無線反向散射技術賦能智能物聯網無源通信

王智民，徐 佳，馬治杰

（1.廣東科學職業技術職業學院 計算機工程技術學院（人工智能學院），廣東 珠海 519090；2.珠海市第一中等職業學校 信息技術部，廣東 珠海 519000；3.中國科學院微電子研究所，北京 100000）

0 引言

“信息隨心至，萬物觸手及”是我國IMT-2020（5G）推進組提出的5G 發展愿景，而智能物聯網[1]正是實現該愿景的核心方案之一。智能物聯網是人工智能（AI）、第五代移動通信技術（5G）和物聯網（IoT）技術相融合的產物，首先由物聯網收集來海量多維度的數據，然后通過5G 等先進通信技術將獲得的數據傳輸到邊緣端和云端，再借助云、邊、端協作進行實時準確的大數據分析，最后采用人工智能技術服務高層應用需求實現萬物數據化、萬物智聯化的目標。由此可見，智能物聯網中采用大量異構終端設備收集的巨量資料是構建智能生態的基礎。因此，如何建設綠色節能、低成本、高靈活的大規模設備接入是實現智能物聯網的一個重要問題。然而，物聯網設備在很多情況下無法保證供電，或者無法負荷一套完整龐大的通信協議框架。反向散射技術（BSC,Backscatter Communications）是一種無源通信方式，能很好地應對上述問題。反向散射標簽通過反射特定的激勵信號來傳輸自己的信息。傳統的反向散射技術的最主要應用是射頻識別（RFID,Radio Frequency Identification）系統。典型的RFID 系統由射頻信號源（RF source）和標簽（Tag）組成，讀寫器發送特定的信號，標簽以該信號作為激勵信號，再將自身需要傳輸的信息搭載在激勵信號上，然后反射給讀寫器，通常信號源與讀寫器為同一設備，如圖 1所示。

圖1 傳統反向散射

隨著物聯網的發展普及和規模的擴大，傳統反向散射技術要求特定的激勵信號、有效通信距離短等缺陷也逐漸被放大，難以滿足市場需求，成為限制物聯網發展的一大痛點。為了解決傳統反向散射的疑難問題，研究人員提出了新型反向散射通信技術—無線反向散射（WBSC,Wireless Backscatter Communications）。無線反向散射通信技術通過捕獲環境信號來獲得能量，并且利用環境信號來傳輸自己的信息[2]。隨著無線通信技術在生活（例如5G、WiFi5、WiFi6、Bluetooth 和ZigBee 等）和物聯網領域（例如WiFi HaLow、NB-IoT 和LoRa 等）的普及，無線通信信號遠超越廣播電視信號成為了最常見的環境信號。如果使用無線反向散射標簽來替換原有的無線設備，可以大大降低物聯網系統的能耗[3-5]。在無線反向散射技術賦能的智能物聯網中，標簽只須完成常規無線通信協議體系的最下面兩層功能（物理層和數據鏈路層）即可，匯聚節點接收到標簽發送的信息，然后完成后續的上層功能（網絡層、傳輸層和應用層）。

1 無線反向散射

1.1 無線反向散射標簽

無線反向散射標簽平時從環境中的無線信號中獲取能量，供給內部電路（包括通信模塊），如圖2所示。當標簽需要傳輸信息時，以環境中的無線信號作為激勵信號，通過調節其內部阻抗來控制是否反射無線信號或者通過改變接收到的激勵信號的幅度、頻率或相位來實現更復雜的數字調制，最后將調制后的信號反射給接收機。

圖2 無線反向散射標簽功能框圖

1.2 無線反向散射的模式

無線反向散射通信系統包括以下四種角色：信號源（RF source）、無線反向散射標簽、反向散射信號接收機（WBSC reader）和背景信號接收機（legacy reader），如圖3所示。

圖3 各類無線反向散射

本文根據系統的組成方式，將無線反向散射系統歸納為以下3 類：

（1）基于全雙工的無線反向散射。如圖3（a）所示，信號源也是反向散射信號接收機，該設備需采用全雙工技術以實現自干擾消除（SIC,Self-Interference Cancellation）來解調接收到的反向散射信號。

（2）基于轉換的無線反向散射。如圖3（b）所示，反向散射信號有獨立的接收機。標簽通過對激勵信號進行轉換，例如將WiFi 信號轉換成ZigBee 信號等。這類無線反向散射實現了采用物理隔離的方式來消除背景信號和反向散射信號在接收端的干擾。因此，需要使用專門的接收機來接收和解調反向散射信號。

