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解决被动式无线通信链路不对称问题 计算机学院鲁力教授团队在USENIX NSDI发表论文
文:李松璠 鲁力 图:李松璠 来源:计算机学院 时间:2021-12-25 2782

  电子科技大学计算机科学与工程学院鲁力教授团队的最新研究成果提出了被动式直接序列扩频技术(Passive DSSS),赋能物联网被动式无线通信接收端对扩频信号的接收解调能力,显著提升物联网低功耗设备下行链路的性能和抗干扰能力。该技术扩展了被动式无线通信在物联网的实际应用范围,并大幅减少了物联网系统部署难度和维护成本。该项研究成果近日被网络系统顶会USENIX NSDI接收,论文题目为《Passive DSSS: Empowering the Downlink Communication for Backscatter Systems》。论文第一作者为我校计算机学院博士生李松璠,其导师鲁力教授为通讯作者,这是我校首次在该会议发表学术论文。

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  图1 被动式直接序列扩频通信系统将扩频码的生成和同步转移到网关实现,赋能被动式接收电路直接解调通过直序扩频调制之后的信号

  以反向散射为代表的被动式无线通信拥有极低功耗、极低成本等优势。然而在实际部署中,被动式通信系统面临着链路不对称的重大挑战:实际系统通常需要高效的下行链路来实现网络控制、节点调度等,但多数被动式通信系统的上行链路和下行链路呈现高度不对称、不平衡。具体而言,上行的反向散射链路有一个强大的网关接收机,可以综合设计在噪声环境下成功解调上行数据;而下行链路方面,被动式通信接收端能量匮乏,表现出通信性能差、距离短且没有抗干扰能力。链路不对称会导致通信上的“木桶效应”,较差的下行链路性能将被动式通信系统实际应用限制在短距离内(例如 RFID),并成为扩展其应用范围的主要障碍。

  本质上,提升下行链路的基本方法是提高下行信号的SINR(信号-干扰噪声比)。虽然提升信号强度看起来是最直接的方法,但受发射功率的限制且信号强度随传播距离快速衰减,使得该方法效率很低。即使波束成形能进一步提升信号强度,但也会使得发送端网关结构极其复杂,带来高昂的设计和部署成本。另一方面,通过扩频技术来抑制干扰和噪声成为了更加行之有效的方法。但是,现有的扩频技术要求接收端具备复杂的接收电路和强大的数字计算能力,以对接收的扩频信号实现载波级同步和解扩操作以获取正确的数据。这对被动式通信接收端来说无法实现。

  鲁力教授团队提出Passive DSSS(被动式直接序列扩频技术),首次赋能被动式通信接收端对扩频信号进行解调。概念验证原型机的功耗只有166.5微瓦(大概是现有DSSS接收机功耗的百分之一),通过芯片集成后功耗将进一步降低,实现将下行信号SINR提高16.5dB(约45倍信号质量改善),提升3倍下行通信距离。

  李松璠现为计算机学院博士生,师从鲁力教授,研究方向为无线网络系统和嵌入式系统,已在USENIX NSDI、ACM Mobicom、IEEE IoT Journal、ACM TECS等国际顶级学术会议和期刊上发表论文9篇。2020年入选全国开放式分布与并行计算学术年会(DPCS 2020)优秀博士生论坛,并获唯一最佳报告奖。获第十届ACM国际物联网和云计算学术研讨会最佳演讲奖,另获2018和2019年ACM中国图灵大会优秀志愿者,2018年电子科技大学卓越学生奖等。

  鲁力,教授,博士生导师,主要研究方向为物联网边端系统、无线系统安全。作为主要成员曾获国家科学技术进步一等奖。作为项目负责人承担了包括国家自然科学基金重点项目、面上项目、科技部重点研发计划课题等项目10余项;是多个著名国际学术会议的程序委员会成员。在包括USENIX NSDI、ACM Mobicom、IEEE Infocom在内的权威国际学术期刊和学术会议上发表论文80余篇。获得20余项国内专利授权和一项美国专利授权。

  NSDI全称USENIX Networked Systems Design and Implementation,是计算机网络系统领域久负盛名的顶级会议。与网络领域的另一顶级学术会议 ACM Sigcomm 相比,NSDI 更加侧重于网络系统的设计与实现,注重系统设计和实际性能评估。无线领域著名的被动式Wi-Fi系统和大数据领域著名的Spark系统就分别发表在2016年和2012年的NSDI大会上。2022年NSDI大会即将在明年四月在美国华盛顿兰顿市召开,会议从298篇高质量投稿中优中选优最终录取了50篇文章。


编辑:肖洁  / 审核:林坤  / 发布:陈伟