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环境反向散射:用于射频装置的网络连通性研究
摘要——射频设备是一种仅仅使用从射频信号中获取的能量来进行计算操作和传递信息的小型装置。虽然目前的技术可以实现从周围的射频装置中获取能量（例如电视广播），但是他们也需要一个专用网关（例如射频识别读取器）来进行网络互联。
我们提出了环境反向散射这一概念：一种连接射频设备和互联网的新型通信系统。特别的，我们展示出重复使用现存的WIFI基础设施来为射频装置提供网络互连是可能的。为了展示环境反向散射的可行性，我们建立了一个硬件模型，并且展示了射频设备和商用WIFI设备之间的第一个通信链路。我们使用现成的WIFI设备，包括英特尔无线卡，Linksys路由器和我们组织的无线基础设施等，通信速率可达1kbps,范围可达2.1m。我们相信这项新的技术能够为射频设备的快速部署和采用铺平道路，并且通过附近支持WIFI的移动设备实现无处不在的连接。
类别和主题描述符——C.2.1[网络体系结构和设计]:无线通信
关键字——反向散射，物联网，能量获取，无线
1.介绍
通过从外界的射频信号（包括电视，移动网络和WIFI传输网络）中获取能量来执行低端的计算，传感和近距离通信正变得越来越可行。这项技术很吸引人，因为它可以以低廉的价格嵌入到日用品中，来帮助实现物联网的普遍愿景：当物体在附近时，他们可以相互操作和交流，而不需要插上电源或维护电池。然而，在现有的技术下，这种基于射频的物联网缺乏将射频设备接入互联网这种核心组件。使用传统的无线电通信来实现这种连接是具有挑战性的，因为它消耗的能量比环境中可用的能量多出几个数量级。环境反向散射这样的通信技术使这些设备能够彼此通信，但是它们创建了一个与internet断开连接的隔离网络。一个幼稚的解决方案是开发部署专用的基础电源设备，沿着RFID阅读器的路线，这样可以连接两个网络。但是部署新的基础设施增加了成本，更重要的是，他降低了射频系统的关键价值取向：一种不需要专用的能源基础设施就可以运转的0能力。
图1—wifi反向散射高电平
图1中显示了一个wifi反向散射标签（一个射频装置）与支持wifi的移动设备进行的通信。在上行链路上，wifi反向散射标签通过调节从wifi设备上接收的CSI和RSSI测量值来传递信息。在下行链路上，wifi设备通过对wifi数据包的存在或者静默进行编码来传递信息，wifi反向散射标签通过低功耗的wifi包检测电路解码此信息。
在本文中，我们探讨是否有可能重新利用现有的基础设施，将这些设备连接到互联网。特别的，我们力求设计可以与商用WIFI设备进行直接通信的射频装置。通过将这些装置与现有的移动电话和wifi APS相连接, 将会为简单快速的部署射频驱动的物联网铺平道路。它还将从一个新的方向扩大wifi网络的功能：将现有的wifi客户端和一个全新类别的无源设备连接起来。
然而，实现这种功能是具有挑战性的，因为传统的低功耗wifi收发器所需要的能量比从周围环境中的射频信号所能够获取的能量还要多。因此从字面上讲这种射频装置属于不可行的无线网络协议。
除此之外，因为现有的wifi设备是专门为接收wifi信号而设计的，他们并不清楚如何将从射频设备接收到的信号进行译码。
我们提出了环境反向散射这一概念，一种可以使射频装置和现有的wifi设备进行通信的新型通信系统。通过对wifi频道进行调制，wifi反向散射标签可以与wifi设备进行通信。因为包括CSI和RSSI在内的信道信息广泛存在于普通的wifi设备上，wifi接收器可以通过测量信道的改变来提取调制信息。为了更加详细的理解这一点。在图1中有着wifi反向散射标签和支持wifi的移动设备。Wifi反向散射标签通过调制移动设备所用的信道进行通信。具体地说，当它反射或吸收移动设备所接收的数据包时，它就传递一个lsquo;1rsquo;位或一个lsquo;0rsquo;位。反射的信号改变了每个数据包的CSI和RSSI测量值，这些测量值可以用于移动设备对来自标签的信息进行译码。
我们还支持下行通信到反向散射标签。虽然移动设备可以直接向标签发送wifi数据包，但是标签无法解码wifi传输。wifi反向散射依赖于低功耗的电路设计，这种设计可以检测与wifi数据包相对应的电路能量。具体地说，如图所示，移动设备发送了一个wifi数据包模式——wifi数据包的存在（不存在）编码了lsquo;1rsquo;，lsquo;0rsquo;位。Wifi反向散射标签通过使用低功耗能量检测电路来对这些信息进行解码，以区分是否存在wifi数据包。我们进一步发展了上述想法，设计了wifi反向散射，使其在网络中存在多个wifi设备的情况下工作。
