反向散射通信的未來應(yīng)用與技術(shù)挑戰(zhàn)*

崔子琦，王公仆，魏旭昇，姜大潔，秦飛，艾渤

（1.北京交通大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100044；2.維沃移動通信有限公司，北京 100083；3.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)（IoT, Internet of Things）是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)以“萬物互聯(lián)”的思想將各類物體連接在一起，擺脫了傳統(tǒng)通信中需要特定設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)的局限，方便人們工作生活并提高各行業(yè)生產(chǎn)效率。我國IMT-2020（5G）推進(jìn)組提出了“信息隨心至，萬物觸手及”的5G愿景，萬物互聯(lián)是5G的核心目標(biāo)之一；IMT-2030（6G）推進(jìn)組進(jìn)一步提出了“萬物智聯(lián)、數(shù)字孿生”的6G愿景[1]。文獻(xiàn)[2]指出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是建設(shè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)基石，是制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要賦能者。文獻(xiàn)[3]表明物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是6G設(shè)計(jì)中推動無線通信從“萬物互聯(lián)”到“智能互聯(lián)”的重要演變關(guān)鍵技術(shù)之一。

反向散射通信（Backscatter Communications）是構(gòu)建綠色節(jié)能、低成本、可靈活部署的未來物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)“萬物智聯(lián)”的重要手段。傳統(tǒng)的反向散射技術(shù)主要應(yīng)用于射頻識別（RFID, Radio Frequency Identification）系統(tǒng)。典型的RFID系統(tǒng)由一個讀寫器（Reader）和多個標(biāo)簽（Tag）組成（如圖2（a）所示），利用反向散射技術(shù)進(jìn)行通信。然而，傳統(tǒng)反向散射技術(shù)中需要特定的射頻源作為激勵信號，且在通信過程中無線信號會經(jīng)歷往返的雙重路徑衰落，因此路徑損耗大，有效通信距離短[4-6]。

針對傳統(tǒng)反向散射技術(shù)需要特定射頻源、有效通信距離短的問題，學(xué)術(shù)界提出了一系列新型反向散射通信技術(shù)，以降低通信的能耗和運(yùn)行成本，延長設(shè)備的使用壽命。由于新型反向散射技術(shù)的無源設(shè)備可以利用第三方的信號（例如蜂窩無線信號、廣播電視信號、Wi-Fi信號或藍(lán)牙信號等）來傳輸自己的信息，因此新型反向散射技術(shù)也被稱為“共生通信”。全球首份6G白皮書[7]指出，新型反向散射技術(shù)為實(shí)現(xiàn)超低功率通信提供了可能，契合了6G“無處不在”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。同時，新型的反向散射通信技術(shù)能滿足“綠色”物聯(lián)網(wǎng)廣覆蓋、低能耗、可持續(xù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，成為6G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和“綠色”物聯(lián)網(wǎng)關(guān)注的焦點(diǎn)。本文將逐一介紹新型反向散射通信技術(shù)的原理、研究進(jìn)展和潛在應(yīng)用及技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 新型反向散射通信技術(shù)

1.1 反向散射通信技術(shù)原理與起源

反向散射技術(shù)起源于二戰(zhàn)，是軍方為了辨認(rèn)己方戰(zhàn)機(jī)在機(jī)身上安裝標(biāo)簽，根據(jù)標(biāo)簽反向散射的雷達(dá)信號進(jìn)行身份判別[8]。隨后，大批基于反向散射技術(shù)的應(yīng)用興起，主要運(yùn)用于RFID系統(tǒng)，其中電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)（ETC,Electronic Toll Collection）是反向散射技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化的經(jīng)典案例[9]。

反向散射通信設(shè)備利用其他設(shè)備或者環(huán)境中的射頻信號進(jìn)行信號調(diào)制來傳輸自己的信息。調(diào)制電路如圖1所示，設(shè)備通過調(diào)節(jié)其內(nèi)部阻抗來控制電路的反射系數(shù)Γ，進(jìn)而改變?nèi)肷湫盘柕姆取㈩l率或相位，實(shí)現(xiàn)信號的模擬或數(shù)字調(diào)制。式(1)表示電路反射系數(shù)：

圖1 反向散射模擬和數(shù)字調(diào)制電路

無源反向散射通信設(shè)備首先需從外界射頻信號中獲取能量（Energy harvesting），供給內(nèi)部電路模塊工作，然后再反向散射射頻信號進(jìn)行通信，做到零功耗通信。

1.2 新型反向散射通信技術(shù)

