無線反向散射技術(shù)賦能智能物聯(lián)網(wǎng)無源通信

王智民，徐 佳，馬治杰

（1.廣東科學(xué)職業(yè)技術(shù)職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程技術(shù)學(xué)院（人工智能學(xué)院），廣東 珠海 519090；2.珠海市第一中等職業(yè)學(xué)校 信息技術(shù)部，廣東 珠海 519000；3.中國科學(xué)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(jìn)組提出的5G 發(fā)展愿景，而智能物聯(lián)網(wǎng)[1]正是實(shí)現(xiàn)該愿景的核心方案之一。智能物聯(lián)網(wǎng)是人工智能（AI）、第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)相融合的產(chǎn)物，首先由物聯(lián)網(wǎng)收集來海量多維度的數(shù)據(jù)，然后通過5G 等先進(jìn)通信技術(shù)將獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭吘壎撕驮贫?，再借助云、邊、端協(xié)作進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的大數(shù)據(jù)分析，最后采用人工智能技術(shù)服務(wù)高層應(yīng)用需求實(shí)現(xiàn)萬物數(shù)據(jù)化、萬物智聯(lián)化的目標(biāo)。由此可見，智能物聯(lián)網(wǎng)中采用大量異構(gòu)終端設(shè)備收集的巨量資料是構(gòu)建智能生態(tài)的基礎(chǔ)。因此，如何建設(shè)綠色節(jié)能、低成本、高靈活的大規(guī)模設(shè)備接入是實(shí)現(xiàn)智能物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要問題。然而，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在很多情況下無法保證供電，或者無法負(fù)荷一套完整龐大的通信協(xié)議框架。反向散射技術(shù)（BSC,Backscatter Communications）是一種無源通信方式，能很好地應(yīng)對上述問題。反向散射標(biāo)簽通過反射特定的激勵(lì)信號來傳輸自己的信息。傳統(tǒng)的反向散射技術(shù)的最主要應(yīng)用是射頻識別（RFID,Radio Frequency Identification）系統(tǒng)。典型的RFID 系統(tǒng)由射頻信號源（RF source）和標(biāo)簽（Tag）組成，讀寫器發(fā)送特定的信號，標(biāo)簽以該信號作為激勵(lì)信號，再將自身需要傳輸?shù)男畔⒋钶d在激勵(lì)信號上，然后反射給讀寫器，通常信號源與讀寫器為同一設(shè)備，如圖 1所示。

圖1 傳統(tǒng)反向散射

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展普及和規(guī)模的擴(kuò)大，傳統(tǒng)反向散射技術(shù)要求特定的激勵(lì)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(lián)網(wǎng)發(fā)展的一大痛點(diǎn)。為了解決傳統(tǒng)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(shù)—無線反向散射（WBSC,Wireless Backscatter Communications）。無線反向散射通信技術(shù)通過捕獲環(huán)境信號來獲得能量，并且利用環(huán)境信號來傳輸自己的信息[2]。隨著無線通信技術(shù)在生活（例如5G、WiFi5、WiFi6、Bluetooth 和ZigBee 等）和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域（例如WiFi HaLow、NB-IoT 和LoRa 等）的普及，無線通信信號遠(yuǎn)超越廣播電視信號成為了最常見的環(huán)境信號。如果使用無線反向散射標(biāo)簽來替換原有的無線設(shè)備，可以大大降低物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的能耗[3-5]。在無線反向散射技術(shù)賦能的智能物聯(lián)網(wǎng)中，標(biāo)簽只須完成常規(guī)無線通信協(xié)議體系的最下面兩層功能（物理層和數(shù)據(jù)鏈路層）即可，匯聚節(jié)點(diǎn)接收到標(biāo)簽發(fā)送的信息，然后完成后續(xù)的上層功能（網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層）。

1 無線反向散射

1.1 無線反向散射標(biāo)簽

無線反向散射標(biāo)簽平時(shí)從環(huán)境中的無線信號中獲取能量，供給內(nèi)部電路（包括通信模塊），如圖2所示。當(dāng)標(biāo)簽需要傳輸信息時(shí)，以環(huán)境中的無線信號作為激勵(lì)信號，通過調(diào)節(jié)其內(nèi)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(lì)信號的幅度、頻率或相位來實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的數(shù)字調(diào)制，最后將調(diào)制后的信號反射給接收機(jī)。

圖2 無線反向散射標(biāo)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(tǒng)包括以下四種角色：信號源（RF source）、無線反向散射標(biāo)簽、反向散射信號接收機(jī)（WBSC reader）和背景信號接收機(jī)（legacy reader），如圖3所示。

圖3 各類無線反向散射

本文根據(jù)系統(tǒng)的組成方式，將無線反向散射系統(tǒng)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(jī)，該設(shè)備需采用全雙工技術(shù)以實(shí)現(xiàn)自干擾消除（SIC,Self-Interference Cancellation）來解調(diào)接收到的反向散射信號。

