網絡通信後向散射系統的傳輸、組網與調度簡介

2021-01-08 我是天邊飄過一朵雲

後向散射系統的傳輸:

提升吞吐、通信質量和通信距離是後向散射傳輸要解決的核心問題。對於網絡系統而言,吞吐量越大意味著這個系統單位時間內成功傳輸的數據越多,系統性能越好。影響吞吐量的因素有很多,例如信噪比、信道狀態等。為了提高後向散射系統的吞吐量,可以從以下三方面入手:(1)選擇傳輸特性較好的信道進行數據傳輸。(2)通過提高系統可容納並發節點個數,達到提高吞吐量的目的,如通過多節點碰撞的信號在IQ圖上呈現不同的簇特徵,從而解碼出不同的節點所發的信息,實現多節點並發。最近的工作聚焦碰撞信號簇特徵不穩定以及碰撞信號狀態難以區分等挑戰。(3)借鑑頻分復用的思想,如2019年在知名國際會議NSDI上提出的NetScatter系統和MOBICOM上提出的OFDMA系統,分別針對LoRa和Wi-Fi不同的信號特性,設計復用信道方式,進而採用有效的調製方式實現大量節點並發,極大提高了吞吐。

影響後向散射通信系統通信質量的因素是什麼呢?後向散射通信系統的接收端會同時接收到載波源信號和反射後的信號,由於二者在同一頻段,所以會形成自幹擾,使接收端無法解碼。另一個影響通信質量的因素是經過後向散射的信號大多存在諧波,諧波會分散掉信號的一部分能量,導致信號質量變差。

以上因素對於通信質量的影響會直接導致通信距離的降低。此外,造成通信距離降低的原因還有:(1)後向散射是一種散射機制,通過節點散射之後的信號本身就很弱;(2)自由空間損耗,隨著距離的增加,信號變弱;(3)無線信號傳輸過程中,地表障礙物會對信號傳播形成遮擋與多徑效應,這進一步降低了信號傳輸質量。例如水泥牆對Wi-Fi信號造成的衰減可達10dBm-25dBm。

針對上述問題,目前提升通信質量和距離的主要方法有:

1. 移頻。通過將反射信號的頻率偏移到和載波源信號不同的頻段消除自幹擾。可以使用MOSFET開關器件和天線反射相結合的方式實現移頻這樣不用增加太多額外的器件,也不會引入太大的功耗。

2. 實現對抗幹擾能力強的載波源信號(如商用LoRa信號)的調製與反射,同時保證通信系統信號的信噪比。例如FLORa藉助chirp信號在低於背景噪聲的情況下也可被檢測的特性,在不改變商用LoRa信號特性的情況下,對入射信號進行頻率調製。

後向散射系統組網與調度:

在多節點工作場景下,節點之間相互幹擾,使系統無法有效運行,因而組網是後向散射系統應用必須解決的挑戰。目前後向散射系統可支持256個節點組網形成單跳星型網絡。

同時,後向散射系統的工作狀態具有很大不穩定性,主要源於:(1)後向散射系統工作強烈依賴於外界射頻源的激勵,而激勵信號常因人或物的擾動不穩定;(2)無源能量捕獲的不穩定;(3)後向散射信號能量低,導致信噪比相對低。

對此,通過設計節點調度算法提升數據採集覆蓋率和數據傳輸服務質量(Quality of Service,QoS)成為行之有效的解決手段。例如,DS-C通過設計節點調度算法有效提升了數據採集覆蓋率。另一方面,也可以對射頻能量供給節點(如充電樁等)進行調度設計,在保證後向散射網絡全覆蓋數據採集的基礎上,實現射頻能量供給節點能耗優化。針對不同的應用需求,除了保證數據傳輸成功率,研究者們還希望進行時延優化,保證後向散射網絡自主、穩定、高效地完成數據傳輸任務,這對節點調度算法設計提出了新的要求和挑戰。

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