自2013年以來，業(yè)界提出了一系列新型反向散射通信技術(shù)，以下給出八個案例。

2014年Kimionis等人提出了雙站反向散射（Bistatic Backscatter），該系統(tǒng)在標(biāo)簽附近設(shè)置一個載波發(fā)生器（如圖2（b）所示），能有效減少路徑損耗，擴(kuò)大了標(biāo)簽和讀寫器之間的通信距離，在供能載波功率為20 mW時，標(biāo)簽通信距離為130 m左右[10]。

Liu、Parks等人于2013年和2014年提出了環(huán)境反向散射（Ambient Backscatter）[11-12]，該技術(shù)不需要載波發(fā)生器，利用標(biāo)簽周圍已有的電視廣播和Wi-Fi等無線信號來觸發(fā)通信（如圖2（c）所示）。目前相關(guān)的研究已設(shè)計(jì)出了傳感器、接收信號能量檢測的原型電路[11,13]和通信協(xié)議[14]，展示了該技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用的潛力。

2015年Bharadia等人提出了基于全雙工的反向散射技術(shù)，利用多天線的Wi-Fi網(wǎng)關(guān)協(xié)助用戶和標(biāo)簽同時通信[15]，實(shí)現(xiàn)高效全雙工通信（如圖2（d）所示）。Wi-Fi網(wǎng)關(guān)支持多種調(diào)制方式，在通信距離為1 m時，數(shù)據(jù)速率可達(dá)5 Mbit/s。

2016年提出的轉(zhuǎn)型反向散射技術(shù)（Inter-Technology Backscatter）通過改變標(biāo)簽的阻抗，將藍(lán)牙信號的頻率搬移置Wi-Fi信號或者ZigBee信號的頻帶（如圖2（e）所示），在信號速率為2 Mbit/s時，所需信號的功率僅為28 μW，擴(kuò)大了反向散射通信的應(yīng)用范圍[16]。

2017提出的基于LoRa的反向散射技術(shù)（LoRa Backscatter）利用了LoRa 信號高靈敏度（-149 dBm）和擴(kuò)頻編碼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離反向散射通信（如圖2（f）所示），實(shí)驗(yàn)通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)475 m[17]。

2017年及2018年提出的基于反向散射的智能表面輔助通信技術(shù)，能夠智能重構(gòu)和增強(qiáng)無線信道環(huán)境[18-20]。智能表面由多個反射單元構(gòu)成，每個反射單元都可與入射信號進(jìn)行交互（如圖2（g）所示）。東南大學(xué)設(shè)計(jì)的一種智能表面，通過調(diào)節(jié)反射信號的相位實(shí)現(xiàn)了8PSK調(diào)制，通信速率可達(dá)6.144 Mbit/s[20]。

Mehrdad等人于2019年提出的反向散射大規(guī)模接入機(jī)制（NetScatter）使用了聯(lián)合開關(guān)鍵控的分布式啁啾（chirp）擴(kuò)頻編碼機(jī)制（如圖2（h）所示），可支持多設(shè)備并發(fā)接入，同時接入256個設(shè)備時，通信帶寬僅為500 kHz[21]。

Taekyung等人于2020年提出的全信號反向散射技術(shù)（AnyScatter）根據(jù)非相干信道天線之間的相位差是恒定的這一現(xiàn)象，利用接收信號的相位差判別接收符號信息（如圖2（i）所示），消除了現(xiàn)有研究中對特定類型射頻信號的反向散射技術(shù)的依賴[22]。

圖2 新型反向散射通信技術(shù)

1.3 新型反向散射通信技術(shù)研究進(jìn)展

新型反向散射通信技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)，相關(guān)研究迅速增長。我們就系統(tǒng)傳輸設(shè)計(jì)與性能分析、低功耗可穿戴設(shè)備相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用兩個方面舉例說明。

（1）新型反向散射通信系統(tǒng)傳輸設(shè)計(jì)與分析

新型反向散射通信系統(tǒng)研究內(nèi)容豐富，以下僅給出系統(tǒng)性能分析、信道估計(jì)、信號檢測和編碼調(diào)制等部分研究結(jié)果。

在系統(tǒng)中斷和容量分析方面，文獻(xiàn)[23]研究了反向散射通信系統(tǒng)的信道容量，給出了高信噪比情況下系統(tǒng)中斷概率的漸進(jìn)值，其結(jié)果表明復(fù)高斯信號的容量不完全是實(shí)高斯信號容量的兩倍。類似地，Zhao等人推導(dǎo)了反向散射信道分布表達(dá)式，并分析了系統(tǒng)在真實(shí)高斯信道下的中斷性能[24]。