（3）基于多進多出的無線反向散射。如圖3（c）所示，接收機既能接收反向散射信號，也能接收背景信號。這類反向散射技術需要用到多條天線形成天線矩陣來解調多個接收到的信號。

表1 中對上述無線反向散射系統進行了比較。

表1 各類無線反向散射系統對比

1.3 典型無線反向散射方案

自2013年以來，一系列的無線反向散射方案被提出。本文根據對無線反向散射通信研究的側重點不同，將現有研究分為3 大類：第一類是對無線反向散射通信的物理層（PHY）技術的研究；第二類是設計高效的介質訪問控制層（MAC）策略，以發揮無線反向散射通信技術的優勢；第三類是對無線反向散射通信系統實驗和性能的分析。

1.3.1 物理層研究

物理層研究的主要目的是實現無線反向散射通信的物理技術提升，以達到更高速率、更遠距離的傳輸。

文獻[6]實現了以WiFi 信號作為激勵信號進行反向散射通信，為后續無線反向散射研究奠定了基礎。

文獻[7]基于全雙工技術提出了BackFi。BackFi 利用全雙工技術實現自干擾消除（SIC），允許AP 既是信號源又是反向散射信號接收機。BackFi 支持多種調制解調方案，在1 m通信距離內傳輸速率為5 Mb/s，或5 m 通信距離內傳輸速率為1 Mb/s。

文獻[8]基于商用802.11b 設備部署實現了HitchHike。在HitchHike 中，信號源發送 802.11b 信號給背景信號接收機（AP1）和標簽。標簽將接收到的信號移頻到另外一個信道上，并調制自己的信息在該信號上，再將信號反射出去，最終由反向散射信號接收機（AP2）接收。HitchHike 是典型的基于轉換的無線反向散射，通過移動頻的方式來避免激勵信號、反向散射信號在接收機中的互相干擾。

文獻[9]提出了跨物理層技術的無線反向散射InterScatter，這也是基于轉換的無線反向散射。InterScatter通過改變標簽的阻抗，將藍牙信號轉換為WiFi 信號或者ZigBee 設備可以接收的信號。

文獻[10]提出以LoRa 信號為輸入的長距離低功耗反向散射技術LoRea。當使用70 μW 標簽在靠近28 dBm 載波信號源1 m 以內時，反向散射傳輸距離可以達到最大3.4 km。

1.3.2 介質訪問控制層研究

本節介紹的這類研究旨在配合先進的無線反向散射通信的物理技術，結合使用場景，提出更高效的信道接入控制策略，提高網絡整體性能。

文獻[11]提出了一種基于需求的分布式無線反向散射通信MAC 協議。在該協議中，當AP 有從標簽采集數據的需求時，全雙工WiFi AP 發送CTS_to_Self 幀停止所有其他WiFi 節點競爭和傳輸，并在之后發送一段時間的環境信號。在環境信號發送過程中，所有標簽遵循二進制指數退競爭信道并嘗試向AP 傳輸數據。該方案是首個分布式協調功能（DCF,Distributed Coordination Function）的無線反向散射通信MAC 方案。

文獻[12]為了配合提出的基于多進多出的無線反向散射物理層技術，設計了基于節點輔助的低功耗、長距離MAC方案。該方案解決了標簽和一般無線設備之間的傳輸距離差的問題，允許同一時間段內不同范圍內的標簽節點同時傳輸數據。這不但極大地提高了無線反向散射通信吞吐量，還以無線設備為中繼大大延長了反向散射傳輸距離。

1.3.3 實驗與性能分析

實驗與性能分析是在前兩類研究的基礎上，通過原型機、仿真模擬或數學建模等方式，根據不同的物理場景和參數，驗證無線反向散射通信系統的性能。文獻[6-10]都采用原型機的驗證方式，這種方式一般只實現了一對一地傳輸。對物理層的性能測試非常精準，可以準確地分析障礙物、噪聲等對無線反向散射的影響，但是MAC 層的性能驗證缺失。

文獻[11]針對無線反向散射通信，提出了有限時間段內的多用戶競爭模型，同步分析了WiFi 節點和標簽的吞吐量。結果表明，分布式的無線反向散射通信協議能有效地提高標簽節點的吞吐量。

