[论文解读] NetScatter: Enabling Large-Scale Backscatter Networks

Mehrdad Hessar, Ali Najafi+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2018

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用 115

一句话总结

NetScatter 引入了一种分布式啁啾扩频编码方案，使数百到数千个并发回传传输成为可能，接收端仅需一个 FFT 即可解码；在 256 个设备、500 kHz 带宽条件下得到演示。

ABSTRACT

We present the first wireless protocol that scales to hundreds of concurrent transmissions from backscatter devices. Our key innovation is a distributed coding mechanism that works below the noise floor, operates on backscatter devices and can decode all the concurrent transmissions at the receiver using a single FFT operation. Our design addresses practical issues such as timing and frequency synchronization as well as the near-far problem. We deploy our design using a testbed of backscatter hardware and show that our protocol scales to concurrent transmissions from 256 devices using a bandwidth of only 500 kHz. Our results show throughput and latency improvements of 14--62x and 15--67x over existing approaches and 1--2 orders of magnitude higher transmission concurrency.

研究动机与目标

• 促进可扩展的回传网络，以支持数百到数千个并发传输。
• 开发一个低功耗、分布式编码方案，在噪声底下工作，并且可在 AP 端用单个 FFT 解码。
• 解决大规模回传部署中的定时、频率同步以及近远效应等实际问题。
• 展示一个硬件支撑的测试平台，规模扩大到 256 台设备，并量化相对于现有方法的增益。

提出的方法

• 提出带 ON-OFF 键控的分布式啁啾扩频 (CSS) 编码，其中每个设备分配一个唯一的基线啁啾的循环移位。
• 通过用基线下啁啾解扩并执行单个 FFT 来识别对应于每个设备的峰值来进行解调。
• 使用功率感知的循环移位分配与零开销的功率自适应，以缓解近远效应和时变通道影响。
• 通过使用具有保留 SF/BW 属性的聚合带和别名处理来实现带宽聚合，以保持可管理的接收端复杂度。
• 通过在相邻设备之间留出空的 FFT 槽位（SKIP）以吸收硬件延迟，制定时延与频率失配容忍策略。
• 概述一个关联协议，AP 根据设备 SNR 分配循环移位并协调并发传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 可以让数百个回传设备在同一频带上同时传输并且在 AP 端可解码吗？
• RQ2 哪些编码与同步策略能够在低功耗回传设备下实现低于噪声底的解码？
• RQ3 在大规模回传网络中如何管理近远效应、定时与频率失配？
• RQ4 与现有回传方法相比，可达到的吞吐量与时延改进有哪些？
• RQ5 是否存在可行的原型测试平台来验证大规模并发回传传输？

主要发现

• 展示来自 256 个回传设备在 500 kHz 带宽上的并发传输。
• 在现有远程回传系统上实现 14–62x 的端到端吞吐量提升。
• 相比先前工作实现 15–67x 的时延降低。
• 显示网络可扩展到千个并发设备，使用 2 MHz 总带宽。
• 提供单一 FFT 接收端即可解码所有并发传输，采用分布式 CSS 编码。
• 概述可帮助大规模部署的定时/频率同步与近远抑制的实用技术。