22、多协议反向散射与麦克风阵列反向散射技术：无线通信新突破

多协议反向散射与麦克风阵列反向散射技术：无线通信新突破

多协议反向散射系统性能评估

多协议反向散射系统（multiscatter）能够根据不同应用需求灵活调整参数，模式 1 在两种数据类型间实现了最佳平衡，因此被作为后续评估的默认设置。

反向散射传输性能

在视距（LoS）场景下，对多散射（multiscatter）的传输性能进行了测试。将标签固定在距激励源 0.8 米处，接收器从距离标签 2 米移动到 20 米。主要测量了四种协议的接收信号强度指示（RSSI）、误码率（BER）和吞吐量。
| 性能指标 | 变化情况 |
| ---- | ---- |
| RSSI | 随着距离从 2 米增加到 20 米，从 -60 dBm 降至 -85 dBm |
| BER | 即使标签距离接收器达 16 米，四种协议的 BER 仍保持较低水平 |
| 吞吐量 | 蓝牙为 278.4 kbps，802.11b 为 219.8 kbps，802.11n 为 101.2 kbps，ZigBee 为 26.2 kbps |

激励碰撞的影响

为进一步评估多散射的性能，研究了不同激励在时域和频域发生碰撞时的情况。
1. 时域碰撞 ：设置 802.11n 信号（2.417 GHz，2000 pkts/s，300 字节）和 BLE 信号（2.432 GHz，34 pkts/s）发生碰撞。结果显示，802.11n 的吞吐量相对稳定，而 BLE 的吞吐量从 278 kbps 迅速降至 92 kbps。这是因为 Wi-Fi 数据包的速率更高，为了在这种碰撞场景中保持 BLE 的吞吐量，需要在标签上实现滤波器。
2. 频域碰撞 ：802.11n 激励不变，另一个激励为 2.415 GHz、速率为 20 pkts/s 的 ZigBee 信号（200 字节/包）。结果表明，ZigBee 和 802.11n 的吞吐量受频域碰撞影响不显著，这是因为两种激励在时域上不重叠，且采用的有序模板匹配方法能有效区分这些数据包。

利用激励多样性

1. 适应不连续激励 ：在现实场景中，特定激励信号通常不会持续稳定存在。通过实验，让 802.11b 和 802.11n 激励信号交替出现，使用多散射标签和 802.11b 标签测量系统吞吐量。当没有 802.11b 信号时，802.11b 标签的吞吐量降至 0，而多散射标签仍能持续传输数据。这是因为多散射能够识别不同协议并相应调整传输，从而充分利用激励多样性。
2. 混合激励信号 ：环境中存在多种激励信号，且不同场景下各信号的数量不同。在 802.11n 信号多、802.11b 信号少的场景中测试多散射标签和 802.11b 标签的性能。多散射标签能智能识别当前 802.11n 激励信号可产生最高的反向散射净吞吐量，并选择其作为激励，以实现高净吞吐量目标，可满足用于身体监测的智能手环的传输需求，而 802.11b 在这种场景下无法工作。

应用案例：个人健康监测

未来，大量微传感器（包括侵入式和非侵入式）用于身体监测将成为趋势。例如，无电池隐形眼镜可监测眼睛疲劳程度，无电池汗液传感器可分析汗液成分以了解身体状况，无电池传感器还可植入皮下监测血流以预防心血管疾病。这些传感器需要获取足够的激励信号来将收集的数据传输到接收器。过去的系统仅支持一种激励信号，当人们移动到该信号弱而其他信号强的环境时，设备将无法工作。而多散射系统支持 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee 等多种信号，Wi-Fi 和蓝牙信号可通过手机轻松获取，ZigBee 网络在家庭自动化、工业控制等众多领域广泛应用，因此该系统能确保稳定运行，实现对人体健康的持续监测。

graph LR
    A[激励信号] -->|Wi-Fi| B(多散射系统)
    A -->|蓝牙| B
    A -->|ZigBee| B
    B --> C(个人健康监测传感器)
    C --> D(数据传输)
    D --> E(接收器)

