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环境反向散射：无源的无线通信
Vincent Liu, Aaron Parks, Vamsi Talla, Shyamnath Gollakota, David Wetherall, Joshua R. Smith
华盛顿大学
摘要
我们提出了一个通信系统的设计，使两个设备通信使用环境射频作为唯一的电源。我们的方法利用现有的电视和蜂窝传输任务来消除对电线和电池的需求，从而实现无处不在的通信，使设备能够以前所未有的规模和以前无法访问的位置进行相互通信。为了实现这一点，我们引入了环境反向散射，这是一种新的通信原语，设备通过反向散射环境射频信号进行通信。我们的设计避免了产生无线电波的昂贵过程；反向散射通信比传统无线电通信的功率效率高出几个数量级。此外，由于它利用了我们周围的环境射频信号，它不需要像传统的反向散射通信那样的专用功率基础设施。为了证明我们设计的可行性，我们在硬件上制作了环境反向散射设备的原型，在2.5英尺和1.5英尺的距离内实现1 kbps的信息速率，同时各自在室外和室内进行操作。我们使用硬件原型为两个以前不可行的无处不在的通信应用程序实现概念验证。
类别和主题描述
C.2.1【网络架构与设计】:无线通信
关键字
反向散射；物联网；能量收集；无线通信
- 介绍
小型计算设备越来越多地嵌入到诸如恒温器、书籍、家具甚至可植入医疗设备等对象和环境中[15、22、19]。一个关键问题是如何在这些设备变得越来越小和越来越多时为其供电；电线通常不可行，电池增加了重量、体积、成本，需要重新充电或更换，从而增加了维护成本，并且在很大程度上存在差异[36]。在本文中，我们提出了以下问题：我们能使设备以环境射频信号作为唯一的电源进行通信吗？来自电视和蜂窝通信的环境射频广泛应用于城市地区（白天和晚上，室内和室外）。此外，最近的研究表明，人们可以从这些信号中获得数十到数百微瓦的能量[32，24]。因此，一个积极的答案将使无所不在的通信以前所未有的规模，在以前无法到达的地方。
图1-环境反向散射：两个无电池设备之间的通信。一个这样的设备，爱丽丝，可以反散射AM-BINET信号，可以被其他环境反散射设备解码。对于传统的接收器，此信号只是多路径的一个附加源，它们仍然可以解码原始传输。
然而，设计这样的系统具有挑战性，因为产生常规无线电波的简单行为通常需要比从环境射频信号中获取更多的功率[24]。在本文中，我们介绍了环境反向散射，一种新的通信机制，使设备可以通过反向环境射频通信。在传统的反向散射通信（如RFID）中，设备通过调制其对入射射频信号的反射（而不是通过产生无线电波）进行通信。因此，它比传统无线电通信的能量效率高出几个数量级[11]。
环境反向散射在三个关键方面不同于RFID式反向散射。首先，它利用现有的射频信号，因此不需要部署像RFID读卡器这样的专用电源基础设施来将大功率（1W）信号传输到附近的设备。这样就避免了安装和维护成本，而这些成本可能会使这样的系统不切实际，尤其是在室外或跨越大面积的环境中。其次，与此相关的是，它的环境足迹非常小，因为没有额外的能源消耗超过已经在空气中的消耗。最后，环境反向散射提供设备到设备的通信。这与传统的RFID系统不同，在这种系统中，标签只能与RFID阅读器通信，甚至无法感知附近其他标签的传输。
为了更详细地了解环境反向散射，考虑两个附近的无电池设备Alice和Bob，以及一个大都市地区的电视塔作为环境源，如图1所示。艾丽斯想给鲍勃寄个包裹。为此，Alice向后滑动环境信号以传输数据包中的位，她可以通过将天线切换到再弯曲和非再弯曲状态。爱丽丝反射的信号有效地创造了从电视塔到鲍勃和其他附近接收器的额外路径。用于电视和Cel-Lular应用的宽带接收器设计用于补偿多路径无线通道，并可能考虑到附加路径。另一方面，Bob可以感知由反向散射引起的信号变化，并解码Alice的数据包。
图2-原型：一张我们的原型印刷电路板的照片，它可以在不需要电池或电力阅读器的情况下进行传输、接收。它还包括触摸传感器（A、B和C按钮）和LED（位于两个箭头附近），这些传感器使用收集的能量进行操作，并且可以由板载微控制器进行编程。
设计一个环境反向散射系统具有挑战性，至少有三个原因。
bull;由于反向散射信号较弱，传统的反向散射使用恒定信号[21]以便于检测小的电平变化。环境反向散射使用不可控制的射频信号，这些信号中已经编码了信息。因此，提取反向散射信息需要一种不同的机制。