文獻[12]針對無線反向散射通信，分析了兩類節點的競爭方式及競爭方式對吞吐量的影響，所提出的方案在以極小的WiFi 吞吐量下降的代價下較大程度地提高了網絡中標簽的吞吐量，最終實現低功耗、長距離的傳輸目的。

文獻[13]制定了一個新的傳輸模型，設計數據檢測算法，推導出兩個閉式檢測閾值。一個閾值用于實現最小誤碼率（BER），另一個用于平衡產生“0”位和“1”位的錯誤概率。

2 無線反向散射通信在智能物聯網環境下的潛力

無線反向散射通信使得設備脫離電源和特殊射頻信號的限制，降低設備購置成本和維護成本，高度契合智能物聯網低成本、綠色節能、高靈活性、大規模接入的特性。本文總結以下4 個無線反向散射通信的未來潛在應用方向。

（1）物流快遞和貨物追蹤。隨著短視頻平臺的發展、直播帶貨的興起，網絡購物又出現了一波新的浪潮。相生相伴的物流快遞行業也得到了前所未有的蓬勃發展。與此同時，海外貨物、冷鏈等運輸方式也成為了病毒傳播、外來物種入侵的主要途徑。利用無線無源標簽可以精確、實時、快速地追蹤貨物的運輸路徑及貨物所到地點的完整鏈路，為疫情防控等工作提供快速準確的支持。

（2）智慧醫療和病患監控。智能可穿戴設備的種類和類型得到迅速發展，在生活中非常常見。隨著介入醫療發展，更多的智能設備可能被植入人體，例如智能心臟起搏器等。這類設備除了能完成原有設備的工作外，還可以實時地向外部傳輸相關信息實現病患監控。

（3）車載網絡和智能家居。為助力“碳達峰”“碳中和”，國家積極推導和大力發展新能源汽車來替代傳統燃油車。新能源車與傳統燃油車除了動力系統不一樣外，還有著本質上的不同。新能源車可以被認為是一種大型的互聯網產品，它涉及到一系列周邊服務，比如汽車監控、智能充換電、無人駕駛等。無源標簽可以為新能源汽車提供更優的信息傳遞方式，降低能耗提升續航里程。在智能家居中，智能電器已經走進千家萬戶，但是所有的家居都插電或者電池供電是難以實現的。無線反向散射技術可以滿足大多數智能電器低頻率低數據量的傳輸需求，提升用戶使用體驗。

（4）野生動物、海洋監控和智慧農業。對野生動物和海洋的監控是獲得第一手環境保護資料的重要途徑。然而，野外和海洋都有著范圍廣、人類難以達到的特點。無線反向散射標簽可以通過播撒方式被部署在野外或者海域進行數據采集，利用反射技術將數據傳輸回服務器。智慧農業場景中，也可以實現水費、溫濕度、光照、蟲害等信息監控，實現精細化農業生產控制。

3 無線反向散射技術面臨的挑戰及未來研究方向

雖然無線反向散射有很大的潛力，但是也面臨著一系列的挑戰。要想使無線反向散射通信技術更適用于智能物聯網環境，可以從以下3 方面進行研究。

（1）干擾消除。無線反向散射通信中，反射信號的強度遠遠不如原信號。其他環境噪聲非常容易干擾到反射信號，在環境較惡劣的條件下無線反向散射的錯誤率將快速上升。在強干擾信號中恢復反射信號是一個巨大的挑戰。

（2）新通信技術。移動5G 和WiFi 802.11ax 采用OFDMA 的調制方式，與以往OFDM 的調制方式不同，該方式存在多個接收者或發送者的情況。如何在這樣的傳輸環境中實現反向散射通信是非常有實用價值的研究方向。

（3）物理層安全。與其他的無線傳輸技術相比，無線反向散射技術下的設備受限于能源的供給，一般很難搭載完整復雜的網絡協議體系，也就是無法實現高層級的網絡安全功能。但是，無線反向散射技術又和其他無線傳輸方式一樣，有著廣播的特性。因此，如何在物理層實現網絡安全，保證信息不被竊聽、篡改、假冒等是值得研究的理論課題。

4 結語

本文總結了新型無線反向散射技術的原理和發展歷程，詳細地闡述了最新的研究成果，并從多維度對研究成果進行了分析和對比，最后展望了無線反向散射通信技術在未來智能物聯網的應用潛力和研究前景。