SIGCOMM 2022 阅读评述（十）

第36届 SIGCOMM 于2022年8月22日-8月26日在荷兰阿姆斯特丹召开。本次会议共收到279篇投稿，接收55篇论文，录取率为19.71%。 SNG的同学们按照会议日程对论文内容进行了分期评述，本期介绍session8的论文。

Session 8: Sensing and Wireless Communication Underwater messaging using mobile devices

Tuochao Chen (University of Washington), Justin Chan (University of Washington), Shyamnath Gollakota (University of Washington)

背景

每年都有数千万的人参加海底活动，例如在湖、河、海洋中潜泳。水下勘探在观察海洋生物、水污染以及记录水下环境的生物、地质和考古方面非常重要。在这些水下活动中，高效的通信对安全和导航至关重要。目前，使用手势是沟通交流和指明方向的主要方式。然而，由于手势信号的数量和视觉特性，这种通信方式在能见度低的情况下(如浑浊的水域)是无效的，其通信范围和可靠性受到限制。所以需要一套系统来实现高效的水下信息传递。

为了解决这个问题，商业机构已经设计了硬件，使用一组预先定义的信息或SOS信标发送双向短信。DARPA还启动了AMEBA项目，以打造定制硬件，使潜水员能够通过文本信息或附近的中继浮标以低比特率相互通信。这些设计需要定制的硬件，这些硬件既不普遍部署，也不经济。因此，本文提出设计一款水下通信系统及其配套软件AquaApp，并借助移动设备，如智能手机和智能手表等，完成通信。

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设计

水下移动设备定制

（1）频率的确定

由于智能设备之间的扬声器和麦克风不同，不同的发出和接受设备所需要选择的声波信号的频率也不同。作者使用不同牌子、不同型号的手机均进行了实验，测试显示，频率响应在4kHz以上减弱，这表明移动设备上高于此频率的声学通信可能具有挑战性。此外，作者还观察到多路径导致响应的毛刺出现在不同的频率上。因此，水下通信的理想频率可能会随位置而变化。

（2）通道交互

作者分析了空气和水下前后通道的频率响应。作者使用了同一型号的两款智能手机(三星Galaxy S9)，测量了持续时间为1秒的1至 3khz的频率响应。第一个手机被设置为向第二个手机发送一个数据，两秒钟后，第二个手机向第一个手机发送一个数据，并将手机分开2米，在空中和水下进行测量。从实验结果可以看出，在空气中发送的数据的频率响应在两部手机上是相似的。但是水下数据的频率响应有明显不同。这表明，对于前向信道和后向信道，通信的最佳频率是不同的。因此，一个明确的反馈信号需要从接收设备发送到发射设备。

（3）噪声环境

作者在同一地点用不同的智能设备记录5秒钟的水下环境噪音。每个噪声剖面被归一化为所有测量频率的最大振幅。实验结果图显示，在不同的设备中，噪声的振幅都在1khz以下。此外，噪音也可以在更高的频率看到，高达4.5 kHz。在作者的测量位置，水下噪声是由于水的流动声音和气泡的运动。此外，实验结果显示，不同智能手机的噪音分布也不同。

Post-preamble反馈机制

如图所示，作者所设计的协议，把包分成前文/报头和数部分据

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数据传输

在水下，由于来自表面、地板和其他物体的反射，多路径问题可能会很严重，导致符号间干扰(ISI)。为了在不牺牲比特率的情况下解决码间干扰，作者采用时域MMSE均衡来代替增加循环前缀。由于人类、海浪和其他水下物体的运动而导致的水道动态变化是另一个挑战。即使在包内，第一个OFDM符号的信道可能与最后一个符号不同，这可能会恶化均衡器的性能。在这里，作者设计了针对这些问题的编码和解码机制。

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MAC协议

在一个典型的用例中，希望网络能够在一个低负载的场景中运行，其中不是所有的发送器都在同一时间发送数据。然而，为了支持多台设备同时运行，作者也使用载波感知，类似于Wi-Fi，作为在多个发射器之间访问信道的中介手段。我们通过测量1-4khz波段的平均能级(这是系统中用于通信的频率范围)来实时实现载波感知，并每80毫秒进行一次测量。在传输之前，每台手机都测量信道上的能量水平是否超过预定义的阈值。当检测到能量等级超过阈值时，话机将等待一个随机回退周期。回退周期为报文持续时间的倍数。在此期间，手机会继续收听频道。如果在此回退周期内检测到信道上有能量，则会将回退时间增加一个报文的持续时间，以保证报文在信道上传输时不超过回退周期。在这个额外的时间过去后，手机将再次检查能量是否低于阈值。在回退时间的剩余时间过去后，通道是空闲的，然后电话就可以发送一个包。阈值是通过在使用前测量每个环境中几秒钟内的平均噪声水平来计算的。