为了证明我们设计的可能性，我们构建了原型设备，这些设备经过优化后可以在覆盖整个2.4GHz wifi频段的频率上反向散射和获取wifi信号。我们在各种场景中评估我们的原型，使用的是普通的wifi设备，包括英特尔wifi卡和我们日常生活中的wifi基础设施。我们使用在商品wifi上广泛可用的RSSI信息。我们还使用intel CSI toolkit提取更细粒度的CSI信息。我们的结果如下：
1：Wi-Fi设备可分别利用CSI和RSSI信息，在65cm和30cm范围内对上行链路上的信息进行可靠解码。这是在100 bps到1 kbps之间的比特率下实现的。通过在Wi-Fi设备上进行编码，上行距离可以增加到2.1米以上。
2：上行链路只能使用周围的无线网络来传输。具体来说，wifi设备可以使用从我们组织中AP传输的所有数据包中提取的RSSI信息，根据网络负载实现:100bps到200bps之间的上行比特率。
3：原型可以检测短达50us（也就是说传输1比特需要50us）的wifi数据包在至多2.2m的范围内。这意味着下行链路的比特率为20kbps。通过将比特率降低到5kbps，下行范围可以进一步扩展到大约3m。
归纳起来，我们做出了如下贡献：
1：我们引入了一种新的通信系统，通过现有的wifi基础设施将射频设备（标签）连接到internet。
2：我们设计了一个上行通信信道，通过调制wifi通道信息（包括CSI和RSSI），允许wifi反向散射标签向wifi设备传输信息。
3：我们设计了下行通信信道，wifi设备在存在或不存在wifi数据包时对信息进行编码，wifi反向散射标签使用低功耗电路检测wifi数据包并解码这些信息。
4：最后，我们构建了wifi反向散射的硬件原型，并演示了wifi反向散射标签和普通wifi设备之间的第一个通信链路。
虽然本文所演示的比特率并不高，但我们认为，在射频驱动的设备和现有wifi基础设施之间以较低的速率进行通信是一种很重要的能力，这对于射频驱动的物联网的商业采用将是至关重要的。
2：环境反向散射概述
Wifi反向散射是一种新型的通信系统，可使射频设备直接与普通wifi设备进行通信。正如图2所示的，环境反向散射含有三个主要角色：一个wifi阅读器，一个wifi助手和一个支持射频的环境反向散射标签。原则上，阅读器和助手可以是任何普通的wifi设备，包括路由器和移动设备。但是为了便于说明，我们将wifi客户机（例如移动电话）视为阅读器，wifi AP视为辅助设备。我们设想射频驱动的设备是无线传感器节点，嵌入到日常物体中。Wifi反向散射标签不需要任何电池，可以从电视，蜂窝网络和wifi等环境射频信号中获取能量。我们还注意到环境反向散射可以用于为无源设备或者其他使用太阳能，机械能等能源的设备提供互联网连接。
环境反向散射通信有两个主要组件：一个从反向散射标签到wifi阅读器的上行链路和从wifi阅读器到反向散射标签的下行链路。Wifi反向散射遵循请求—响应模型，类似于RFID系统。具体来说，wifi阅读器在下行链路上向反向散射标签发出获取信息的请求，并在上行链路上接收响应。在附近存在多个Wi-Fi反向散射标签的情况下，询问者可以使用类似于EPC Gen-2[2]的协议来识别这些设备，然后分别查询每个设备。然而，在本文中，我们着重于使用单个Wi-Fi反向散射标签建立通信链路。wifi反向散射使用wifi设备来模仿RFID通信，具体来说，wifi反向散射标签通过调制来自wifi助手的传输进行通信。Wifi阅读器通过更改的信道信息来解码这些传输。原则上wifi反向散射可以有多路wifi助手（如多ap或其他wifi客户端）。在本文中我们主要使用一个wifi助手。在下行链路中，Wi-Fi阅读器通过将信息编码在短的Wi-Fi包中(中间穿插着静默)，直接传输到Wi-Fi反向散射标签。标签使用低功耗电路设计解码这些传输，这种电路可以检测Wi-Fi数据包的能量。
图2：环境反向散射概述
它有三个角色:一个Wi-Fi阅读器、一个Wi-Fi助手和一个使用rf的设备(Wi-Fi反向散射标签)。阅读器和助手可以是任何普通Wi-Fi设备，包括路由器和移动设备。Wi-Fi阅读器利用来自Wi-Fi助手的数据包的信道信息来解码来自标签的传输。
