PassiveWi-Fi: Bringing Low Power toWi-Fi Transmissions

Bryce Kellogg†, Vamsi Talla†, Shyamnath Gollakota and Joshua R. Smith
University of Washington †Co-primary Student Authors

![Uploading 2_870133.png . . .]Wi-Fi通信耗能严重，所以无法在传感网中广泛使用。这篇文章的研究者们在WiFi网络中首次加入了使用后向散射(backscatter)通信、可以产生802.11规格的的传输Passive Wi-Fi设备，极大的降低了能耗。

概述

1. 使用后向散射(backscatter)通信系统，极大的降低网络的能耗，比现存的Wi-Fi网小3-4个数量级的能耗;

   Passive Wi-Fi设备上没有RF相关的频率合成和功率放大元器件，因此极大降低了能耗，通信是通过一个数字逻辑开关来反射/吸收信号来实现的

2. 可以产生802.11b规格的传输，因此市面上WI-Fi设备是可以解码Passive Wi-Fi设备发出的信息;

   不同于以前依靠反射/吸收信号去发送额外的信息，这次是使用后向散射通信系统(手段还是反射/吸收)直接产生Wi-Fi传输信号(2.4GHz)，可以方便的被其他Wi-Fi设备接收解码

3. 在链路层设计了网络协议使得Passive Wi-Fi设备拥有了载波监听和介质控制，从而可以和其他设备共享ISM频带;

   ​
   

   PassiveWi-Fi architecture.png

如上图PassiveWi-Fi architecture，Passive Wi-Fi设备是没有频率合成器和功率放大器的，只有编码和调制的数据逻辑单元。比较耗能的RF操作都授权给了上图中间的plugged-in设备，这个设备发送单一频率的波，Passive Wi-Fi设备通过反射和吸收这个波来产生802.11b的传输信号。（plugged-in设备在载波监听和介质控制中还有其它作用，见下）

问题:

• 如果plugged-in设备一直在发送单一频率的信号的话，其他设备怎么在这种干扰下接收Passive Wi-Fi设备发出的传输？

  plugged-in设备发送的信号频率设置在想要发送Wi-Fi信道之外，Wi-Fi协议自带邻频拒斥，可以避免干扰， Passive Wi-Fi设备不发送信息时plugged-in设备是不发送信号的

• 如何使用后向散射产生802.11b标准的信息？

  首先做频移，和plugged-in的信号共同产生Wi-Fi信号，信号编码采用802.11b的DSSS和CCK编码，调制使用802.11b的DBQSK和DQPSK，这样就在物理层产生符合802.11b的传输了

• Passive Wi-Fi设备和其它Wi-Fi设备如何共享介质？

  Wi-Fi使用载波监听来共享介质，需要设备时刻处于开启接受状态，还需要诸如ADC和频率合成器的单元，这里Passive Wi-Fi是没有这些耗能的RF组件的。依靠plugged-in设备来进行载波监听和介质管理

具体实现

1. Passive Wi-Fi Design

在物理层和链路层实现和Wi-Fi设备的兼容，Wi-Fi802.11b物理层信号编码方式是DSSS和CCK，调制方式是DBQSK和DQPSK，Passive Wi-Fi使用和802.11b相同的标准，链路层的载波监听和介质控制做了改变

1.1 Plugged-in设备

Plugged-in设备中有RF组件，功放、频率合成等消耗能量的单元

• Plugged-in设备在Passive Wi-Fi设备发生传输时发送单一频率的信号，这个信号频率位于我们想要发送Wi-Fi信号频道之外，因此不会对Passive Wi-Fi发送Wi-Fi信号及解码造成造成干扰

1.2 Passive Wi-Fi设备

Passive Wi-Fi设备负责数字逻辑上的编码和调制，通过数控开关来吸收/反射Plugged-in设备发出的波。

• 使用后向散射生成802.11b的传输

• • 通过吸收/反射Plugged-in设备发送的信号形成信号方波，对Plugged-in设备发送的信号造成频移。Plugged-in设备发送的信号频率到达要使用的Wi-Fi信道;

    2.png

    Passive Wi-Fi设备产生的方波

    
    

    3.png

    两信号共同作用形成频移

    
    

    4.png

    
    

    5.png

    
    如上图所示，Plugged-in发出信号频率为

![Uploading 4_968062.png . . .]$f-\Delta f$
> Passive Wi-Fi设备形成的方波频率为
> $\Delta f$
> 最后生成频率为f的位于要使用的WI-Fi信道上的信号
>

• • Passive Wi-Fi控制信号方波时延，从而可以使用DBQSK/DQPSK对信号调制

2.Passive Wi-Fi Network Stack Design

• 共享信道

  Wi-Fi使用载波监听的方法实现共享信道，然而Passive Wi-Fi设备为了节能没有RF单元，无法实现载波监听。因此Passive Wi-Fi设备授权给Plugged-in设备做载波监听。

6.png

设想某个Passive Wi-Fi设备要发信息，Plugged-in设备监听信道，若信道为空，发送signaling packet控制信道指定特定的设备发包。（Passive Wi-Fi设备使用超低功耗接收器接收这个包并解码,因此接收能力很有限）。

因为在传感网中Passive Wi-Fi设备是有周期性任务的，因此Plugged-in设备是知道Passive Wi-Fi设备合适应该进行传输的。在组网时，Passive Wi-Fi设备会将自己的周期任务的时间间隔发给Plugged-in设备。

• ACKS、速率自适应

  • Plugged-in设备监听ACK并把ACK发送给对应的Passive Wi-Fi sensor，如果Plugged-in设备成功解码这个ACK就把图7的ACK位置1并发给Plugged-in设备。
  • 因为Plugged-in设备可以通过ack来估算包的丢失率，知道Passive Wi-Fi sensor设备的发包时间，包长的情况下，Plugged-in设备就可以在Passive Wi-Fi sensor设备发包结束时接受发送信号

• 组网

7.png

如上图，Plugged-in设备，Wi-Fi router和一个Passive Wi-Fi设备组网的过程

实验

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