性能评估

作者在各个环境下均进行了测试，实验测试表明，其设计的信息传输系统能够适应不同环境的要求，具有鲁棒性，达到传输信息的目的。作者在6个不同的水下环境中对AquaApp进行了评估，水深可达15米，在30米范围内可实现100bps - 1.8 kbps，在100米范围内可实现10- 20bps。

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个人观点

水下通信对于水下活动的安全和航行至关重要，比如水肺潜水、浮潜和科学探索。如今，参加这类活动的人有两种选择:(1)在娱乐活动中学习10-20种手势，在专业潜水中学习200多种手势。(2)购买专门定制的水声通信硬件。一方面，手势在可表达性、范围和可见性方面受到限制。另一方面，定制硬件对普通大众来说不是很容易获得，在某些情况下可能昂贵、笨重，而且非专业人士很难使用。本文探讨了是否可以使用商用现成手机实现水下数字水声通信。手机无处不在，触手可及，使用方便。只要把手机放在一个防水的袋子里(售价约30至40美元)，下载一个应用程序，利用手机的麦克风和扬声器在水下发送和接收声波，就可以在两台手机之间发送短信。该论文通过AquaApp实现了这一方法，提出了一个完整的设计，解决了几个系统挑战，比如手机上的麦克风和扬声器设计为在空气中而不是在水中工作，强多径问题，前向和后向信道，以及比特率的量级变化。该系统设计是完整的，因为它分析了信道特性，并据此设计了通信系统。

Empowering smart buildings with self-sensing concrete for structural health monitoring

Zheng Gong (Hong Kong Polytechnic University), Lubing Han (Xi’an Jiaotong University), Zhenlin An (Hong Kong Polytechnic University), Lei Yang (Hong Kong Polytechnic University), Siqi Ding (Harbin Institute of Technology, Shenzhen), Yu Xiang (Hong Kong Polytechnic University)

本文是由港理工、西安交通大学、哈尔滨工业大学等研究人员结合跨学科的视角完成的一篇文章。该文章主要介绍的是利用传感器的无线通信，实现对于建筑结构的健康性监测

背景

建筑的老化与损坏一直是土木工程的关注要点，恰当的监控建筑的健康程度有助于帮助工程师进行建筑状态评估，当建筑性能出现降低时，很可能导致建筑整体的损坏，带来极大的经济损失与人员伤亡。因此，结构健康监控（SHM）作为一个主要的方法，被广泛应用于土木工程领域的建筑健康监控。传统的方法，例如1.光纤传感器。2.光纤布拉格光栅传感器。3.电化学传感器。4.压电传感器。等，都需要线路的链接，这无法满足建筑的复杂性要求。而无线的网络传感器（WSN）则有两个缺陷，分别是1）需要电池等定期更换。2）只能应用于建筑表面。这两个问题给无线传感器等应用带来了极大的挑战。

设计

由于传统方法等局限性，本文使用一种新型的器件EcoCapsule。EcoCapusle是一种新型的压电散射传感器，它可以进行无线的充电，同时，机械波也为在混凝土里进行信息传播提供了条件。具体结构如图所示。图片

冗余波消除. 固体材料中，机械波的传播和液体下有着很大的不同。在液体材料中，机械波以单模状态传输，因此，这样的机械波易于捕捉并记录。但是，在固体中，机械波的传输可能存在多个状态，这种冗余严重接收端的解码效率。在固态物体中传播的波为体波，而体波分为两种，分别是P波和S波，而S波的衰减速度更少，因此，文章采用波棱镜的设计，保留S波进行相应信息等接受处理。处理方式如图所示。

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利用共振效应与双频FSK实现OOK. 开关键控（OOK）是压电反射的信息传递方式。但是，由于惯性等问题，当我们接通或断开PZT时，PZT仍然震动，这带来了信息间的干扰。因此，本文，与传统的在下行链路上采用OOK不同，而是利用FSK在反射节点侧实现OOK，这样的方法极大降低了惯性对表现的影响。

设计新型外壳与亥姆霍兹谐振器阵列. 本文设计了新型的球体外壳与无应力等外壳结构，极大增强了在复杂环境下的适应性。同时，本文还在接收端的PZT上，设置了亥姆霍兹谐振器阵列，从而进一步增大接受的波。

