无源通信网络组网技术及其在容灾场景下的应用研究

Battery-free communication is a natural and effective means to solve the energy supply obstacle in the IoT networks, and the carrier-reflection based communication mechanism get more and more attention. The existing works are mostly focused on the implementation for single-hop communication. There are few works discussed the theories and protocols for the carrier-reflection based battery-free communication networks, as well as its applications in the real environment. This project studies the key problems and techniques for such networks, and its applications for the data collection and emergency network deployment problems in the disaster recovery scenarios. The project investigates the properties of non-uniform energy distribution, limited node energy, and fragile network connectivity for the battery-free communication networks; the communication with three separated devices, i.e., carrier provider, transmitter and receiver, which is introduced by the carrier-reflection based communication mechanism; along with the device distribution and mobility characteristics in the disaster recovery scenarios. The research contents include the relay transmission mechanism at the device level, battery-free communication protocol at the network layer, and the data collection and emergency network deployment problems at the application layer. Our previous works show that the research program of the project is feasible, and the progress of the project can be ensured.

无源通信技术是解决物联网中能量供应障碍的有效手段, 基于载波反射的无源通信机制日益受到关注。现有研究往往着眼于基于载波反射的单跳无源通信机制与实现，而在组网理论与协议、实际应用场景等方面的研究尚鲜有人涉及。本项目以容灾场景下的数据收集和应急网络部署为应用背景，针对无源通信网络中节点能量分布不均匀、节点能量受限、网络连通性脆弱的特点；载波反射带来的载波提供者、发射端、接收端三者分离的通信机制；以及容灾应用场景中设备分布和移动特性，研究载波反射无源通信网络中的关键问题和技术。具体包括在设备层研究中继传输机制；在网络层设计无源通信组网协议；在应用层研究针对数据收集、应急网络部署的优化问题。目前已有的研究基础和前期工作结果表明本项目的研究方案切实可行，可以保证项目顺利进行。

本课题按照预期计划，针对无源通信网络展开研究，包括反射通信机制、能量获取、以及反射通信技术在感知领域内的应用等。目前已在国内外重要杂志或重要国际会议发表或录用28篇论文，包括CCF A类期刊和会议论文9篇，CCF B类期刊和会议论文6篇。申请发明专利共计6项。课题成果包括三个方面。在反射通信机制方面：当不稳定的WiFi信号同时作为反射Tag的能量源以及通信激励信号时，我们采用“充电-通信”时间分割机制提高信号利用率；针对无源反射通信距离与速率的矛盾，提出了一种基于自适应Chip-OOK信号调制方式的反射通信机制；考虑到反射通信技术带来的通信不对称、通信能耗与距离无关等特性，我们基于分布式push-relabel算法设计了多跳反射通信网络中的分布式路由协议。在反射通信设备能量获取方面基于多用户磁谐振充电系统进行研究：我们基于无源反射通信技术研究了接收端的并发反射通信；为提高接收端能量汇聚效果，从多角度展开能量调度优化研究，包括磁场安全的能量传输效率最优化、被动中继场景下能量路由与电流调度联合优化、发射端电压受限下的阻抗匹配优化策略等。在反射通信信号感知应用方面：我们设计了大粒度人体运动的识别和计数统计系统Motion-Fi、细粒度轨迹跟踪系统MilliBack；我们还扩展研究了基于智能设备信号进行人体行为识别的工作，包括跨设备、跨用户的人体行为识别系统、手势识别系统等。