无源物联网中组网关键技术研究

With the development of backscatter communication and energy-harvesting technologies, in the future Internet of Things, nodes in the network are battery-free. That is, the nodes do not have battery or not mainly rely on battery and other power equipment, and they harvest energy form the environment to perform sensing, communication and distributed computing. We refer to the Internet of Things, which is mainly composed of battery-free devices, as the passive Internet of Things. Because the energy harvested from the environment is uncontrollable, and the internal asymmetry, low power consumption, and short communication distance of backscattering communication, the networking problem in single-hop and multi-hop battery-free Internet of Things faces new challenges..This project intends to study on the networking problem in passive Internet of Things, including the multi-access problem in single-hop passive Internet of Things, the interference problem in the distributed full-duplex battery-free Internet of Things and the routing problem in the multi-hop battery-free Internet of Things. This project focuses on solving the following key scientific problems: 1) the influence of energy harvesting on the networking protocol; 2) the interference regeneration problem in the distributed full-duplex battery-free Internet of Things; 3) the routing problem in the multi-hop battery-free Internet of Things. Finally, this project will validate the effectiveness of the proposed schemes based on the simulation and experimental platform. The research results of this project will provide the theoretical foundation and methodology support for the further applications of battery-free Internet of Things.

随着散射通信技术与能量收集技术的不断发展，在未来物联网中，网络节点可以是无源的（Battery-Free），即节点自身不配备或不主要依赖电池等电源设备，而是从环境中获取能量，支撑数据的感知、传输和分布式计算。我们将这种主要由无源设备构成的物联网称为无源物联网。由于通过能量收集获取到的能量不可控、反向散射通信内在的不对称、低功耗、短距离等特性，导致无源物联网在单跳和多跳组网中面临新的挑战。.本申请项目拟以无源物联网中的组网问题为研究对象，对单跳多址接入问题、分布式全双工无源物联网中的干扰问题、多跳无源物联网中的路由问题展开深入研究。拟重点解决以下科学问题：1）能量收集对组网协议的影响问题；2）分布式全双工无源物联网中的干扰再生问题；3）多跳无源物联网中的路由问题。最后，本项目将基于仿真与实验平台相结合的方式开展方法有效性验证。本项目的研究成果将为未来无源物联网的应用提供理论基础与方法支撑。

本项目以反向散射通信、无线电能转换和能量收集技术为基础的无源物联网为研究对象，针对单跳、全双工和多跳无源物联网三个层面中的组网通信问题展开深入研究。主要研究成果包括：.1）非正交多址接入中多用户配对.（1）在静止场景下，为了提高密集区域内高信道增益用户的解码量，提出了一种基于信道增益差的自适应多用户配对算法；.（2）在移动场景下，为了解决用户移动性带来的频繁排序问题，提出了一种基于KM算法的用户配对算法；.（3）为了最大化系统吞吐量，提出了一种动态功率分配算法；.（4）针对反向散射节点和阅读器重新分组问题，提出了一种动态非正交多址背向散射方案。.2）背向散射标签到标签通信系统中干扰管理.（1）针对不同调制方式下射频载波和背向散射信号产生的相位对消问题，设计了背向散射标签到标签通信系统（BBTT）及标签模型；.（2）针对BBTT通信系统中误码率高、相位对消严重的问题，设计了三电平二进制的编码方式传输背向散射信号，通过电平的变化传递信息；.（3）针对高阶调制误码率高的问题，设计并实现了非对称星座图和主动确认发射延迟方案；.（4）根据接收标签处的不同包络采用不同的调制方式，设计并实现了动态M-PSK调制方案；.（5）为了在非对称干扰网络中实现吞吐量最大化，提出了一种自适应分配预编码器和译码器反馈比特的策略；.（6）为了满足服务差异化，提出了一种有限的反馈方案来支持服务差异化，自适应地调整通信速率的差异程度；.（7）在多输入多输出网络中，针对用户差异导致的子空间干扰对齐问题，提出了基于子空间区分的干扰对齐方案。.3）能量感知的无源物联网路由协议.（1）在小规模反向散射通信网络中，针对无源节点之间能量的不均衡问题提出了能量均衡感知路由算法（Energy-Balanced Awareness Routing, EBAR）；.（2）在大规模反向散射通信网络中，提出了能量优化路由算法（Energy-Optimized Routing Algorithm, EORA）。.相关研究成果发表在本领域知名国际期刊上和会议上。共计16篇论文，其中SCI检索11篇，EI检索3篇，2篇待检索；申请发明专利4项。