環境反向散射技術的研究

摘 要：環境反向散射技術是一種結合了能量收集和被動通信機制并依靠環境射頻源進行數據傳輸的低功耗被動通信技術。得益于其低功耗的工作特性以及無需電池運行的潛力，環境反向散射有望解決物聯網應用場景下的能源受限問題?；诖?，開展環境反向散射技術的研究，首先簡述反向散射技術的基本工作原理以及架構分類；在此基礎上，對各種射頻信號（FM、WiFi、藍牙等）環境下的系統研究現狀進行了總結；然后，針對不同的應用場景，對基于環境反向散射技術的物聯網節點研究進行了總結；最后，指出了反向散射技術未來研究中面臨的一些挑戰。

關鍵詞：環境反向散射；物聯網；低功耗技術；被動通信；無源通信；通信系統

中圖分類號：TP39；TN926 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-0-05

0 引 言

在當今數字化時代，物聯網（IoT）已成為推動社會和經濟發展的關鍵驅動力[1]。它通過數十億智能設備的互聯，實現了數據的實時收集、分析和處理，進而推動了系統級的智能化自動操作，為城市管理、工業自動化、健康護理、環境監測和智能家居等眾多領域提供了新的問題解決方案。然而，物聯網的快速發展和廣泛應用也帶來了新的挑戰，隨著越來越多的設備接入網絡，能源消耗和通信成本成為限制智能物聯網發展的主要障礙，傳統的能源供應和數據傳輸方法已經難以滿足萬物互聯的需求。

反向散射通信（Backscatter Communications， BCs）技術，為解決物聯網領域的能源和成本問題提供了一種新的方案。傳統的反向散射技術主要應用于廣泛部署的RFID（Radio Frequency Identification）設備中，主要應用場景為門禁識別、倉儲管理、物流運輸等。然而，RFID技術的缺點也極為明顯，通信距離短、特殊載波需求等特點導致該技術無法滿足現階段物聯網發展需求。針對這一問題，研究人員提出了新型的反向散射技術通信——環境反向散射通信（Ambient Backscatter Communications， ABCs）技術[2]。環境反向散射通信技術作為一種低功耗通信方式，通過捕獲并利用環境中現有的無線信號（FM tower、TV tower、WiFi、BLE等）來采集能量和傳輸數據，避免了傳統物聯網設備發射高頻信號所帶來的高能耗問題，從而大幅降低了能源消耗和通信成本。這一突破性創新為物聯網設備的無源化、小型化設計以及大規模部署開辟了新路徑，極大地拓寬了物聯網的應用范疇與發展潛力[3]。

1 反向散射通信技術概述

1.1 反向散射通信基本原理

搭載有反向散射通信系統的物聯網節點無需像傳統通信設備一樣發射射頻信號，僅需要將傳感器接收到的數據通過不同的調制方式嵌入外部載波信號即可完成數據的傳輸。

以幅度調制（Amplitude Modulation， AM）為例，大多數反向散射通信標簽會通過改變天線所連接負載的阻抗來完成數據嵌入。如圖1所示，標簽中有兩個不同阻抗的負載。標簽處于吸收狀態時，射頻開關連接負載A，負載A的阻抗ZA為天線阻抗ZS的共軛匹配狀態，這種情況下標簽能夠完全吸收入射信號的能量，使得反射信號能量降至最低，代表數據位“0”；標簽處于反射狀態時，射頻開關連接負載B，負載B的阻抗ZB與天線阻抗ZS處于失配狀態，這種情況下入射信號僅有一小部分被標簽吸收，絕大部分入射信號能量被反射出去，使得反射信號能量升至最高，代表數據位“1”。

反向散射通信系統的低復雜性設計，極大地降低了系統對能量供給的要求。標簽可以通過采集環境中的各種能量（射頻能、光能、熱能等）并將其轉換為電能以實現自供能，或使用小型紐扣電池進行供能，以降低節點的部署難度和維護成本（能量收集相關研究不在本文論述范圍內）。