在信道估計(jì)方面，考慮到實(shí)際中信道信息獲取困難，Qian等人分析了接收端在沒有導(dǎo)頻的情況下采取了差分檢測的可行性[25]，Ma等人提出了一種基于期望最大化算法的盲信道估計(jì)方案[26]。

在信號檢測方面，Chen等人研究了全雙工反向散射通信系統(tǒng)中信號檢測的問題，設(shè)計(jì)了最大似然檢測器，并推導(dǎo)了相應(yīng)的誤碼率表達(dá)式[27]。文獻(xiàn)[28]針對共生反向散射通信系統(tǒng)提出了最大似然檢測器，并設(shè)計(jì)了低復(fù)雜度的線性檢測方法。

在編碼方面，文獻(xiàn)[29]在標(biāo)簽端使用曼徹斯特編碼，并在閱讀器端設(shè)計(jì)了相應(yīng)的譯碼機(jī)制，有效降低了誤碼率。文獻(xiàn)[30]提出了一種用于反向散射通信的空時編碼，并分析指出反向散射通信系統(tǒng)中空時編碼的性能幾乎與Alamouti碼相同，而且電路實(shí)現(xiàn)簡單，具有良好的應(yīng)用前景。

（2）低功耗可穿戴設(shè)備的技術(shù)支持與應(yīng)用

基于反向散射技術(shù)的低功耗可穿戴設(shè)備是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。由于目前市面上應(yīng)用的大多數(shù)可穿戴設(shè)備利用藍(lán)牙或者Wi-Fi信號通信，因此，目前學(xué)術(shù)界的一個熱點(diǎn)是利用已有的Wi-Fi或藍(lán)牙信號實(shí)現(xiàn)與商用設(shè)備可靠的通信。

為了降低可穿戴設(shè)備通信時Wi-Fi或者藍(lán)牙信號的同頻干擾，文獻(xiàn)[31]提出基于頻移的反向散射技術(shù)（FSBackscatter），在標(biāo)簽安裝一個20 MHz的振蕩器，將反向散射信號搬移至與原信號頻率相差20 MHz的頻帶，提高了通信可靠性。

文獻(xiàn)[32]提出的藍(lán)牙反向散射系統(tǒng)，利用已有藍(lán)牙信號與商用藍(lán)牙終端通信。調(diào)制過程如圖3所示，首先生成單音信號作為調(diào)制載頻，然后分別將該載頻搬移不同的分量來表示符號“0”和“1”。該系統(tǒng)還可通過調(diào)節(jié)本地的時鐘頻率進(jìn)行動態(tài)信道配置，避開干擾嚴(yán)重的信道。

圖3 調(diào)制過程示意圖

文獻(xiàn)[33]利用Wi-Fi信號MAC層的幀聚合（A-MPDU）特性來實(shí)現(xiàn)反向散射通信，通信過程如圖4所示。無源設(shè)備根據(jù)要加載的數(shù)據(jù)信息反向散射信號，選擇性地改變子幀（MPDU）傳輸過程中的信道。由于一個A-MPDU傳輸過程中只進(jìn)行一次信道估計(jì)，接入點(diǎn)（AP）無法恢復(fù)被干擾的MPDU，此時AP返回的表示MPDU是否被恢復(fù)的ACK信息即為無源設(shè)備要傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

圖4 WiTAG通信過程

可穿戴設(shè)備工作時貼附人體，因此評估和降低人體對反向散射通信的影響也是低功耗可穿戴設(shè)備實(shí)際推廣的關(guān)鍵之一。然而學(xué)術(shù)當(dāng)前界鮮有相關(guān)的測試，為此我們搭建了測試環(huán)境來評估人體對反向散射信號強(qiáng)度的影響，如圖5所示。我們利用通用軟件無線電外設(shè)和WISP[34]無源標(biāo)簽進(jìn)行通信，使用頻譜儀測量標(biāo)簽反射信號強(qiáng)度。測試結(jié)果表明，當(dāng)標(biāo)簽貼附人體時，反向散射的信號強(qiáng)度會降低5 dB到10 dB。

圖5 測試方案圖

2 新型反向散射技術(shù)應(yīng)用展望

反向散射技術(shù)能夠使設(shè)備擺脫電池的束縛，降低設(shè)備生產(chǎn)和維護(hù)成本，契合了5G與6G的更低功耗、更低成本、更廣連接的需求，除了傳統(tǒng)反向散射技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用的倉庫貨物盤點(diǎn)等場景外，在未來有更廣泛的潛在應(yīng)用，下文給出典型應(yīng)用示例。

