第21届HotNets于2022年11月14日-11月15日在美国得克萨斯州奥斯汀召开。本次会议共收到104篇投稿，接收32篇论文，录取率为30.77%。

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session7的论文。

Session 7: Towards NextG Wireless and Cellular Systems

Towards Dual-band Reconfigurable Metamaterial Surfaces for Satellite Networking

Kun Woo Cho, Yasaman Ghasempour, Kyle Jamieson (Princeton University)

这篇⽂章来自普林斯顿大学的研究者。本文探讨了一种双波段、电子可调谐的智能表面是如何使卫星和移动用户之间的波束动态对准，使城市峡谷中的服务成为可能，并改善农村地区的服务。

背景

近年来，多家公司的网络正处于不同的部署阶段，低地球轨道(LEO)卫星数据组网引起了人们的极大兴趣。这些网络由数百颗卫星组成，在延时和覆盖范围上都有优势。Ku频段（10.7-18 GHz）是这类低轨卫星网络的自然选择，因为它的波长比目前使用的较高频段长（25-17毫米），在一定程度上抵消了降水的影响，但其波长短到足以产生窄波束，用于与地面进行高度定向通信。由于它具有短波长（25-17毫米），当穿过厚壁时会经历损耗，因此它需要一种在发射机和接收机之间的视线(LOS)或near-LOS（即仅穿过低损耗材料，如玻璃）路径。

设计

这篇论文探讨了低轨卫星组网设计空间的创新，提出了一种可重构智能面网(RIS)。其中包括一个双波段，超材料为基础的RIS设计Wall-E。

这篇工作在惠更斯晶胞的设计空间中探索了新的方向，惠更斯晶胞由磁边和电边组成，依次讨论了这两个方向（如上图所示）。图中（a）描述了一种只在一个频带内工作的磁性元原子结构。这里，入射电磁波的磁场在金属环（黄色）内感应出旋转电流（用绿色箭头表示），而旋转电流又产生自己的磁场。为了操纵场的重新发射，元原子与变容二极管集成在一起，变容二极管是一种电压依赖的电容器。磁元原子本质上是一个由电感和电容组成的谐振腔。因此，谐振响应可以通过变容管来控制。因此，实现双谐振单元的一个幼稚的方法是包括两个共同定位的金属环（内环优化用于15 GHz的较高上行链路频率，外环优化用于10 GHz的较低下行链路频率），如图中（b）所示。这种方法虽然简单，但需要两个独立的变容管，增加成本、插入损耗和偏置复杂度。

相反，作者想同时控制外圈和内圈，使用一个单一的共享变容管（图中（c））。然而，作者发现，在这样的结构下，只有外环振荡，元原子有效地仅以单一频率运行。为了允许低频信号进入内环，作者在连接部分加载了两个RF扼流圈，它阻挡高频信号（内环），并通过低频信号（外环）。此时可以用两种方式设计扼流圈：安装线圈电感（图中（d））或用一条细的弯曲线铜迹桥接内外环（图中（e））。通过调节曲流的宽度和长度，我们可以施加一个合适的电感值来抑制信号。由于线圈电感增加了插入损耗，作者最终选择了图中（e）作为磁性侧设计候选。

由于低轨卫星和终端用户的移动性，波束对准在维持移动卫星通信网络链路质量方面起着关键作用。由于角度互易性，WALL-E可以同时将下行和上行波束转向相同的角度。具体地说，假设施加到表面的特定偏置电压配置，使得对于在10 GHz的入射下行链路信号产生的传输转向角，如上图所示， 由于角度互易性，在处撞击表面的上行链路信号将被重定向到卫星位置。因此，FDD卫星网络中的角互易性要求快速波束对准，作为优化下行传输的表面结构，在上行通信中起作用，反之亦然。

个人观点

这篇文章是第一个针对Ku射频频段的双通道的设计，采用了一种新颖的双惠更斯谐振器设计，利用无线电互易性，允许表面同时在卫星上 行链路和下行链路方向上引导能量，并在反射和透射工作模式下引导能量。