实验评估

在实验中，本文采用了以下几种设备，分别是Rigol DG2052信号生成器，Ciprian HVA-400-A功率放大器，OWON XDS3000示波器，YXLON FF35 CT扫描机。并在不同大小的混凝土块与墙壁里进行了相应的实验测试。通过测试如下图所示，该设计有约360微瓦的的功率，并于比特率无关。而EcoCapsule在500毫伏的电压下即可启动，并在电压增大时能更快地启动，如下图所示。而从下中，我们可以看到，利用EcoCapsule，可以在固态的物体中，获得之前液态介质的设计下类似的表现，这说明本设计可以极大减少固态物体对信息传输的干扰，获得较好的表现。此外，不同介质下的实验表明UHPC和UFPHRC能获得比NC更好的表现，如下图所示。图片

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个人观点

本文提出了一个切实可用的无线监控方法，介绍了一种新的节点EcoCapsule来进行结构健康监测。同时本文结合具体的情况，使用FSK在节点处而不是链路下实现OOK，达到了较好的表现，满足实际场景的需求。同时本文在真实的大桥上做了17个月的健康，体现了较好的结果。这个技术和方向都是较为新颖的，同时，本文的目标与任务也是十分重要的。 Higher-order modulation for acoustic backscatter communication in metals Peter Oppermann( Hamburg University of Technology), Christian Renner( Hamburg University of Technology) 背景在过去的几十年里，射频识别（RFID）利用反向散射通信，通过低成本和低功率的无线传感器实现了各种物联网应用，节点可以从载波中获取能量，并对反射的载波进行调制以被动地传输信息。然而，电磁波并不是在每一种情况下都可行（例如，在水下或设备被金属屏蔽时）。因此，替代性的类似后向散射通信方案受到广泛关注。例如用于生物医学应用或水下海洋环境。当背向散射时，标签对它在载波上进行的调制几乎没有控制权。现有的对金属中声学后向散射通信的研究集中在短而简单的信道上，并且只使用二进制差分调制方案。多路径特性严重影响了可靠通信的符号率设计使用动态的、针对通道的载体的潜力巨大。本文的目标是在金属背向散射通道中实现高阶调制方案，以提高数据速率。这有可能使需要大量数据的应用，例如，时间序列或图像，能够被动地传输。即使应用没有要求，更高的数据率也是有益的，因为它们减少了阅读器和标签的活动时间，从而节省了电力并减少了延迟。作者通过以下证明和工作，提出了一个基于COTS组件的开源读卡器(Reader)和标签(Tag)对原型，用于通信和即时信道表征。

进一步证明，阅读器的动态载波选择和标签的自适应负载可以显著提高通信系统的信噪比，在本文的案例中，与平均最佳载波相比，信噪比最高可达37dB。
为了有效地选择负载，本文利用了一个非线性声学反向散射信道的模型。
开发了一个阅读器和标签对的原型，它能够调制和解调拟议的高阶调制。为广泛的应用开发一个实用的解决方案，包括廉价硬件。
本文提出了一个轻量级的协议，用于在自动程序中估计信道参数，只使用所提出的阅读器/标签对，实现即插即用的声学反散射设备。本文展示了在广泛的不同通道，即结构的几何形状中的实际可行性和优点。
本文提出了一项研究，表明在更复杂的导波信道中声学后向散射的可行性，并证明高阶调制与信道编码相结合，在传统的简单信道和复杂信道中都能增加高达211%的数据量。

性能实验

在实验中使用了第4节中描述的标签和阅读器硬件。为了更灵活地选择参数，本文在一台台式电脑上进行了部分处理，它通过一个串行接口与标签和阅读器相连。更具体地说，个人电脑配置每个符号的负载阻抗，而阅读器传输阻抗测量值。而阅读器将阻抗测量结果传送给电脑。在实际应用中，阅读器将在其MCU上完全处理样本。传感器使用环氧树脂连接到两个不同的试样上，以实现与金属的强耦合。本文使用了五个不同的通道盘状传感器的直径为1厘米，厚度为2毫米。根据规范，它们在径向模式下的谐振频率为200 kHz，在厚度模式下为1 MHz。并研究了拟议的信道模型和由此产生的负载选择算法。然后，本文探讨了不同参数下的最大可实现的数据速率，即符号数、细化的信道估计和编码增益的影响

通过推导和评估基于莫比乌斯变换的声学后向散射信道模型，本文能够为高阶负载调制方案动态选择最佳负载，与二进制调制相比，在本文所有的测试中，声学后向散射系统的数据率都得到了提高–无论是在SWP还是GW信道中。在最好的测试案例中，实现了211%的数据率增长。然而，在高阶负载调制中，只有在与信道编码相结合的情况下才能实现最强的收益。