1.2 反向散射通信系統組成及分類

單站反向散射：如圖2（a）所示，在單站反向散射系統中，載波發射器和反向散射接收器被設計安裝在同一個設備上（典型應用為RFID），該設備被稱為閱讀器。閱讀器在進行通信時需要發送載波信號，反向散射標簽接收載波信號并將其反射回閱讀器。這一過程為雙向傳輸，反射信號往返的過程中存在顯著的路徑損耗，進而限制了系統的有效通信距離。此外，單站反向散射系統需要有一個穩定且大功率的信號源為標簽提供載波信號及射頻能量，增加了部署和維護成本。

雙站反向散射：雙站反向散射系統采用分立式架構（將載波發射器和反向散射接收器分別部署）。這種工作模式下，系統避免了雙向傳輸帶來的路徑損耗問題，并且標簽可以更靠近載波發射器，從而顯著擴大反向散射系統的有效通信范圍。盡管相較于單站反向散射系統有了相應的優化措施，但該工作模式仍然需要部署專用的射頻源，成本較高。

環境反向散射：與雙站反向散射系統相似，環境反向散射系統也采用了分立式架構，但與之不同的是，在環境反向散射系統中，標簽直接利用環境中現存的射頻信號（FM tower、TV tower、WiFi、LoRa、藍牙等）進行反向散射通信，而不需要部署專用的射頻源，從而降低了該系統的成本和整體功耗。然而環境射頻信號往往存在不可控性（發射功率、射頻源位置等），為了實現系統最佳性能，環境反向散射系統的設計復雜性需要更高。

2 環境反向散射通信方案

本章主要對環境反向散射通信系統研究現狀進行整理分析，環境反向散射通信系統以載波信號為基準主要分為以下4類：基于TV/FM信號，基于WiFi信號，基于藍牙信號，基于LoRa信號。

2.1 基于TV/FM信號的反向散射通信系統

文獻[4]設計了第一個基于電視信號的反向散射通信系統，所設計的標簽可以通過更改天線所連接支路的阻抗系數來完成對電視信號的反射或吸收。該系統通信的流程為在發送端設置一個射頻開關，其控制信號是一串“0”和“1”的數據位，當控制信號為“0”時，開關處于吸收狀態；反之，控制信號為“1”時，開關處于反射狀態。標簽通過開關的切換，將所需要傳輸的數據嵌入進原始電視信號；接收機經包絡檢波、閾值比較等操作后將數據從反射信號中提取出來。實驗結果表明，該系統在0.76 m的通信距離內，反向散射通信速率可以達到10 Kb/s。

文獻[5]在文獻[4]的基礎上提出了一種多天線反向散射接收機架構（μmo）和一種低功耗編碼機制（μcode）來擴大通信距離和提高通信速率。實驗結果表明，該系統將通信距離擴大到24.3 m，將通信速率提高到1 Mb/s。

文獻[6]提出了一種基于FM的反向散射通信系統，該系統將對原始載波進行的乘法運算（方波對原始載波的影響）轉換成加法運算，使得反射信號仍然保持FM信號的基本格式。該系統所產生的反射信號可以被商用FM接收機接收，降低了系統的部署成本。實驗結果表明，該系統可以在18.3 m的通信范圍內以最高3.2 Kb/s的速率進行數據傳輸。

2.2 基于WiFi信號的反向散射通信系統

文獻[7]設計了第一個基于WiFi的反向散射通信系統，完全適配于商用的WiFi設備（路由器、AP等）。標簽通過反射/吸收WiFi數據包來嵌入數據“1”/“0”，接收機通過檢測反射信號的信號強度（RSSI）和信道狀態信息（CSI）的變化來解碼標簽傳輸的數據。實驗結果表明，該系統的通信速率達到了1 Kb/s，有效通信范圍為2.1 m。