bull;传统的反向散射接收机依赖于耗电元件，如振荡器和ADC，并使用相对复杂的数字信号处理技术对信号进行解码。这些技术不适用于无电池接收器。
bull;环境反向散射缺少一个集中控制器，如用于协调所有通信的RFID读卡器。因此，它必须运行分布式多址访问协议，并开发传统反向散射设备中不可用的载波感知功能。
我们的方法是共同设计环境反向散射的硬件元素以及利用它的网络堆栈中的层。我们用来解码传输的关键是，环境射频信号和反向散射信号的信息传输速率存在很大差异。这种差异允许仅使用低功率模拟操作分离这些信号，这些模拟操作对应于现成的组件，如电容器和比较器。我们同样能够根据环境反向散射信号的物理特性，用低功率器件实现载波感知和帧频操作。这反过来让我们可以同步网络协议来协调多个这样的设备。为了证明我们的想法的可行性，我们构建了一个硬件原型，如图2所示，大约相当于一张信用卡大小。1我们的原型包括一个电视信号的电力收割机，以及通过使用以539兆赫为中心的50兆赫宽频带的超高频电视信号调谐到通信的环境反向散射硬件。所收集的能量用于提供环境反向散射所需的少量功率，并运行微控制器和车载传感器。我们的原型还包括一个低功耗的荧光LED和电容式触摸传感器，供应用使用。
我们对两个概念验证应用进行了实验，证明了环境反向散射在实现无处不在的通信方面的潜力。第一个应用程序是公交车通行证，它还可以在任何时间、任何地点将钱转移到其他卡上。当用户在另一张卡上刷卡触摸传感器时，它会传输存储在微控制器中的当前余额，并通过闪烁LED来确认传输。第二个是一个杂货店应用程序，在该应用程序中，项目标签可以判断项目何时放置在错误的货架上。我们要求10个标签来验证它们是否包含错放的标签，并在它们出现时刷新LED。
我们在室内和室外场景以及发射器和接收器之间的不同距离评估我们的系统。为了考虑多径效应，我们重复测量，对接收点位置进行轻微扰动，总共测量1020次。结果表明，我们的原型可以在两个环境反向散射设备之间实现1 kbps的信息传输率，在室外位置距离可达2.5英尺，在室内位置距离可达1.5英尺。此外，我们还测试了各种位置，并证明我们的端到端系统（包括通信、LED、触摸传感器和通用微控制器）能够在距离电视塔6.5英里的地方运行无电池。最后，我们测试了环境反向散射的干扰，发现即使在不太有利的条件下，只要设备距离电视天线超过7.2英寸，它也不会在现成的电视上产生任何明显的故障。
我们的贡献：我们做出以下贡献：
bull;我们引入了环境反向散射，这是第一个让设备通信的无线原语，无需它们生成射频信号（如在传统通信中）或从专用电源读卡器（如在RFID中）反射信号。
bull;我们开发了一个网络堆栈，使多个环境反向散射设备共存。具体来说，我们展示了如何在不直接测量介质能量的情况下进行能量检测，从而实现载波感知。
bull;我们提供了设计和原型，展示了如何使用简单的模拟组件在超低功耗设备上实现上述所有功能，从环境反向散射到网络的多访问协议。
虽然我们的原型的性能只是一个小小的开始，但我们希望我们提供的技术将有助于实现无处不在的通信，并允许嵌入到物理世界中的计算设备以前所未有的规模相互通信。
- 电视传播的背景
原则上，环境反向散射是一种通用技术，可以利用射频信号，包括电视、无线电和蜂窝传输。本文着重论证了电视广播信号环境反向散射的可行性。电视塔传输高达1 mW的有效辐射功率（ERP），并且可以在非常平坦的地形中为距离电视塔100英里以上的位置提供服务，在较密集的地形中为距离电视塔45英里以上的位置提供服务[1]。这些信号的覆盖率非常高，尤其是在美国四大广播电视频道占总拥有量97%的城市地区，美国家庭平均接收17个广播电视台[4]。正是电视信号的这种普遍性使得它们在我们的第一个环境反向散射原型中具有吸引力。目前世界上使用的主要电视标准有三种：ATSC（北美和韩国）、DVB-T（欧洲、澳大利亚、新西兰等）和ISDB-T（日本，大多数S.Amer-ica）[5]。虽然我们的原型目标是ATSC传输，我们使用环境信号进行通信的方法利用了在所有标准中保持的电视信号的以下特性：
首先，电视塔在白天和晚上的所有时间都不间断地广播连续信号。因此，它们为环境反向散射提供了可靠的电源和信号源。其次，电视传输是变幅信号，变化速度很快。例如，在ATSC中，每个符号使用8级残留边带（8VSB）调制发送8个振幅值中的一个，符号通过6兆赫宽带信道发送，从而导致信号快速衰减。