（2）基于轉(zhuǎn)換的無線反向散射。如圖3（b）所示，反向散射信號有獨(dú)立的接收機(jī)。標(biāo)簽通過對激勵(lì)信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，例如將WiFi 信號轉(zhuǎn)換成ZigBee 信號等。這類無線反向散射實(shí)現(xiàn)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(jī)來接收和解調(diào)反向散射信號。

（3）基于多進(jìn)多出的無線反向散射。如圖3（c）所示，接收機(jī)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(shù)需要用到多條天線形成天線矩陣來解調(diào)多個(gè)接收到的信號。

表1 中對上述無線反向散射系統(tǒng)進(jìn)行了比較。

表1 各類無線反向散射系統(tǒng)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(jù)對無線反向散射通信研究的側(cè)重點(diǎn)不同，將現(xiàn)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(shù)的研究；第二類是設(shè)計(jì)高效的介質(zhì)訪問控制層（MAC）策略，以發(fā)揮無線反向散射通信技術(shù)的優(yōu)勢；第三類是對無線反向散射通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)無線反向散射通信的物理技術(shù)提升，以達(dá)到更高速率、更遠(yuǎn)距離的傳輸。

文獻(xiàn)[6]實(shí)現(xiàn)了以WiFi 信號作為激勵(lì)信號進(jìn)行反向散射通信，為后續(xù)無線反向散射研究奠定了基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)[7]基于全雙工技術(shù)提出了BackFi。BackFi 利用全雙工技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(jī)。BackFi 支持多種調(diào)制解調(diào)方案，在1 m通信距離內(nèi)傳輸速率為5 Mb/s，或5 m 通信距離內(nèi)傳輸速率為1 Mb/s。

文獻(xiàn)[8]基于商用802.11b 設(shè)備部署實(shí)現(xiàn)了HitchHike。在HitchHike 中，信號源發(fā)送 802.11b 信號給背景信號接收機(jī)（AP1）和標(biāo)簽。標(biāo)簽將接收到的信號移頻到另外一個(gè)信道上，并調(diào)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(jī)（AP2）接收。HitchHike 是典型的基于轉(zhuǎn)換的無線反向散射，通過移動(dòng)頻的方式來避免激勵(lì)信號、反向散射信號在接收機(jī)中的互相干擾。

文獻(xiàn)[9]提出了跨物理層技術(shù)的無線反向散射InterScatter，這也是基于轉(zhuǎn)換的無線反向散射。InterScatter通過改變標(biāo)簽的阻抗，將藍(lán)牙信號轉(zhuǎn)換為WiFi 信號或者ZigBee 設(shè)備可以接收的信號。

文獻(xiàn)[10]提出以LoRa 信號為輸入的長距離低功耗反向散射技術(shù)LoRea。當(dāng)使用70 μW 標(biāo)簽在靠近28 dBm 載波信號源1 m 以內(nèi)時(shí)，反向散射傳輸距離可以達(dá)到最大3.4 km。

1.3.2 介質(zhì)訪問控制層研究

本節(jié)介紹的這類研究旨在配合先進(jìn)的無線反向散射通信的物理技術(shù)，結(jié)合使用場景，提出更高效的信道接入控制策略，提高網(wǎng)絡(luò)整體性能。

文獻(xiàn)[11]提出了一種基于需求的分布式無線反向散射通信MAC 協(xié)議。在該協(xié)議中，當(dāng)AP 有從標(biāo)簽采集數(shù)據(jù)的需求時(shí)，全雙工WiFi AP 發(fā)送CTS_to_Self 幀停止所有其他WiFi 節(jié)點(diǎn)競爭和傳輸，并在之后發(fā)送一段時(shí)間的環(huán)境信號。在環(huán)境信號發(fā)送過程中，所有標(biāo)簽遵循二進(jìn)制指數(shù)退競爭信道并嘗試向AP 傳輸數(shù)據(jù)。該方案是首個(gè)分布式協(xié)調(diào)功能（DCF,Distributed Coordination Function）的無線反向散射通信MAC 方案。

文獻(xiàn)[12]為了配合提出的基于多進(jìn)多出的無線反向散射物理層技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于節(jié)點(diǎn)輔助的低功耗、長距離MAC方案。該方案解決了標(biāo)簽和一般無線設(shè)備之間的傳輸距離差的問題，允許同一時(shí)間段內(nèi)不同范圍內(nèi)的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。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(shè)備為中繼大大延長了反向散射傳輸距離。

1.3.3 實(shí)驗(yàn)與性能分析

實(shí)驗(yàn)與性能分析是在前兩類研究的基礎(chǔ)上，通過原型機(jī)、仿真模擬或數(shù)學(xué)建模等方式，根據(jù)不同的物理場景和參數(shù)，驗(yàn)證無線反向散射通信系統(tǒng)的性能。文獻(xiàn)[6-10]都采用原型機(jī)的驗(yàn)證方式，這種方式一般只實(shí)現(xiàn)了一對一地傳輸。對物理層的性能測試非常精準(zhǔn)，可以準(zhǔn)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(yàn)證缺失。