综上所述，多协议反向散射系统能够有效识别和利用多种环境激励信号，实验证明了该系统的有效性和可行性，为物联网应用开辟了新的可能性，显著扩展了反向散射系统的通用性，向大规模部署迈出了坚实的一步。

麦克风阵列反向散射技术实现同步多轨音频传输

传统麦克风阵列设计的挑战

传统麦克风阵列设计面临着精确同步的重大挑战。为实现同步，它们采用复杂的数字处理，这导致需要庞大且耗电的硬件。例如，最新的商用现货（COTS）麦克风阵列产品通常仅负责采集声音信号，音频轨道之间的同步任务被转移到与之连接的计算机上，同步算法在数字信号处理器（DSP）甚至专用单板计算机上运行，相应的计算开销和延迟非常大，还需要 ADC、DSP 和编解码器等复杂组件，导致消费设备的功耗和硬件复杂度过高。无线同步方案则更加复杂，如使用多个智能手机构建麦克风阵列并通过 Wi - Fi/蜂窝网络接口将录制的音频信号流式传输到服务器进行同步和处理，或者使用 GPS 信号进行大规模空间音频记录的同步，但无线流式传输带来的不确定性使音频轨道的同步任务更加复杂。

新型麦克风阵列传感器架构

为解决上述问题，引入了一种新型麦克风阵列传感器架构，该架构使用模拟反向散射通信实现多轨音频信号的同步并发传输。关键技术包括脉冲位置调制（PPM）和差分脉冲位置调制（DPPM）基带电路，它们可以生成用于反向散射的频谱高效、时分复用和多轨同步的基带信号。围绕这两种新型设计，还进行了硬件和软件定制，以实现低功耗和高质量的空间声音记录。
1. 定制的 PPM 和 DPPM ：设计了 PPM 和 DPPM 来将音频信号转换为实时脉冲位置。为实现多轨音频记录，系统采用时分复用接入方式，使用循环轮询方法逐个检查麦克风，每个调制后的音频轨道占用一个单独的时间段。
2. 被动传输 ：利用反向散射技术流式传输音频信息。每个轨道的 PPM 或 DPPM 信号在录制后立即使用相移键控（PSK）调制到射频载波上，同时还嵌入了每个轨道上声音记录的采样率等必要信息。
3. 低功耗设计 ：通过显著消除数字同步和处理任务，并用超低功耗反向散射模块取代传统的射频收发器，降低了系统功耗。ASIC 仿真表明，该设计能够实现高功率效率，适用于许多可穿戴设备。

实验结果与应用案例

构建了基于低功耗现场可编程门阵列（FPGA）的麦克风阵列原型，以展示其有效性。
| 性能指标 | 具体数值 |
| ---- | ---- |
| 通信范围 | 支持 28 米的通信范围（8 音频轨道，48 kHz 采样率） |
| 吞吐量 | 相应的吞吐量达到 6.4 Mbps |
| 延迟 | 4 音频轨道时的延迟约为 87.4 μs，比使用声卡、专用编码和流式传输软件以及 Wi - Fi/蓝牙适配器的数字解决方案低约 650 倍 |
| 功耗 | ASIC 仿真功耗在 8 轨道 48 kHz 音频信号下可优化至约 175.2 μW |

此外，还介绍了基于该麦克风阵列反向散射设计的三个应用：
1. 声学成像系统 ：利用麦克风阵列采集的空间音频信息，构建声学图像，可用于检测声音源的位置和强度分布。
2. 波束形成滤波器 ：通过对多个麦克风信号进行处理，形成特定方向的波束，增强该方向的信号接收，抑制其他方向的干扰。
3. 语音控制系统 ：识别和处理采集到的语音信号，实现对设备的语音控制。

graph LR
    A[麦克风阵列] -->|音频信号| B(PPM/DPPM调制)
    B -->|调制信号| C(PSK调制)
    C -->|射频信号| D(反向散射传输)
    D -->|接收信号| E(接收器)
    E -->|处理| F(声学成像系统/波束形成滤波器/语音控制系统)

综上所述，麦克风阵列反向散射技术为无线多轨音频同步提供了一种低功耗、高质量的解决方案，通过创新的架构和调制技术，克服了传统设计的挑战，具有广阔的应用前景。