在本文的其余部分，我们在第3章节描述了环境反向散射的上行链路，在第4章节描述了环境反向散射的下行链路。然后在第5章节将我们的工作推广到在多个wifi设备中工作。最后我们在不同的场景中评估我们的原型。
3:上行链路设计
Wi-Fi反向散射可实现从RF供电设备到Wi-Fi读卡器的上行链路通信。但是这是一个挑战，因为这些设备无法使用wifi协议。相反，我们通过调制wifi通道（例如wifi阅读器通道状态信息）来传输数据。在本节中，我们将更加详细的描述wifi反向散射上行链路。
图三：当环境反向散射标签在5cm远时，单个wifi子信道的原始CSI测量值
图中清晰地显示了在CSI测量值之上的二进制调制
3.1 在标签处调制wifi信道
Wifi反向散射标签通过调制wifi信道来传递信息。为了做到这一点，它使用一个低功率开关，允许天线阻抗被传输的比特流调制。天线的阻抗会影响标签反射的信号量。通过调制这个阻抗，标签可以传递“1”和“0”位。这些开关使用不到1uw的能量，这是微不足道的。我们的原型设计优化了开关的选择，使其在整个2.4 GHz Wi-Fi频段都能很好地工作。
Wifi反向散射标签原则上可以使用多种天线，包括单极和偶极子。在我们的原型中，我们为反向散射标签设计了一种特殊用途的天线，它既能调制阻抗，又能收集wifi能量。具体来说，我们设计了一种微带贴片天线，因为这种天线的增益相对于它的尺寸来说是比较高的。我们的天线设计考虑了系统性能的一个关键因素：雷达截面的变化是天线能够实现的。雷达截面是指天线能够反射的入射wifi信号量；标签反射和不反射时雷达截面的对比将决定标签对附近wifi接收器的影响。为了提高雷达横截面，我们设计了一组微带贴片，每个贴片在2.4GHz的频率下产生共振，但他们共同作用于散射入射的射频信号，从而使雷达横截面产生较大的变化。Wi-Fi天线设计是一个广泛的课题，人们可以使用其他天线拓扑结构，可以显著减小天线[的尺寸。然而，这并不在本文的范围内。
最后，标签改变阻抗的最小周期大于Wi-Fi包的持续时间。也就是说，每个传输比特的持续时间大于传输几个Wi-Fi数据包的时间。这确保调制的行为不会改变每个Wi-Fi包内的通道，因此允许Wi-Fi通信以最小的干扰进行。我们还注意到，Wi-Fi反向散射标签仅在被读者查询时才调制Wi-Fi通道。此外，标签可以通过增加每个比特的持续时间来调整调制速率，从而使我们的标签能够根据Wi-Fi网络流量条件来调整最终的数据速率(参见sect;5)。
3.2 wifi阅读器解码算法
接下来，我们描述wifi阅读器如何从wifi助手中提取与数据包相对应的已调wifi信道信息。为了了解到wifi反向散射标签上的反射如何影响wifi通道，我们进行以下实验。我们在wifi反向散射标签旁边放了一张英特尔的wifi link 5300卡。他可以作为wifi阅读器。我们将标签配置为调制0位和1位的交替序列。Wifi阅读器从linksys WRT54GL AP下载一个1gb的媒体文件，该AP充当wifi助手。助手被放置在离wifi反向散射标签5米远的地方。图三为wifi子信道中CSI随数据包数量的变化情况，图中清楚的显示了在捕获的通道测量值之上的二进制调制。
我们的解码算法从三个主要步骤中提取调制后的信息：（1）信号调节以消除由于环境中的移动性导致的信道测量的变化。（2）利用wifi子信道上的频率分集。（3）从信道信息中解码反向散射位。
（1）：信号调节
这一步的目标是两个方面的:1)消除由于环境迁移而导致的通道测量中的自然时间变化，2)将通道测量标准化，以映射到-1和 1值。特别地，为了去除时间上的变化，我们从Wi-Fi阅读器上的通道测量值中减去一个移动平均值;在我们的实验中，移动平均是在400毫秒的时间内计算出来的。上述操作创建了没有时间变化的零均值通道测量。？？？？？接下来，我们对这些测量值进行标准化，使Wi-Fi反向散射标签中对应1位的通道映射到a 1，对应0位的通道映射到a -1。由于我们不知道实际传输的比特数（从图3确实看不出来），因此我们通过计算零均值信道测量值的绝对值，然后取其平均值来执行这种标准化。然后我们用这个计算出的平均值除以零均值的信道测量值，得到归一化的信道值。
（2）：
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