网络通信后向散射系统的传输、组网与调度简介

后向散射系统的传输:

提升吞吐、通信质量和通信距离是后向散射传输要解决的核心问题。对于网络系统而言,吞吐量越大意味着这个系统单位时间内成功传输的数据越多,系统性能越好。影响吞吐量的因素有很多,例如信噪比、信道状态等。为了提高后向散射系统的吞吐量,可以从以下三方面入手:(1)选择传输特性较好的信道进行数据传输。(2)通过提高系统可容纳并发节点个数,达到提高吞吐量的目的,如通过多节点碰撞的信号在IQ图上呈现不同的簇特征,从而解码出不同的节点所发的信息,实现多节点并发。最近的工作聚焦碰撞信号簇特征不稳定以及碰撞信号状态难以区分等挑战。(3)借鉴频分复用的思想,如2019年在知名国际会议NSDI上提出的NetScatter系统和MOBICOM上提出的OFDMA系统,分别针对LoRa和Wi-Fi不同的信号特性,设计复用信道方式,进而采用有效的调制方式实现大量节点并发,极大提高了吞吐。

影响后向散射通信系统通信质量的因素是什么呢?后向散射通信系统的接收端会同时接收到载波源信号和反射后的信号,由于二者在同一频段,所以会形成自干扰,使接收端无法解码。另一个影响通信质量的因素是经过后向散射的信号大多存在谐波,谐波会分散掉信号的一部分能量,导致信号质量变差。

以上因素对于通信质量的影响会直接导致通信距离的降低。此外,造成通信距离降低的原因还有:(1)后向散射是一种散射机制,通过节点散射之后的信号本身就很弱;(2)自由空间损耗,随着距离的增加,信号变弱;(3)无线信号传输过程中,地表障碍物会对信号传播形成遮挡与多径效应,这进一步降低了信号传输质量。例如水泥墙对Wi-Fi信号造成的衰减可达10dBm-25dBm。

针对上述问题,目前提升通信质量和距离的主要方法有:

1. 调频。通过将反射信号的频率偏移到和载波源信号不同的频段消除自干扰。可以使用MOSFET开关器件和天线反射相结合的方式实现移频这样不用增加太多额外的器件,也不会引入太大的功耗。

2. 实现对抗干扰能力强的载波源信号(如商用LoRa信号)的调制与反射,同时保证通信系统信号的信噪比。例如FLORa借助chirp信号在低于背景噪声的情况下也可被检测的特性,在不改变商用LoRa信号特性的情况下,对入射信号进行频率调制。

后向散射系统组网与调度:

在多节点工作场景下,节点之间相互干扰,使系统无法有效运行,因而组网是后向散射系统应用必须解决的挑战。目前后向散射系统可支持256个节点组网形成单跳星型网络。

同时,后向散射系统的工作状态具有很大不稳定性,主要源于:(1)后向散射系统工作强烈依赖于外界射频源的激励,而激励信号常因人或物的扰动不稳定;(2)无源能量捕获的不稳定;(3)后向散射信号能量低,导致信噪比相对低。

对此,通过设计节点调度算法提升数据采集覆盖率和数据传输服务质量(Quality of Service,QoS)成为行之有效的解决手段。例如,DS-C通过设计节点调度算法有效提升了数据采集覆盖率。另一方面,也可以对射频能量供给节点(如充电桩等)进行调度设计,在保证后向散射网络全覆盖数据采集的基础上,实现射频能量供给节点能耗优化。针对不同的应用需求,除了保证数据传输成功率,研究者们还希望进行时延优化,保证后向散射网络自主、稳定、高效地完成数据传输任务,这对节点调度算法设计提出了新的要求和挑战。

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