文獻[8]首次提出了基于碼字翻譯技術的反向散射通信方案，通過將WiFi 802.11b數據包中的碼字序列轉換為相同碼本下的其他碼字來嵌入數據。反向散射數據包仍然是有效的WiFi 802.11b數據包，因此可以被現有的商用WiFi設備所接收。該系統使用兩個接收機分別接收原始WiFi數據包和反向散射數據包，通過對兩個數據包中的碼字信息進行異或操作來解碼數據。實驗結果表明，該方案在視距場景下，可以在54 m的距離內以300 Kb/s的通信速率傳輸數據；在非視距場景下，可以在25 m的距離內以100 Kb/s的通信速率傳輸數據。

文獻[9]提出了基于WiFi 802.11n/ac協議下的MAC層幀聚合機制的反向散射通信系統WiTAG。該系統通過選擇性破壞WiFi 802.11n/ac數據包中MAC協議數據單元聚合幀內的特定數據單元來嵌入數據，當接收機接收到反向散射數據包后會向發送機返回塊確認幀（Block ACK），以此報告A-MPDU中每個MPDU的狀態（即標簽嵌入的數據信息）。實驗結果表明，當發射機與接收機距離在8 m之內時，通信速率可以達到40 Kb/s。

文獻[10]設計了一種優化后的RS（Reed-Solomon）方案，通過自適應地在需要傳輸的數據位中增加一些冗余位，使標簽數據和冗余位分別在WiFi信號發送和停止狀態下傳輸，以此提升反向散射通信系統的通信速率。實驗結果表明，該方案將反向散射系統的通信速率提升到了700 Kb/s。

2.3 基于藍牙信號的反向散射通信系統

文獻[11]提出了一種基于BLE的反向散射通信系統，標簽通過對原始BLE信號進行頻移調制將數據嵌入；此外，設計了一種動態配置技術，通過多組不同的時鐘將BLE信號轉移到多個不同的信道實現多通道反向散射通信。動態信道配置使得反向散射標簽可以進行信道跳變，從而減少對原始信號的干擾，提高反向散射通信的可靠性。實驗結果表明，該系統的通信速率可達到2.8 Kb/s。

文獻[12]設計了一種新的反向散射通信系統RBLE，并在文獻[11]的基礎上進行了優化設計，提出了一種新的反向散射信號生成方案，通過對輸入的原始BLE信號進行調制來重新生成符合BLE協議的反向散射數據包。該項技術使得RBLE系統可以工作在任何BLE信道中，提升了系統的可靠性。實驗結果表明，RBLE在56 m的范圍內可以達到最高16 Kb/s的通信速率。

2.4 基于LoRa信號的反向散射通信系統

文獻[13]提出了一種基于LoRa的反向散射通信系統PLoRa。該系統采用了一種低采樣率的LoRa信號入射檢測電路，降低了標簽的整體功耗。此外，該研究還設計了一種新的信號調制方案，使得原始LoRa信號可以進行一定量的頻率偏移（BW/2與-BW/2的頻率偏移，BW為LoRa信號的啁啾帶寬）并且不會違反LoRa協議，通過將基帶信號（“1”代表偏移BW/2，“0”代表偏移-BW/2）與入射的LoRa啁啾信號相乘，并將頻率偏移后的啁啾信號拼接在一起生成新的LoRa信號。實驗結果表明，LoRa的通信范圍高達1.1 km，通信速率為6.25 Kb/s。

文獻[14]提出了一種新的基于LoRa的反向散射系統Aloba。Aloba利用LoRa協議中獨特的前導碼傳輸機制來檢測LoRa信號的具體入射時間，再利用OOK的調制方式進行數據嵌入。該研究還設計了一種新的數據解調算法。在接收端，通過對原始信號和反射信號的疊加信號進行正弦轉換，觀察反向散射對信號變化的影響，利用這些變化可以解調出標簽數據。實驗結果表明，Aloba在50 m的距離下通信速率為199.4 Kb/s，在200 m的距離下通信速率為39.5 Kb/s。