2.1 低功耗可穿戴設(shè)備

可穿戴設(shè)備可借助反向散射技術(shù)來降低設(shè)備功耗，延長續(xù)航時間。當(dāng)周邊的射頻信號可供設(shè)備通信時，設(shè)備利用反向散射技術(shù)將采集的信息傳送給智能終端。如圖6（a）所示，智能手表將采集的步數(shù)、心率等信息利用手機(jī)發(fā)出的藍(lán)牙、Wi-Fi等射頻信號反向散射到手機(jī)終端顯示給用戶?？纱┐鞫嗌韰?shù)監(jiān)測衣物內(nèi)嵌反向散射傳感單元，實(shí)時獲取人體體溫、呼吸率、心電等生理參數(shù)信號，利用外界射頻信號將信息返回智能終端以供分析，如圖6（b）所示。

圖6 低功耗智能可穿戴設(shè)備示例

2.2 生物內(nèi)置傳感芯片

生物芯片嵌入生物體內(nèi)，利用外部射頻源工作。如圖7所示，芯片采集到腦部生物信息數(shù)據(jù)后，利用外部射頻源將數(shù)據(jù)反射回手機(jī)終端，終端分析接收信號并恢復(fù)腦部信息。

圖7 生物內(nèi)置傳感芯片

2.3 鐵路系統(tǒng)運(yùn)營維護(hù)

文獻(xiàn)[35]首次把反向散射通信技術(shù)用于鐵路無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，降低了高速鐵路信號的穿透損耗和信道快速時變帶來的影響。反向散射通信技術(shù)在鐵路領(lǐng)域還可能應(yīng)用于軌道入侵檢測、接觸網(wǎng)監(jiān)控、貨運(yùn)跟蹤和人員物品定位等方面。

（1）軌道異物入侵監(jiān)測。如圖8所示，在鐵路周邊部署無源標(biāo)簽收集軌道周邊狀態(tài)信息，并反向散射給智能終端進(jìn)行分析，來監(jiān)測動物闖入、橋梁損壞或倒塌，水管爆裂等危險事件信息。

圖8 軌道異物入侵監(jiān)測

（2）接觸網(wǎng)智能監(jiān)測。如圖9所示，在鐵路接觸網(wǎng)電纜安裝無源標(biāo)簽，實(shí)時收集電纜張力數(shù)據(jù)，傳給監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對接觸網(wǎng)狀態(tài)的高效實(shí)時分析與監(jiān)控，避免因張力異常而引發(fā)的電力事故。

圖9 接觸網(wǎng)智能監(jiān)測

（3）貨運(yùn)實(shí)時遠(yuǎn)程跟蹤。列車貨運(yùn)業(yè)務(wù)場景如圖10所示，貨物貼上無源標(biāo)簽，車廂內(nèi)閱讀器定時讀取并刷新貨物信息記錄；車內(nèi)閱讀器通過列車無線網(wǎng)絡(luò)和鐵路貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互；寄貨方和收貨方可通過手機(jī)APP或者網(wǎng)上讀取貨物實(shí)時位置和狀態(tài)等信息。

圖10 貨運(yùn)遠(yuǎn)程跟蹤

（4）乘務(wù)員及餐車定位。如圖11所示，在客運(yùn)列車中，每個乘務(wù)員、餐車都貼附有加載其相關(guān)信息的無源標(biāo)簽，車廂內(nèi)閱讀器實(shí)時讀取標(biāo)簽位置并更新，用戶可通過列車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)獲取乘務(wù)員及餐車實(shí)時位置。

圖11 乘務(wù)員及餐車定位

2.4 智慧農(nóng)業(yè)

文獻(xiàn)[36]設(shè)計(jì)了一種昆蟲物聯(lián)網(wǎng)平臺，平臺實(shí)物和電路圖分別如圖12（a）和圖12（b）所示。無源傳感器貼在活體昆蟲上，傳感器利用反向散射技術(shù)與固定站點(diǎn)之間通信。智慧農(nóng)業(yè)場景如圖12（c）所示，在昆蟲上安裝水分、溫濕度、光照等傳感器，獲得作物的生長環(huán)境、授粉狀態(tài)等信息，傳回固定站點(diǎn)，站點(diǎn)分析后及時給出調(diào)控方案，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)控制。

圖12 智慧農(nóng)業(yè)平臺

2.5 工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)

