Leggiero —— by Yuan He

简介

一种物理层上的实现方式，在每一个WiFi Packet上都进行调制，但是只调制每个包的特定部分：

在帧头存在一部分的保留区域，不影响通信，可以在这部分进行调制；

实现原理

定义反射系数为反射的信号比入射的信号，理想情况设置两种反射系数，幅值都为1，但是相位呈现180翻转。

如何实现根据要传输的数据自行在两种反射系数之间进行切换？可以使用可变电容作为负载：

此时的反射系数定义如下：

$$\boxed{\Gamma_C = \frac{Z_C - Z_0}{Z_C + Z_0} = \frac{1 - j2\pi f C Z_0}{1 + j2\pi f C Z_0} = e^{j\theta_C}, \theta_C = -2 \arctan(2\pi f C Z_0)}$$

这里我们让 $Z_0$ 为特征阻抗 $50Ω$

因此我们只需要根据需要发送的数据，改变电容的数值，便可实现反射系数的改变，从而调制数据。一种知觉方法是使用可变电容传感器实现，但是该方案面临两个问题：

可移植性差，由于电容传感器限制了应用范围；
非线性电容变化，可解释性差；

因此，选择使用电压信号控制电容大小，从而实现反射系数的改变是一个更好的选择，实现方式就是将负载更改为反向偏置PN结压控二极管。这种二极管的电容有两个优势：

电容值小，意味着有很大的可变范围；
电容值变化平滑。

例如，一种典型的GaAs材质的压控二极管在偏置电压为 $0-20V$ 时的电容在 $0.1-2.0pF$ 中变化。

最终的电路设计如下：

偏置电压对应的支路添加一个电感，防止WiFi信号从偏置电路逸散；同理，在信号到地之间添加一个电容，防止偏置电压直接到地。同时又因为偏置电压被压控二极管和电容 $C_s$ 阻塞，因此几乎没有电流！这就意味着整个电路几乎不消耗能量！

特殊点：负载透明性

ESS，即Extra Spatial Sounding，是802.11n提出的一个长训练字段，位置在每一个packet的帧头：

该字段用于MIMO系统中对空间流进行信道探测从而更好的进行信道信息估计，在WiFi中该字段没有使用，因此影响该字段即不影响帧头，也不影响payload，实现了传输的”透明性”。

因为有两段，一个是DLTF，另一个是ELTF，两个字段结构上相邻因此时间上可以认为是同时的，传输过程中经过的信道也相同，所以只需要定位到ELTF并切换反射系数，在接收端通过比较DLTF和ELTF的区别便可以得到调制的数据。

对整个包做信道估计，除去ELTF的部分称为参考部分，对应的CSI称为参考CSI；而ELTF则作为嵌入部分，对应的CSI为参考CSI，比较两者CSI对应的相位差可以得到只有Tag的影响（环境CSI在参考中消除了）。

由于环境中存在多个信号传输路径，因此存在没有被Tag影响的packet，如此在接收端容易导致自干扰，所以采取频谱搬移的手段，将反射的信号搬移20MHz到相邻信道。得益于负载和调制信号的交织，接收端只需要监听相邻信道不仅可以正常实现负载的接收，同时还能解调出Tag调制的信号。

问题是如何定位ELTF这部分呢？

文章提出的是通过时间进行定位。首先通过包检测电路判断是否有packet到达Tag，使用包络检波的手段同步数据帧，然后静默 $36 \mu s$，这是一个特定的事件，对应帧头ELTF前面部分的持续时间。等待静默后切换反射系数，嵌入数据，这个时间持续 $4 \mu s$。

由于电感和电容组成的LC电路（阻直流），压控变容二极管的偏置电压并不会突发变化，而是缓慢的抖动上升。这种暂态过程可能会持续大概 $2\mu s$，影响帧的同步，从而影响通信的效果；

信息解调

接收机接受的调制信号对应CSI为：

一个packet中除了HLTF部分是Hess信道响应外，别的部分是常规CSI。

由于不同的电压值对应不同的反射系数，而CSI的估计存在误差，会对应表现在反射系数中，在通过相位反推电压时容易出现误差，因此我们将电压进行量化，分为不同的等级，给定了一定的相位误差阈值。

The number of segments determines the resolution of this sampling process. A higher segment number means higher throughput, but more errors may be introduced to digitization

为了防止自干扰，在Tag处添加了一个频谱搬移模块将调制的信号搬移到相邻信道；为了确定什么时候搬移信号，可以在接收机处发送一个激励信号（在原始信道中传输），告诉Tag搬移信号并且将接收机监听的信道调整为相邻信道；Tag接收到激励信号后使能频谱搬移，并按照调制的方式进行信号发送；