作者按:从今天起,本博客将陆续推出一系列文章,走进即将举行的通信领域顶级学术会议 SIGCOMM 2013,看看世界各地的 Wireless & Networking 研究者们都在做什么。尽管这些看起来很 fancy 的设计在生产环境中有可能完全不 work,但它们至少给我们提出了一些可能的方向。 Ambient Backscatter: Wireless Communication Out of Thin Air从空间吸收能量并用作电源,这听起来是不是很疯狂?华盛顿大学研究团队制作了不需要电源的 RFID 卡,可以从每个城市都有的 TV Tower 获取能量用于支持传感器和单片机工作,并反射 TV Tower 射频信号的能量,实现两个相距不超过 50~75 厘米的 RFID 卡之间的自主通信,通信速度可达 1kbps。套用一句广告词,就是 “我们不生产信号,我们只是电视信号的搬运工”。 How RFID worksRFID (Radio Frequency Identification) 是能够存储少量信息并通过射频通信读取的技术。我们平时刷的饭卡、公交卡都是 RFID。这些卡里没有电源,是怎么把数据传送给读卡器的呢? 芯片工作的电源:天线收到读卡器的信号,就会电磁感应形成电流,这个微弱的电流足以驱动芯片工作了。 承载信息的射频信号:天线会反射收到的射频信号,在反射信号上进行幅度调制即可。有两种技术:inductive modulation(用于低频)和 backscatter modulation (用于高频,有效距离较远)。本文中我们关注 backscatter。 backscatter 是通过改变天线的阻抗实现的。当电磁波到达阻抗不同的介质界面时,一部分波会被反射,而反射能量的比例与阻抗的差值有关。射频卡中的芯片通过改变天线的阻抗,就能把信息调制在反射波上。 至于阻抗是怎么调整的?看到上面照片上的两个“小辫子”了吗?一个晶体管搭在两根天线之间,0 就是关闭晶体管,天线阻抗匹配,反射波很微弱;1 则是导通晶体管,两根天线短路,有一定的反射波。 事实上,目前商用的 RFID 分为 active(主动)、semi-passive(半被动)和 passive(被动)三种。
ChallengesTV Tower 是个稳定的信号源和能量源,听起来不错。但真正用起来,还有两个问题:
此外,从网络拓扑上,读卡器是一个中心控制器,可以进行 FDMA (Frequency Division Multiple Access) 协调各 RFID 卡的通信。现在没有了中心,射频卡上就得拥有一套分布式的 CSMA (Carrier Sense Multiple Access) 协议。(当然,如果有人用最原始的 ALOHA,我不反对) Challenge #1: Noisy Signal首先要解决的是电视信号不是 constant signal 的问题。论文提出,如果 backscatter 调制的频率远远低于背景信号(载波)的频率,则可以将这两个信号分开。从直觉上解释,只要对若干个临近的 sample 取平均值,背景信号就会趋于相同(大数定律嘛),而 backscatter 调制的信号就会凸显出来。 电视信号的带宽一般是 6MHz,因此 backscatter 只要在比 6MHz 更长的时域上调制就能区分出来。 Challenge #2: Ultra-low Power上面的方法需要模数转换器 (ADC),但在如此低功耗的无源射频卡上无法实现。论文设计了一种等效的模拟电路。 接收器有两个阶段:
Network Stack由于接收射频卡的位置可能发生变化,反射的信号或者跟电视信号干涉增强,或者跟电视信号干涉减弱,从而收到的“0”和“1”随时可能翻转。因此,物理层采用 FM0 编码,用两个 0/1 symbol 表示 1bit 信息,两个 symbol 相同表示0,两个 symbol 不同表示1。在每个 2-symbol 的周期前对 symbol 进行翻转,以保证 0/1 symbol 数目相同。 下面是 link layer 的 packet structure: Challenge #3: Carrier SenseCarrier Sense 是非中心无线网络中避免冲突的重要手段。一个待发送者在发送之前,首先监听信道,如果发现有其他人在发送,就暂缓一会儿。如果没有这个机制,随机冲突会导致信道利用率很低。 在 Wifi 中,Carrier Sense 是通过比较信号平均强度和当前信号强度实现的,如果当前信号强度超过平均强度一定的阈值,就认为正在传输 packet。然而,由于本论文中的接收器没 ... |
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