Wi-Fi无源物联网反向散射通信 学习记录

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WFBC_demo

1. 反向散射技术简介

待补充…

2. 实现思路

2.1 数据传输方式

假设局域网内有一台主机A、一个反向散射标签，一台无线AP（或另一台主机B）。在反向散射系统中，如果主机A想获取标签的数据，需要标签将数据调制到局域网中的某个已有的信号上，并由主机接收。

比较直观的思路是，使标签改变信号的幅度或相位，相当于在物理层上对信号进行调幅或调相。但因为标签反射信号的强度远低于原信号，不容易在接收端解析出标签传递的数据。此时我们可以利用802.11协议的 MAC层帧聚合 和 块ACK 机制，在数据链路层上进行操作[1]。

2.2 利用MAC层聚合帧进行二元调制

Wi-Fi 802.11n协议引入了帧聚合机制，将多个MAC层PDU帧聚合成一个大型帧（A-MPDU），一次性交付物理层进行传输。使用该方法可以减少封装开销和信道竞争，增大网络吞吐量。

802.11协议规定，对于任何单播数据帧，都要立即发送ACK帧进行回应。而对聚合之后的帧，接收方只需要发送一个 块ACK 帧，即可分别对多个帧进行回应。

当主机需要获取一个反向散射标签的数据时，主机首先主动向无线AP发送A-MPDU帧。在聚合帧传输过程中，标签会选择性地干扰其中的一些帧。这样，在无线AP回传给主机的块ACK中，就可以看出哪些帧被干扰了。如果把“干扰”和“不干扰”这两种状态当成“0”和“1”，就可以实现简单的二元调制。

2.3 反向散射标签设计

待补充…

3. 设备和软硬件环境准备

  • 安装 Linux
    双硬盘安装双系统Win11+Ubuntu22.4

    【注】后续将使用CSI分析工具PicoScenes，截至2025年2月其支持的环境为：
    系统： Ubuntu 22.04 LTS 或其变体，最高内核版本6.0.5-15，同时必须安装在物理机上
    无线网卡： AX200（或 AX201）、AX210（或 AX211）、QCA9300 和 IWL5300

  • 切换 Linux 内核版本
    ubuntu 内核降级，切换linux内核版本

  • 启用 Pktgen （生成Wi-Fi数据包）
    Linux内核pktgen的使用

  • 安装 PicoScenes （监测Wi-Fi信号的CSI信息[3]）
    PicoScenes文档

  • 安装 PicoScenes MATLAB Toolbox （解析PicoScenes捕获的CSI信息）
    PicoScenes MATLAB Toolbox Core

    【注】在Windows下，该Toolbox需要调用TDM-GCC编译器。在安装TDM-GCC编译器时，目录名称不能含有空格，否则MATLAB无法检测到编译器。

4. Wi-Fi 数据包收发及CSI监测

使用AX200网卡测试Wi-Fi数据包收发，并收集其信道状态信息，分析信号传输和子载波状态。

  • Pktgen 生成Wi-Fi数据包
    在Ubuntu下生成数据包，向局域网内主机发送UDP包。可自定义数据包长度、源/目的地址等参数。
    【注】由于数据包发送层次原因，发送方无法在Wireshark中捕获到Pktgen生成的数据包，接收端可以正常捕获。

WFBC_Pktgen_1

WFBC_Pktgen_2

  • PicoScenes 收集Wi-Fi信道状态信息（CSI）

WFBC_PicoScenes

WFBC_PicoScenes_MATLAB

使用 PicoScenes MATLAB Toolbox 解析不同子载波的幅度和相位

WFBC_CSI_result2

5. 802.11 WLAN报文捕获

在无线网络中使用Wireshark抓包时，网卡默认会将接收到的802.11帧转换为以太网帧/数据包显示，无法直接监听802.11帧。为了直接观察WLAN报文，我们需要将网卡置于监听模式（Monitor mode）。

监听模式下，网卡会停止自身数据收发。此时无线环境中所有数据帧都会被网卡接收，不再区分不同的WLAN。

在Ubuntu系统中，我们可以使用 Aircrack-ng 套件中的 Airmon-ng 工具将网卡切换为监听模式。

开启监听模式后，我们需要在Wireshark中选择WLAN所属的信道和频宽。

WFBC_Wireshark_Channel

捕获到的802.11帧如下：

WFBC_802_11_Frame

6. 反向散射方案测试

为检验当前反向散射方案效果，我们使用一台运行Ubuntu系统的电脑作为客户端，在一部手机上开启移动热点作为模拟的路由器端，反向散射标签置于两者之间。由于网卡无法同时收发数据和监听802.11帧，我们额外添加一台电脑用于监听Block ACK。

WFBC_System_Real_1

系统测试时，客户端电脑不断向模拟路由器发送数据包，反向散射标签以10Kbps的速率切换干扰和不干扰状态。在监听电脑上观察模拟路由器向客户电脑发送的Block ACK，可以发现当不开启反向散射标签时，Block ACK显示子帧基本正常接收。

WFBC_Block_ACK_2_Bitmap

当开启反向散射标签，部分子帧被破坏，Block ACK的Bitmap部分出现大量0比特。

WFBC_Block ACK_1_Bitmap

WFBC_Block ACK_1_Bin_Bit

监听结果初步验证了当前反向散射方案的可行性，但传输稳定性不佳，误码率高，未达到部分参考文献中展示的效果。该现象可能与传输距离、信道电磁环境、反向散射标签设计等因素有关，我们将在未来持续改进系统设计。

7. 参考资料

[1] Abedi, A., Dehbashi, F., Mazaheri, M.H., Salehi-Abari, O., & Brecht, T. (2020). WiTAG: Seamless WiFi Backscatter Communication. Proceedings of the Annual conference of the ACM Special Interest Group on Data Communication on the applications, technologies, architectures, and protocols for computer communication.

[2] 付嵩博.反向散射共生通信系统标签波形与检测技术研究[D],2024

[3] Zhiping Jiang, Tom H. Luan, Xincheng Ren, Dongtao Lv, Han Hao, Jing Wang, Kun Zhao, Wei Xi, Yueshen Xu, Rui Li, Eliminating the Barriers: Demystifying Wi-Fi Baseband Design and Introducing the PicoScenes Wi-Fi Sensing Platform, in IEEE Internet of Things Journal (IEEE IOT-J), doi: 10.1109/JIOT.2021.3104666.