiFi反向散射系统的标签数据译码方法 |
| CN115834315A (zh) * | 2022-11-02 | 2023-03-21 | 北京理工大学 | 高速ofdm子载波环境反向散射通信方法及系统 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8313025B2 (en) * | 2003-12-18 | 2012-11-20 | Altierre Corporation | Wireless display tag (WDT) using active and backscatter transceivers |
| US10338205B2 (en) * | 2016-08-12 | 2019-07-02 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Backscatter communication among commodity WiFi radios |
| US11483836B2 (en) * | 2016-10-25 | 2022-10-25 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Backscattering ambient ism band signals |
| US10997488B2 (en) * | 2019-04-19 | 2021-05-04 | Nec Corporation | Crowded RFID reading |
| WO2021163480A1 (en) * | 2020-02-14 | 2021-08-19 | The Regents Of The University Of California | Low power wi-fi backscatter communication |
| WO2021231627A1 (en) * | 2020-05-14 | 2021-11-18 | Jeeva Wireless Inc. | Duplex long range backscatter wireless communication systems and methods |
| US20230115786A1 (en) * | 2021-10-12 | 2023-04-13 | Ali Abedi | METHOD AND SYSTEM FOR LONG RANGE Wi-Fi BACKSCATTER COMMUNICATION |
-
2023
- 2023-05-09 CN CN202310513360.0A patent/CN116232443B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104348578A (zh) * | 2013-08-02 | 2015-02-11 | 腾讯科技（深圳）有限公司 | 数据处理的方法及装置 |
| US10251159B1 (en) * | 2014-07-30 | 2019-04-02 | X Development Llc | Remote storage over backscatter radio |
| CN106921415A (zh) * | 2017-03-09 | 2017-07-04 | 电子科技大学 | 一种用于环境反向散射通信系统的信号接收方法 |
| CN109218240A (zh) * | 2018-10-22 | 2019-01-15 | 清华大学 | 一种环境反向散射通信系统中的信号发送与检测方法 |
| CN109495412A (zh) * | 2019-01-14 | 2019-03-19 | 电子科技大学 | 基于mpsk载波的反向散射通信系统接收机设计方法 |
| CN113395224A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-09-14 | 中国信息通信研究院 | 一种反向散射通信方法、装置和系统 |
| CN114861670A (zh) * | 2022-07-07 | 2022-08-05 | 浙江一山智慧医疗研究有限公司 | 基于已知标签学习未知标签的实体识别方法、装置及应用 |
| CN115834315A (zh) * | 2022-11-02 | 2023-03-21 | 北京理工大学 | 高速ofdm子载波环境反向散射通信方法及系统 |
| CN115499106A (zh) * | 2022-11-21 | 2022-12-20 | 中国科学技术大学 | 基于码字转换WiFi反向散射系统的标签数据译码方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Jin Mitsugi等.Perfectly Synchronized Streaming from Digitally Modulated Multiple Backscatter Sensor Tags.《2018 IEEE International Conference on RFID Technology & Application (RFID-TA)》.2018,全文. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116232443A (zh) | 2023-06-06 |
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