Bringing WiFi Localization to Any WiFi Devices

Tianxiang Li (University of California, Los Angeles), Haofan Lu(University of California, Los Angeles), Reza Rezvani(University of California, Los Angeles), Ali Abedi(University of Waterloos), Omid Abari(University of California, Los Angeles)

本文由加州大学洛杉矶分校和滑铁卢大学的研究者合作完成。作者在本篇文章中提出了一种WiFi定位的新方法，该技术克服了先前的局限性，能够集成到任意的WiFi设备中。具体来说，该文章提出了一种WiFi天线设计，能够适用于具有单个RF链的设备。

背景

近些年关于WiFI定位技术的研究有一个很大的局限性，即不能集成到只有一个收发器链的低成本低功耗的WiFi设备中。

具体来说，现有的WiFi定位技术可以分为两类：多设备定位和单设备定位。多设备WiFi定位技术需要多个WiFi设备协作并共享它们的信息来定位另一个设备。该技术一般针对存在密集WiFi部署的环境。与多设备定位系统相比，单设备定位系统内只需要一个WiFi设备来定位其他设备。该技术可以通过单个接入点进行定位，但要求AP具有MIMO功能，即具有多个收发器链的多个天线。该技术一般针对小型企业和家庭。

由于成本和功耗限制，大多数低成本WiFi芯片组只有一个收发器链。现有的WiFi定位系统无法在具有单个收发器链的低功耗低成本WiFi设备上实现WiFi定位。

为了能够将WiFi定位技术集成到任何WiFi设备中，尤其是那些具有单个收发器链的设备，本篇论文提出了WiSight。WiSight是第一个让任何WiFi设备能够定位其他WiFi设备的即插即用系统。

设计

对于单个WiFi设备定位另一个设备，它需要两个参数：（a）自身与目标设备的距离，以及（b）目标设备相对于自身的方向。为了测量距离，定位系统通常会估计飞行时间（ToF），然后将其乘以光速以获得距离。为了测量目标设备相对于自身的方向，现有系统使用多个天线并测量天线处接收信号的相位差以计算到达角（AoA）。这正是当今单设备定位系统需要多个收发器链的原因。

为了解决这一限制，WiSight使用802.11的固有特性和专门设计的天线来测量AoA和ToF。其中，对于AoA，WiSight设计通过基于FSA技术的新型天线，可以集成到任何WiFi模块，其波束根据信号频率在不同方向形成。通过IEEE 802.11协议的固有探测过程可以测量WiFi设备在不同频道（波束方向）的接收信号强度指示器（RSSI）。这使得WiSight能够使用单个RF链估算其他WiFi设备的AoA，而无需对WiFi芯片组或固件进行任何修改。

飞行时间 (ToF) 通常通过交换 WiFi 数据包并测量数据包到达其他设备所需的时间来测量 WiFi 客户端设备与其接入点之间的时间。例如，客户端设备向其接入点发送数据包并测量接收该数据包的 ACK 所需的时间。这种技术的局限性在于它只能在客户端设备和它的接入点之间工作。具体来说，客户端设备不能直接向另一个客户端设备发送数据包来测量 ToF，因为所有流量都必须经过接入点。在 WiSight 中，为了测量所有附近设备的 ToF，即使是那些不在网络中的设备。为此，WiSight向目标设备注入一个假数据包，假装该数据包来自合法来源，如接入点。虽然这个假数据包没有加密，但它仍然会触发来自目标的物理层 ACK。

评估

论文的性能评估部分使用现有的WiFi设备评估方法的有效性。实验结果表明WiSight可以使得低成本低功耗的WiFi设备准确估计目标设备的ToF和AoA。

观点

论文准确分析了现有WiFi定位技术的局限性，即现有技术无法在具有单个收发器链的低功耗低成本WiFi设备上实现WiFi定位。对此， 论文分别在硬件层面和软件层面对WiFi定位技术进行了优化，通过在硬件层面上引入基于FSA技术的低成本无源WiFi天线，在软件层面上将这种天线与802.11协议的固有特性相组合，使任何WiFi设备都能够估计周围WiFi设备的ToF和AoA。

