关键词：
反向散射通信
WiFi
QAM反向散射
低功耗
导频子载波
摘要：
近年来,随着智能物联网技术的快速发展,形式多样的智能传感设备被广泛地部署在各行各业。由于智能传感器受到设备尺寸和部署场景等多方面的制约,其电池容量有限并且充电机会匮乏,因此物联网技术对低功耗的无线传输有着十分迫切地需求。作为一种极具特色的无源通信解决方案,反向散射技术在当前备受研究者们关注。由于反向散射标签可以通过反射所处环境中的外部载波实现自身数据的传输,它不需要像主动式无线电设备装配能量消耗极高的高频载波发生器来进行无线通信。反向散射技术能够让物联网设备以微瓦级的超低功耗实现数据的无线传输,在智能物联网的普及发展实践中具有重大意义。
WiFi技术作为时下最主流的一种短距无线技术,其基础设施被广泛地部署于人们的日常生活环境中。因此WiFi与反向散射系统的结合意味着无源物联网设备能够尽可能地融入现有网络结构并且获得充分的数据传输机会,因而颇具吸引力。当前主流的基于WiFi信号的反向散射研究所采用的基本框架大多是由HitchHike所提出的码字转换技术。码字转换的关键在于反向散射标签在反射入射信号的同时将一个有效码字转换为另一个有效码字,从而实现将标签数据搭载到外部载波上。由于使用码字转换调制时,反射信号必须在有效码字间进行转换,WiFi反向散射标签的调制速率倍受制约。此外,由于标签数据的解析高度依赖充当载波的入射WiFi信号的内容,基于码字转换技术的WiFi反向散射系统或是需要定制化外部载波发生源(生成一段单频信号用于标签反射传输)、或是需要部署一个包含两台以上WiFi设备的复杂接收端(同时捕获入射信号和标签调制后的反向散射信号)以解析数据。以上两种WiFi反向散射结构均存在传输速率低下并且部署成本高昂的问题,在系统的泛用性方面存在严重缺陷,不利于反向散射技术的推广。
为了进一步提高反向散射系统的泛用性和系统吞吐量,本文通过对导频子载波的研究和充分利用提出了 PilotScatter。PilotScatter设计了一套与传统的基于码字转换的反向散射系统截然不同的调制解调方法,能支持16-QAM(Quadrature amplitude modulation)的高速率WiFi反向散射通信并且仅需单个WiFi接收机即可部署系统。因此,PilotScatter在提高了 WiFi反向散射系统传输速率的同时还降低了系统部署成本,十分有利于WiFi反向散射技术的推广。PilotScatter的设计主要包含了三个模块:
***反向散射标签设计:正交幅度调制是OFDM(Orthogonal frequency-divisionmultiplexing)系统中广泛应用的高速率调制技术,为了实现更高效的WiFi反向散射,反向散射标签必须要能够支持QAM调制。根据电磁波反射原理,信号在发生反射时,反射信号与标签的瞬时反射系数相关。传统的反向散射标签通常无法自由控制负载电路的阻抗,因此难以支持QAM等高速率调制。针对这一问题,PilotScatter提出了一种基于微带线阻抗匹配的反向散射标签设计。通过动态控制反向散射标签的反射系数能够实现对反射信号相位和幅度的双重控制从而能够支持QAM反向散射的实施。
2.基于导频的QAM反向散射调制解调方法:基于码字转换的反向散射系统仅支持最基础的调制速率以避免调制过程中产生无效码字而导致的调制失败,因此它无法支持高速率的反射传输。此外,这类系统在解析标签数据时需要参考入射信号的内容,因此或是需要使用专用设备生成单频音充当入射信号、或是需要在接收端部署复数台接收机,造成巨大的硬件开销浪费。为了提高传输速率并降低部署成本,PilotScatter基于对导频子载波的观察,提出了直接修改入射信号的导频子载波的相位和幅度来进行数据调制解调的新颖方法。此外,对于导频子载波上误差累计干扰的问题,PilotScatter的反向散射接收机进一步提出了使用差分解调算法对导频子载波进行处理,从而精确地解调标签数据。
3.载波数据恢复算法:传统的反向散射传输过程中,标签的调制过程对入射信号的影响是破坏性的。当使用环境WiFi信号充当入射信号时,被反向散射标签反射后的信号无法进行正常的WiFi传输。这导致反向散射通信占用了标准WiFi传输的宝贵带宽。针对这一问题,PilotScatter提出了一种载波数据恢复算法。该算法可以让PilotScatter的接收机在通过导频子载波解析反向散射数据后对数据子载波进行校准,从而恢复WiFi载波数据,实现单次反向散射通信中标签数据和载波WiFi数据的同时传输。
PilotScatter的新颖设计使本研究成为第一个可以支持16-QAM传输的高速率WiFi反向散射通信系统。此外,PilotScatter还可以在仅采用单个发射器和单个接收器的情况下进行部署,显著降低了部署成本。本文在室内外等