个人观点

金属信道中的多径传播限制了可实现的数据传输率，这一点通常通过信道均衡来缓解。背向散射信道的非线性使直接的均衡技术（如逐个符号的均衡器）的实施变得复杂。在未来的工作中，背向散射信道均衡可以大力提高声学背向散射通信的潜力。此外，在这项工作的范围内，本文只调查了LDPC编码。未来的工作将对不同编码方案的编码增益和性能之间的权衡进行详细分析。 RF-protect: privacy against device-free human tracking Jayanth Shenoy(University of Illinois Urbana-Champaign), Zikun Liu(University of Illinois Urbana-Champaign), Bill Tao(University of Illinois Urbana-Champaign), Zachary Kabelac(Analytical Space), Deepak Vasisht(University of Illinois Urbana-Champaign) 背景在过去十年中，学术界和行业都依靠基于FMCW1雷达的射频（RF）传感器来实现隔墙的人类跟踪。低频射频传感系统能够穿透墙壁和障碍物。这些传感器捕获人体的反射，以跟踪房间的占用情况、他们的日常活动以及他们的健康指标等。它们充满了严重的隐私泄漏风险。例如，窃听器可以在没有使用无线传感情况下来窥探别人，嵌入此类传感功能的智能传感器可以进行大规模的行为和健康数据挖掘。而且，目前用户没有简单的方法来避免这种跟踪设计如图所示，RF-Protect的设计主要包括2部分：（a）部署在环境中的新硬件反射器，该反射器在环境中生成伪可定制反射；以及（b）控制反射器的新算法框架，以确保这些伪反射模仿真实人类，即它们在不同活动设置中像人类一样行走和呼吸。RF保护可以部署在家中的墙上，并在基于RF的传感中注入假信息，而不需要任何物理运动。图片

接下来从2个方面介绍RF-Protect的设计：

创建动态反射

作者的目标是创建从任意位置出现的反射，且简单。通过改变反射器切换的频率，可以在距离反射器不同的距离处创建反射。RF-Protect的硬件反射器基于这一理念，采用了一个开关天线阵列，能模拟来自不同方向的反射，并在二维空间中创建任意轨迹。从距离、方向和呼吸三个角度进行展开：

（1）距离欺骗

基于对FMCW的观察，若能找到一种以简单的方式在时间上改变(frequency shift)ΔfR的方法，便可以创建随着时间的推移而变化的动态反射。本文作者使用简单的硬件在雷达反射中诱导小的频移，从而产生时变ΔfR。事实上，可以以fswitch的开关频率打开或关闭反射器，在ΔfR+fswitch上创建反射信号。这种操作大致相当于将入射FMCW信号与频率fswitch波混合，但不需要混音器等高频组件，也不受到此类设备造成的衰减的影响。

（2）方向欺骗

利用反射器设计的简单性，在空间中创建物理扩展。基于对FMCW天线阵列的观察，在反射信号中创建平滑的角运动。如图沿着受保护区域的墙壁放置一个切换天线阵列（另一种设计可以使用多个单天线反射器）。每个天线充当潜在反射器，因此可以模拟沿着图中所示的线的运动。只需根据需要在不同天线之间切换，以模拟所需角度。

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（3）呼吸欺骗

利用一个移相器模拟人类呼吸运动。下图显示了RF-Protect的动态创建反射的设计示意图。反射器接收雷达信号，放大雷达信号，并将其通过开关频率下工作的开关，fswitch。微控制器可以操纵fswitch随时间变化，以产生由雷达信号感测的距离的随机变化。给定轨迹,RF-Protect将其映射到一系列天线和频率偏移，并使用RF-Protect反射器欺骗该序列。

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创建逼真的轨迹

为了生成类似人类运动的不同轨迹，作者使用一种条件生成对抗性网络架构cGAN来生成合成轨迹。RF-Protect的cGAN架构如图所示。cGAN用于从与输入样本相同的分布中生成新样本，这个过程是一个博弈过程，这一块主要涉及机器学习方面的知识。

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生成器架构：生成器旨在创建与真实轨迹相似的新轨迹。在生成器神经网络中，作者输入Gassuain噪声样本z以采样不同的轨迹。范围标签n选择轨迹类型。然后z和n（嵌入后）被连接并发送到完全连接层。最后，使用两层长短期记忆（LSTM）网络生成连续点以形成轨迹。