但是，由于引入了FSA天线，它会根据不同的工作信道频率在不同的方向上产生定向波束。在正常操作期间，这会影响定位设备与其AP之间的正常通信。如何降低WiSight对正常通信操作的影响是系统可以继续探究的一个突破点。

Boosting the Sensing Granularity of Acoustic Signals by Exploiting Hardware Non-linearity

Xiangru Chen (Duke University), Dong Li (University of Massachusetts Amherst), Yiran Chen (Duke University), Jie Xiong (University of Massachusetts Amherst)

本文由杜克大学和马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究者合作完成。论文提出了一种针对声学传感的新的方案，即利用麦克风的非线性失真来进一步提高声学传感粒度。

背景

声学传感作为一种新的传感方式，近年来引起了极大的关注。研究界投入了大量努力来推动声学传感的边界，例如增加传感范围，并将传感能力从单个目标提高到多个目标。本文展示了通过利用智能手机等商品设备的非线性来提高传感粒度的可能性。

设计

为了实现细粒度传感，通常将接收到的信号在复平面上可视化。其中静态路径矢量是从扬声器到麦克风的直接路径和静态物体的反射的结果，而动态路径矢量是动态物体反射的结果。

由于静态路径的存在，直接从坐标原点提取的相位变化是不准确的。为了解决这个问题，先前的研究提出通过圆拟合I/Q轨迹来估计圆弧中心的位置，然后从圆弧中心来提取准确的相位变化。较大的相位变化会导致更好的传感性能。此外，较长的I/Q轨迹可以提供更准确的弧中心估计，从而提供更准确的相位提取。

先前的研究表明I/Q轨迹的长度与传输信号f的频率成正比。因此提高传感粒度的一种简单方式是增加传输信号的频率。然而，根据奈奎斯特采样定理，商品设备上仅支持24kHz的最大频率，这不足以准确预测亚毫米级的运动。

为了打破采样率的限制，论文提出了一种新颖的解决方案，即通过利用商品设备的非线性来提高传感粒度。

非线性通常存在于放大器以及振膜等商品设备上的扬声器和麦克风组件中。它在接收信号中引入了互调失真，从而在高阶互调频率上产生额外的信号。先前的研究表明，二阶互调可以应用于安全和通信领域。具体来说，由于硬件非线性，两个高频声音可以产生一个低频互调信号。

与先前的研究不同，本文通过研究发现，三阶互调可以显著提高传感粒度。具体来说，麦克风接收到的信号是来自扬声器的直接路径和来自周围物体的反射路径的叠加。由于各种信号传播延迟，直接路径信号和目标反射信号的频率不同，这为在硬件上创建三阶和更高阶互调信号提供了先决条件。

论文通过数学分析和实验验证得出。生成的互调信号会导致相位变化比原始信号大数倍。对于相同的移动量，互调信号的感应相位变化远大于原始信号的相位变化。因此互调信号可以获得更准确的用于感测的相位变化。

评估

论文在ReSpeaker平台和五个不同品牌的智能手机上进行了实验，实验结果表明：

1. 互调信号一般存在于被测设备上，其中相位的变化因设备而异

2. 除了3阶互调信号外，还可以观察到5阶和7阶互调信号。其中更高阶的互调信号具有更大的相位变化，但是强度比较弱，为了获得良好的传感性能，需要选择阶数合适的互调信号。

3. 振动测量原型实验表明，论文的设计能够在所有被测设备上实现准确的振幅测量。亚毫米级振动传感精度从0.137mm提高到0.029mm。

观点

论文利用麦克风的非线性失真来提高声学传感粒度，并通过严谨的数学分析和广泛的实验验证得出结论–通过适当利用硬件非线性，能够显著的提高传感粒度。此外，如何权衡声信号的传感范围和传感粒度是后续可以继续进行研究的一个突破点。

Trust-free Service Measurement and Payments for Decentralized Cellular Networks

SVR Anand(Kaleidoscope Blockchain Inc.), Serhat Arslan(Stanford University), Rajat Chopra(Kaleidoscope Blockchain Inc.), Sachin Katti(Stanford University), Milind Kumar Vaddiraju(Banyan Intelligence), Ranvir Rana(Kaleidoscope Blockchain Inc.), Peiyao Sheng(Kaleidoscope Blockchain Inc.), Himanshu Tyagi(Kaleidoscope Blockchain Inc.), Pramod Viswanath(Kaleidoscope Blockchain Inc.)