文獻(xiàn)[11]針對無線反向散射通信，提出了有限時(shí)間段內(nèi)的多用戶競爭模型，同步分析了WiFi 節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽的吞吐量。結(jié)果表明，分布式的無線反向散射通信協(xié)議能有效地提高標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的吞吐量。

文獻(xiàn)[12]針對無線反向散射通信，分析了兩類節(jié)點(diǎn)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(jià)下較大程度地提高了網(wǎng)絡(luò)中標(biāo)簽的吞吐量，最終實(shí)現(xiàn)低功耗、長距離的傳輸目的。

文獻(xiàn)[13]制定了一個(gè)新的傳輸模型，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)檢測算法，推導(dǎo)出兩個(gè)閉式檢測閾值。一個(gè)閾值用于實(shí)現(xiàn)最小誤碼率（BER），另一個(gè)用于平衡產(chǎn)生“0”位和“1”位的錯(cuò)誤概率。

2 無線反向散射通信在智能物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的潛力

無線反向散射通信使得設(shè)備脫離電源和特殊射頻信號的限制，降低設(shè)備購置成本和維護(hù)成本，高度契合智能物聯(lián)網(wǎng)低成本、綠色節(jié)能、高靈活性、大規(guī)模接入的特性。本文總結(jié)以下4 個(gè)無線反向散射通信的未來潛在應(yīng)用方向。

（1）物流快遞和貨物追蹤。隨著短視頻平臺的發(fā)展、直播帶貨的興起，網(wǎng)絡(luò)購物又出現(xiàn)了一波新的浪潮。相生相伴的物流快遞行業(yè)也得到了前所未有的蓬勃發(fā)展。與此同時(shí)，海外貨物、冷鏈等運(yùn)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(biāo)簽可以精確、實(shí)時(shí)、快速地追蹤貨物的運(yùn)輸路徑及貨物所到地點(diǎn)的完整鏈路，為疫情防控等工作提供快速準(zhǔn)確的支持。

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

（3）車載網(wǎng)絡(luò)和智能家居。為助力“碳達(dá)峰”“碳中和”，國家積極推導(dǎo)和大力發(fā)展新能源汽車來替代傳統(tǒng)燃油車。新能源車與傳統(tǒng)燃油車除了動(dòng)力系統(tǒng)不一樣外，還有著本質(zhì)上的不同。新能源車可以被認(rèn)為是一種大型的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，它涉及到一系列周邊服務(wù)，比如汽車監(jiān)控、智能充換電、無人駕駛等。無源標(biāo)簽可以為新能源汽車提供更優(yōu)的信息傳遞方式，降低能耗提升續(xù)航里程。在智能家居中，智能電器已經(jīng)走進(jìn)千家萬戶，但是所有的家居都插電或者電池供電是難以實(shí)現(xiàn)的。無線反向散射技術(shù)可以滿足大多數(shù)智能電器低頻率低數(shù)據(jù)量的傳輸需求，提升用戶使用體驗(yàn)。

（4）野生動(dòng)物、海洋監(jiān)控和智慧農(nóng)業(yè)。對野生動(dòng)物和海洋的監(jiān)控是獲得第一手環(huán)境保護(hù)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(dá)到的特點(diǎn)。無線反向散射標(biāo)簽可以通過播撒方式被部署在野外或者海域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用反射技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸回服務(wù)器。智慧農(nóng)業(yè)場景中，也可以實(shí)現(xiàn)水費(fèi)、溫濕度、光照、蟲害等信息監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)控制。

3 無線反向散射技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)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(zhàn)。要想使無線反向散射通信技術(shù)更適用于智能物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，可以從以下3 方面進(jìn)行研究。

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

（2）新通信技術(shù)。移動(dòng)5G 和WiFi 802.11ax 采用OFDMA 的調(diào)制方式，與以往OFDM 的調(diào)制方式不同，該方式存在多個(gè)接收者或發(fā)送者的情況。如何在這樣的傳輸環(huán)境中實(shí)現(xiàn)反向散射通信是非常有實(shí)用價(jià)值的研究方向。

（3）物理層安全。與其他的無線傳輸技術(shù)相比，無線反向散射技術(shù)下的設(shè)備受限于能源的供給，一般很難搭載完整復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系，也就是無法實(shí)現(xiàn)高層級的網(wǎng)絡(luò)安全功能。但是，無線反向散射技術(shù)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(jié)語

本文總結(jié)了新型無線反向散射技術(shù)的原理和發(fā)展歷程，詳細(xì)地闡述了最新的研究成果，并從多維度對研究成果進(jìn)行了分析和對比，最后展望了無線反向散射通信技術(shù)在未來智能物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用潛力和研究前景。