鉴别器架构：鉴别器的目标是从真实轨迹中识别假轨迹。本文的cGAN对真实和虚假轨迹进行采样，并挑战鉴别器将其分类。如图x所示，网络包括完全连接层，然后是隐藏大小512和退出概率0.5的双向LSTM。最终输出被发送到完全连接的网络中进行整形，然后是S形函数，以识别轨迹分数，即轨迹真实的可能性。

性能实验

作者针对最先进的FMCW雷达对RF-Protect进行测试。首先，RF-Protect的反射器可以精确复制任意轨迹，在其预期轨迹和雷达观测到的轨迹之间实现13厘米（家庭环境）和24厘米（办公室环境）的中位误差。其次，RF-Protect的GAN创建的轨迹遵循与hu-man轨迹相同的分布。最后，作者通过实验表明了RF-Protect允许合法雷达通过传输注入的反射数据来解码真实的人体轨迹。

总结

本文介绍了RF-Protect，这是一种硬件软件系统设计，使最终用户能够反击未经授权的跟踪。它在环境中注入伪人类反射，并通过基于FMCW的RF传感系统使得对方无法做出错误的判断。

个人观点

优点（1）射频保护显著限制了对感测数据的推断。通过注入虚假的人类反射，RF-Protect使得诸如房屋占用率、居住者睡眠状态、健康指标等推断出现错误。

（2）如果没有side-channel 信息，RF-Protect很难被检测到，因为反射器本身不传输任何信号。

（3）RF-Protect不会干扰合法的传感器。其硬件反射器可以将注入系统的“假”信息传送到用户授权的合法跟踪设备。合法设备可以去除假反射并获得真实跟踪结果。 Kiwifruit (often abbreviated as kiwi), or Chinese gooseberry is the edible berry of several species of woody vines in the genus Actinidia.

The most common cultivar group of kiwifruit is oval, about the size of a large hen’s egg (5–8 cm (2.0–3.1 in) in length and 4.5–5.5 cm (1.8–2.2 in) in diameter). It has a fibrous, dull greenish-brown skin and bright green or golden flesh with rows of tiny, black, edible seeds. The fruit has a soft texture, with a sweet and unique flavor. Cyclops: an FSO-based wireless link for VR headsets Himanshu Gupta, Max Curran, Jon Longtin, Torin Rockwell, Kai Zhang (Stony Brook University), Mallesham Dasari (Carnegie Mellon University) 这篇论文来自纽约州立大学石溪分校的研究者们，针对虚拟现实技术中VR耳机所需的无线链路速率较慢，目前的射频 (RF) 链路（包括毫米波）无法提供所需数据率的问题，提出了Cyclops，它使用自由空间光学 (FSO) 技术创建高带宽 VR无线链接。背景目前，虚拟现实 (VR)技术迅速兴起，它创建了一个模拟环境，用户可以在其中变得完全沉浸。标准高性能VR系统使用功能强大的计算机来渲染虚拟场景，然后显示在用户佩戴的VR耳机(VRH)中。为了提供真实Kiwifruit (often abbreviated as kiwi), or Chinese gooseberry is the edible berry of several species of woody vines in the genus Actinidia.

(2)跟踪和指向 (tracking and pointing，TP) 机制。利用 VRH 的内置跟踪系统设计和开发基于学习技术的新型TP机制，该技术可以根据需要使用两端的转向镜来控制光束，实现跟踪VRH位置并根据Kiwifruit (often abbreviated as kiwi), or Chinese gooseberry is the edible berry of several species of woody vines in the genus Actinidia.

性能评估本文的实验评估部分重点关注讨论以下四个方面：（1）具有足够运动容的FSO链接设计；（2）整体原型设计，以及学习 G 和整体 TP机制的评估；（3）不同 VRH 运动的吞吐量评估；（4）基于用户跟踪的评估；以第四点为分析案例，本文根据可用的 VRH 用户移动轨迹评估原型，通过基于其性能指标对其进行模拟。结果显示：实验中的25Gbps 链路原型在所有 500 条迹线中 98.6% 的时隙中运行，在 500 条迹线中运行百分比从 99.98 到 95% 不等，具有较好的性能表现。

为了衡量用户体验，实验还衡量了非时隙的聚集/分散程度，因为广泛分散的非时隙对用户体验的影响应该是最小的。结果分布显示大多数非时隙（>60%）发生在少于 10 个非时隙的帧（30个连续时隙）中，说明该系统可以带来良好的用户体验。

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个人观点这篇研究的重心在于解决VR技术中VRH无线连接速率的问题，具有很强的实用性，同时关于VRH内置机制的设计也具有一定的创新点。实验根据侧重点不同进行程度的评估，但在具体现实场景的应用中仍缺乏真实案例的评价，对于该系统的大规模部署缺乏说明。