最后，电视传输周期性地对接收器用来计算多路信道特性的特殊同步符号进行编码[9]。在ATSC中，8VSB符号首先组织为832个符号的数据段，然后是313个符号的ELD。在每个数据段之前，发送器发送一个由四个符号组成的数据段同步，旨在帮助接收器校准8VSB振幅水平。在每个现场之前，发送器发送现场同步数据段，接收器也使用该段来计算信道信息。由于环境反向散射有效地创建了从发射端到电视接收机的额外路径，电视接收机现有的多径失真交流计数能力使其能够抵抗来自反向散射设备的干扰，后者的工作速率低于这些同步段。我们注意到，世界上使用OFDM调制的另一种常见电视标准——DVB-T，包括循环前置和保护间隔，因此与ATSC标准相比，它对多径失真的抵抗力更高[2]。
合法性：一般来说，在电视（或蜂窝）频道保留的频谱上广播随机信号是违法的。然而，无电池反向散射装置（例如，RFID标签）是不受管制的，而不是由联邦通信委员会测试的，因为这些装置的发射水平非常低[7]，并且因为它们只是调节它们对预先存在的信号的反射，而不是在重新服务的频谱中主动发射信号。环境反向散射也属于这类，因此在当前政策下是合法的。
在本文的其余部分中，我们将展示超低功耗设备如何通过对这些环境信号进行反向散射来进行通信。
- 环境反向散射设计
环境反向散射是一种新的通信方式，在这种方式下，设备无需任何额外的电力基础设施（例如，附近的专用读卡器）即可进行通信。环境反向散射设备反射现有的射频信号，如广播电视或蜂窝传输，以进行通信。由于环境信号是预先存在的，因此这种通信增加的成本可以忽略不计。
然而，设计这样的设备有三个主要原因：第一，环境信号是随机的和不可控制的。因此，我们需要一种从这些随机环境信号中提取反向散射信息的机制。其次，接收器必须在无电池设备上解码这些信号，通过对设备的电源要求施加严格限制，从而显著限制设计空间。第三，由于没有集中的控制器来协调通信，这些设备需要操作分布式多址协议，并开发载波感知等功能。在本节的其余部分中，我们将描述我们的设计如何解决上述挑战。
图3—环境反向散射装置的方框图。发射器、接收器和收割机都连接到一个天线上，并使用相同的射频信号。发射器和接收器通过反向散射环境信号进行通信。收割机从环境信号中收集能量，并利用它提供通信所需的少量电源，以及操作传感器和数字逻辑单元。
3.1概述
图3显示了我们的环境反向散射装置设计的框图。它由一个发射器、一个接收器和一个能量收集器组成，它们都使用相同的环境射频信号，因此都连接到相同的天线上。发射器和接收器使用环境信号的调制反向散射进行通信，以及能量收集器从相同的环境信号中提取能量，为设备供电。此外，它们彼此独立运作。然而，当发送器处于激活状态和反向散射信号时，接收器和收割机无法捕获太多的信号/功率。所收集的能量用于提供环境反向散射通信所需的少量电源，并为传感器和数字逻辑单元（如微控制器）供电。我们在[32]中复制了收割机电路，并将其用作黑盒。与[32]的主要区别在于，我们使用小偶极天线而不是大喇叭天线来操作收割机。接下来，我们将更详细地描述我们的环境反向散射发射器和接收器的设计。
3.2环境反向散射发射机
我们的环境反向散射发射机的设计基于传统的反向散射通信技术。从高层面说，反向散射是通过在有入射信号的情况下改变天线的阻抗来实现的。直观地说，当一个波遇到具有不同阻抗/密度的两种介质之间的边界时，该波会被反射回来[18]。反射量通常由阻抗/密度值的差异决定。这就决定了电波是通过固定在墙上某一点的绳子传播的机械波还是遇到天线的电磁波。通过修改天线端口的阻抗，可以调节散射的入射射频能量，从而使信息得以传输。
为了实现这一点，反向散射发射器包括一个开关，该开关调节天线的阻抗，并引起天线反射的能量的变化。开关由连接在偶极天线两个分支上的晶体管组成。开关的输入信号是一个0或1的序列。当输入为0时，晶体管关闭，阻抗匹配，几乎没有信号反射。当开关输入信号为1时，晶体管处于导通阶段，使天线的两个分支短路，产生较大的散射信号幅度。因此，该开关在反向散射（反射）和非反向散射（吸收）状态之间切换，以将比特传送到接收器。
对于我们的设计我们注意到以下：首先，当天线拓扑结构针对环境信号的频率进行优化时，通信效率很高。我们的实验使用了一个258毫米偶极子天线，针对超高频电视波段的50兆赫频带（在本例中，从515-565兆赫）进行了优化。其他天线拓扑结构
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