UNO STUDIO SUI SISTEMI DI COMUNICAZIONE BACKSCATTER PER L’IOT SENZA BATTERIA: ARCHITETTURE E PROTOCOLLI

The evolution of the Internet of Things requires the development of ultra-low power communication paradigms to overcome the energy constraints of traditional sensors. In this scenario, Backscatter Communication emerges as the technology of choice to enable battery-free ecosystems, but its large-scale deployment is hindered by severe path loss, infrastructural constraints, and inefficiencies of standard MAC protocols. The present thesis work proposes an analysis and critical comparison of the three main backscatter architectures: monostatic, bistatic, and ambient. A first analytical contribution lies in the mathematical formulation of the backscatter path loss model starting from the general Friis transmission equation, in both the monostatic and bistatic cases. In parallel, to evaluate the impact of the geometric configuration on spatial coverage, specific graphical simulations were carried out in MATLAB, aimed at delineating the tag activation zones. These demonstrated the drastic collapse of the activation and reception area as the distance between the emitter and receiver increases, highlighting how tag placement constitutes a crucial engineering parameter. The study subsequently delves into the evolution of the Ambient Backscatter paradigm, examining the mathematical modeling of the signal and interference, the decoding procedure, and the adaptation of MAC protocols to enable backscatter communication among multiple tags. A dual-backoff mechanism designed for the asynchronous management of the power harvesting and transmission phases is analyzed. The adaptive management of the duty cycle allows for the coordination of channel access by reducing the contention window, mitigating collisions, and maximizing the normalized throughput, in order to ensure a fair distribution of resources. This work demonstrates how the synergy between accurate topological network planning and an energy-aware MAC design ensures the operational sustainability of the tags, consolidating Ambient Backscatter as a fundamental pillar for the deployment of future Green IoT ecosystems.

L’evoluzione dell’Internet of Things richiede lo sviluppo di paradigmi di comunicazione ultra-low power per superare le criticità energetiche dei sensori tradizionali. In tale scenario, la Backscatter Communication si afferma come tecnologia d’elezione per abilitare ecosistemi battery-free, ma il suo impiego su larga scala è ostacolato da severe attenuazioni di tratta, vincoli infrastrutturali e inefficienze dei protocolli MAC standard. Il presente lavoro di tesi propone un’analisi e un confronto critico delle tre principali architetture backscatter: monostatica, bistatica e ambientale. Un primo contributo analitico risiede nella formulazione matematica del modello di attenuazione backscatter a partire dall’equazione generale di Friis, sia nel caso monostatico sia in quello bistatico. Parallelamente, per valutare l’impatto della configurazione geometrica sulla copertura spaziale, sono state realizzate specifiche simulazioni grafiche in MATLAB, volte a delineare le zone di attivazione dei tag. Queste hanno dimostrato il drastico collasso dell’area di attivazione e ricezione all’aumentare della distanza tra emettitore e ricevitore, evidenziando come il posizionamento del tag costituisca un parametro ingegneristico cruciale. Lo studio approfondisce successivamente l’evoluzione del paradigma Ambient Backscatter, esaminando la modellazione matematica del segnale e dell’interferenza, la procedura di decodifica e l’adattamento dei protocolli MAC per permettere la comunicazione backscatter tra più tag. Si analizza un meccanismo di dual-backoff progettato per la gestione asincrona delle fasi di power harvesting e trasmissione. La gestione adattiva del duty cycle permette di coordinare l’accesso al canale riducendo la finestra di contesa, mitigando le collisioni e massimizzando il throughput normalizzato, al fine di garantire un’equa distribuzione delle risorse. L’elaborato dimostra come la sinergia tra un’accurata pianificazione topologica della rete e una progettazione MAC energy-aware assicuri la sostenibilità operativa dei tag, consolidando l’Ambient Backscatter come pilastro fondamentale per il dispiegamento dei futuri ecosistemi Green IoT.