这篇⽂章来自Kaleidoscope公司与其他研究机构的研究者。本文探讨了一种新型去中心化网络服务计费方式，通过利用区块链技术来保证多方可信度，为小型网络运营商的服务提供了可信保证。

背景

去中心化的蜂窝网络，用户可以由不被信任的个人和小企业提供服务，而不是由垄断的运营商提供服务，这预示着电信领域的巨大变化。而且，分散的网络不依赖用户和供应商之间预先建立的法律协议进行收费和计费，这意味着它对于具有服务质量（QoS）保证的复杂的服务水平协议（SLA）是至关重要的，因为与中央当局建立法律信任是缓慢的，而且限制了SLA的多样性。随着5G的发展，即使是个人和小企业也有可能获得具有特定QoS参数的网络切片，以支持各种应用。然而，仍有一些关键问题。市场如何鼓励几个供应商之间的竞争，并使对抗性行为无利可图？用户和供应商如何在确保无瑕疵连接的同时进行实时谈判？更根本的是，在缺乏信任的情况下，用户如何验证他们确实得到了他们所支付的服务？

设计

本文提出了一个去中心化的蜂窝网络，UE连接到任何基站，协商SLA并监控服务。在没有预先建立订阅的情况下，它使用区块链基元来授权和计费设备。图1展示了该架构的概况。

miniTelcos是独立的供应商，拥有任意数量的基站，甚至只有一个基站。Bridges是管理设备和miniTelcos的支付渠道的中介机构。在交易过程中，设备向附近的基站发送请求。miniTelcos接受后建立无线信道，此时设备只被允许对Bridges发送流量进行谈判。谈判结束设备按照使用量向Bridges付费（例如每10MB）进行一次付费，Bridges收到费用后扣除佣金，将费用支付给miniTelcos，最后miniTelcos收到付款后向设备提供服务。设备不需要连接时向Bridges提出终止请求即可，途中的红色箭头以及1，4描述了这个过程。为了保证交易的可信度，框架中使用了区块链来对交易进行记录。但是在区块链上进行交易的成本较高，不适合将每个交易都添加到区块链上。因此本文利用Bridges来记录miniTelcos和设备之间交易，在设备或者miniTelcos断开连接后将交易的最终结果上传到链上。这样具有两个主要的好处：(i) 与区块链节点相比，Bridges可以在物理上更接近miniTelcos，以获得更小的RTT。(ii) Bridges的小额支付佣金将比链上交易便宜得多。

评估

图2显示了设备和miniTelco测量的TCP和UDP的使用量和吞吐量。在miniTelco的核心对设备使用量的测量对UDP是有误导性的，因为数据包可能在PGW和UE之间的某个地方被丢弃，也就是在BS。由于设备不知道这些情况，所以在分散的环境下，它不会为这些情况付费。然而，集中式MNOs根据核心网络（P-GW或UPF）的测量结果向用户收费。在TCP的情况下，流量会根据信道条件进行自我调整，并根据需要放慢速度，以达到可忽略不计的损失率。即便如此，我们在核心网观察到了嘈杂的吞吐量测量，它重复计算重传，并且在高吞吐量时与UE的测量结果不完全一致。在这种嘈杂的测量中，估计一个小的、有界限的失配幅度是比较困难的。

个人观点

去中心化的架构对互联网的发展至关重要。本文引入了 two-sided measurements，作为实现蜂窝网络中去中心化的架构基本要素，是一次新颖并且有意义的尝试。但是本文在Qos度量并未给出实验的结果，这导致了该研究暂时无法进行落地，需要今后的继续探索。此外，尽管每次非法操作，例如miniTelco收到付款后不提供服务导致的设备的损失是微小的，但是大量的非法操作（例如伪造大量的不提供服务的基站）累计后仍然可能导致巨大的损失。

版权声明和个人见解说明

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