對環境反向散射通信系統的具體性能參數進行總結，具體性能參數見表1。

3 環境反向散射技術的物聯網應用場景

環境反向散射技術具有超低功耗、成本低、體積小、便于部署等特點，得益于此，通過聯合環境反向散射技術和前端傳感器件完全有實現自供能物聯網節點的可能。本章主要討論環境反向散射技術在健康監測、智能家居、智慧城市等實際場景中的應用。

3.1 健康監測

環境反向散射技術可以通過結合各種生物傳感器來收集人體生物信息（心率、體溫、脈搏等），并且能夠以極低的功耗將以上生物信息傳輸到接收設備（手機、電腦等）上。此外，環境反向散射技術無需電池的特性也有助于將其應用于各種小型醫療植入設備。文獻[15]提出了一款可以持續感知人體生命特征的智能腕帶；文獻[16]提出了一種新型的系統，通過反向散射的基本原理解決了醫療植入物體內定位困難的問題。

3.2 智能家居

在現代家居環境中，大量的傳感設備被部署在各種位置。這些設備持續感知室內環境中的數據（溫度、濕度等），并將其傳輸至智能控制終端以調控屋內設備?；诜聪蛏⑸浼夹g的傳感節點無需安裝電池或接入電源線，使得節點部署更為便捷。文獻[17]利用反向散射技術來協助人臉檢測，將前端相機接收到的數據通過反向散射標簽傳輸至終端，并完成后續的識別等操作。文獻[18]設計了一款無電子器件的可打印無源標簽，基于反向散射的原理使得接收設備能夠感知到標簽的交互行為，并據此控制屋內的各種家居設備。文獻[19]提出了一種手勢識別系統，利用人體對環境信號的遮擋來獲取不同手勢下的信號強度特征，用以完成后續的手勢分類任務，即使在環境信號強度較弱的情況下也能達到較高的精度。

3.3 智慧城市

在智慧城市中，通過在建筑、停車場、車輛上部署大量的標簽，與用戶的設備進行信息交互來提高用戶的生活質量和效率。文獻[20]設計了一款可自定義的智能廣告牌，通過反射環境中的FM信號向用戶的設備傳遞信息（音視頻或消息通知等）。文獻[21]設計了一種反向散射輔助運輸系統，用來實現運輸過程中車輛與車輛之間的通信。文獻[22]提出了一種用于檢測植物溫度信息的系統，通過反射FM信號將采集到的溫度數據傳回終端進行處理。

4 環境反向散射技術面臨的挑戰

雖然環境反向散射在物聯網應用中有極大的潛力，但是仍存在較多問題亟待解決：

（1）由于反向散射系統采用的是非常簡單的編碼機制和廣播方式，其易訪問性使得反向散射數據包容易被攻擊和竊聽。然而，受限于計算能力和功耗問題，復雜的網絡安全架構和協議并不適用于反向散射通信系統。以上問題使得反向散射在健康監測、智能家居等敏感環境下的應用部署受到了極大阻礙。

（2）環境反向散射系統的通信功能依賴于環境射頻源，類似于FM信號、WiFi信號、BLE信號燈，這些信號并不是一直穩定存在的。在特定信號不存在的情況下，基于環境反向散射的物聯網節點功能將會受到嚴重限制。

（3）部署環境反向散射節點的另一個挑戰是源信號對接收機的影響。在大多數環境反向散射系統中，反射信號的強度會遠小于源信號，并且兩信號處于同一信道。信號間存在的沖突干擾問題，會導致接收機在解碼時出現誤碼率較高的現象。

5 結 語

反向散射通信技術作為一種解決物聯網領域的能源和成本問題的新方案，促進了物聯網技術的廣泛應用與發展。本文對環境反向散射的研究現狀進行了總結，闡述了各種環境反向散射通信系統的基本原理以及性能參數；并對環境反向散射在物聯網場景中的應用及未來面臨的挑戰做出了分析。本文對環境反向散射技術進行了深入研究，不僅有助于推動物聯網技術的持續進步，更為構建更加智能、高效、可持續的物聯網生態系統奠定了堅實基礎。

注：本文通訊作者為王艷蓉。

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