未來的智慧工廠將會部署大量的無線傳感器，組成一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其目標(biāo)是在工業(yè)環(huán)境中監(jiān)測相關(guān)過程和參數(shù)[37]。這種環(huán)境通常使用各種類型的傳感器進(jìn)行監(jiān)測，如麥克風(fēng)、二氧化碳傳感器、壓力傳感器、光傳感器等。各種類型的傳感器采集并傳遞信息給中央控制節(jié)點(diǎn)，其速率要求一般低于2 Mbit/s，電池續(xù)航時間要求是幾年，此外還有設(shè)備尺寸小、成本低的需求。通過反向散射技術(shù)可以很好地滿足工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)需求。

2.6 水下物聯(lián)網(wǎng)

文獻(xiàn)[38]將壓電材料應(yīng)用于無源標(biāo)簽，利用材料的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)水下的反向散射通信。如圖13所示，將帶有溫濕度、酸堿度等監(jiān)測模塊的無源傳感器部署在水下，收集水體數(shù)據(jù)，利用反向散射技術(shù)將信息傳送回終端，實(shí)現(xiàn)低能耗、易部署的水體監(jiān)測。

圖13 水體監(jiān)測系統(tǒng)

3 新型反向散射技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及未來研究方向

新型反向散射通信技術(shù)也面臨著一系列的挑戰(zhàn)，以下給出六個方面的挑戰(zhàn)和對應(yīng)的研究方向。

（1）新型反向散射通信的理論性能分析，例如考慮靈敏度受限的理論性能分析?，F(xiàn)有的反向散射研究多數(shù)都沒有考慮電路靈敏度，而在實(shí)際中，當(dāng)無源設(shè)備接收到射頻信號能量超過某閾值時，其內(nèi)部電路才被激活。因此，結(jié)合實(shí)際中無源設(shè)備靈敏度的約束來分析容量、覆蓋等系統(tǒng)性能有重要研究價值和工程指導(dǎo)意義。

（2）信道估計(jì)和復(fù)雜信號檢測。反向散射通信系統(tǒng)中的無源設(shè)備發(fā)送導(dǎo)頻的能力受限，接收端收到的信號是反射信號與射頻源信號的疊加，尤其在多用戶接入時，接收信號如何建模、信道參數(shù)如何提取、反射信號如何檢測都是新興的研究方向。

（3）大規(guī)模用戶接入。無源設(shè)備存儲和計(jì)算能力有限，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的防沖突算法很難適用于大規(guī)模無源設(shè)備接入。設(shè)計(jì)大量用戶接入場景下的防沖突算法是有實(shí)用價值的研究方向。

（4）自干擾消除。無源反向散射通信系統(tǒng)中的接收信號是有用的反射信號和泄露的自干擾信號的疊加，自干擾信號的強(qiáng)度可能遠(yuǎn)大于反射向散射信號強(qiáng)度。傳統(tǒng)方法采取射頻和基帶自干擾消除，從強(qiáng)自干擾信號中恢復(fù)有用信號是一個重要挑戰(zhàn)。

（5）廣域覆蓋。由于受到信道衰減和外界信號干擾的影響，反向散射傳輸?shù)木嚯x受限。當(dāng)前通過中繼、擴(kuò)頻和LoRa技術(shù)等方法能提高通信距離，未來結(jié)合大規(guī)模反射陣列、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)和多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)廣覆蓋是網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)方向之一，覆蓋和功率時間等資源的權(quán)衡也是值得研究的理論課題。

（6）近距離高速率傳輸方案設(shè)計(jì)。無源設(shè)備由于能量限制一般采用低階調(diào)制，且受制于晶振穩(wěn)定性以及同步和干擾的挑戰(zhàn)，因此其通信速率較低。近距離中高速率綠色通信是未來6G需求之一，如何進(jìn)一步提高近距離傳輸速率，例如通過引入MIMO、高階調(diào)制，提升自干擾消除的性能等手段來提高傳輸速率，是反向散射通信走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

4 結(jié)束語

反向散射通信設(shè)備利用其他設(shè)備或者環(huán)境中的射頻信號進(jìn)行信號調(diào)制來傳輸自身信息，新型反向散射通信技術(shù)的低功耗、低成本、易維護(hù)、好部署等特點(diǎn)能有效滿足未來6G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求。本文介紹了新型反向散射通信技術(shù)的原理和發(fā)展歷程，闡述了最新研究進(jìn)展，并給出了應(yīng)用前景展望和未來研究方向。希望產(chǎn)業(yè)界一起推動新型反向散射通信技術(shù)走向成熟。