无线反向散射技术赋能智能物联网无源通信

王智民，徐 佳，马治杰

（1.广东科学职业技术职业学院 计算机工程技术学院（人工智能学院），广东 珠海 519090；2.珠海市第一中等职业学校 信息技术部，广东 珠海 519000；3.中国科学院微电子研究所，北京 100000）

0 引言

“信息随心至，万物触手及”是我国IMT-2020（5G）推进组提出的5G 发展愿景，而智能物联网[1]正是实现该愿景的核心方案之一。智能物联网是人工智能（AI）、第五代移动通信技术（5G）和物联网（IoT）技术相融合的产物，首先由物联网收集来海量多维度的数据，然后通过5G 等先进通信技术将获得的数据传输到边缘端和云端，再借助云、边、端协作进行实时准确的大数据分析，最后采用人工智能技术服务高层应用需求实现万物数据化、万物智联化的目标。由此可见，智能物联网中采用大量异构终端设备收集的巨量资料是构建智能生态的基础。因此，如何建设绿色节能、低成本、高灵活的大规模设备接入是实现智能物联网的一个重要问题。然而，物联网设备在很多情况下无法保证供电，或者无法负荷一套完整庞大的通信协议框架。反向散射技术（BSC,Backscatter Communications）是一种无源通信方式，能很好地应对上述问题。反向散射标签通过反射特定的激励信号来传输自己的信息。传统的反向散射技术的最主要应用是射频识别（RFID,Radio Frequency Identification）系统。典型的RFID 系统由射频信号源（RF source）和标签（Tag）组成，读写器发送特定的信号，标签以该信号作为激励信号，再将自身需要传输的信息搭载在激励信号上，然后反射给读写器，通常信号源与读写器为同一设备，如图 1所示。

图1 传统反向散射

随着物联网的发展普及和规模的扩大，传统反向散射技术要求特定的激励信号、有效通信距离短等缺陷也逐渐被放大，难以满足市场需求，成为限制物联网发展的一大痛点。为了解决传统反向散射的疑难问题，研究人员提出了新型反向散射通信技术—无线反向散射（WBSC,Wireless Backscatter Communications）。无线反向散射通信技术通过捕获环境信号来获得能量，并且利用环境信号来传输自己的信息[2]。随着无线通信技术在生活（例如5G、WiFi5、WiFi6、Bluetooth 和ZigBee 等）和物联网领域（例如WiFi HaLow、NB-IoT 和LoRa 等）的普及，无线通信信号远超越广播电视信号成为了最常见的环境信号。如果使用无线反向散射标签来替换原有的无线设备，可以大大降低物联网系统的能耗[3-5]。在无线反向散射技术赋能的智能物联网中，标签只须完成常规无线通信协议体系的最下面两层功能（物理层和数据链路层）即可，汇聚节点接收到标签发送的信息，然后完成后续的上层功能（网络层、传输层和应用层）。

1 无线反向散射

1.1 无线反向散射标签

无线反向散射标签平时从环境中的无线信号中获取能量，供给内部电路（包括通信模块），如图2所示。当标签需要传输信息时，以环境中的无线信号作为激励信号，通过调节其内部阻抗来控制是否反射无线信号或者通过改变接收到的激励信号的幅度、频率或相位来实现更复杂的数字调制，最后将调制后的信号反射给接收机。

图2 无线反向散射标签功能框图

1.2 无线反向散射的模式

无线反向散射通信系统包括以下四种角色：信号源（RF source）、无线反向散射标签、反向散射信号接收机（WBSC reader）和背景信号接收机（legacy reader），如图3所示。

图3 各类无线反向散射

本文根据系统的组成方式，将无线反向散射系统归纳为以下3 类：

（1）基于全双工的无线反向散射。如图3（a）所示，信号源也是反向散射信号接收机，该设备需采用全双工技术以实现自干扰消除（SIC,Self-Interference Cancellation）来解调接收到的反向散射信号。

（2）基于转换的无线反向散射。如图3（b）所示，反向散射信号有独立的接收机。标签通过对激励信号进行转换，例如将WiFi 信号转换成ZigBee 信号等。这类无线反向散射实现了采用物理隔离的方式来消除背景信号和反向散射信号在接收端的干扰。因此，需要使用专门的接收机来接收和解调反向散射信号。

（3）基于多进多出的无线反向散射。如图3（c）所示，接收机既能接收反向散射信号，也能接收背景信号。这类反向散射技术需要用到多条天线形成天线矩阵来解调多个接收到的信号。

表1 中对上述无线反向散射系统进行了比较。

表1 各类无线反向散射系统对比

1.3 典型无线反向散射方案

自2013年以来，一系列的无线反向散射方案被提出。本文根据对无线反向散射通信研究的侧重点不同，将现有研究分为3 大类：第一类是对无线反向散射通信的物理层（PHY）技术的研究；第二类是设计高效的介质访问控制层（MAC）策略，以发挥无线反向散射通信技术的优势；第三类是对无线反向散射通信系统实验和性能的分析。

1.3.1 物理层研究

物理层研究的主要目的是实现无线反向散射通信的物理技术提升，以达到更高速率、更远距离的传输。

文献[6]实现了以WiFi 信号作为激励信号进行反向散射通信，为后续无线反向散射研究奠定了基础。

文献[7]基于全双工技术提出了BackFi。BackFi 利用全双工技术实现自干扰消除（SIC），允许AP 既是信号源又是反向散射信号接收机。BackFi 支持多种调制解调方案，在1 m通信距离内传输速率为5 Mb/s，或5 m 通信距离内传输速率为1 Mb/s。

文献[8]基于商用802.11b 设备部署实现了HitchHike。在HitchHike 中，信号源发送 802.11b 信号给背景信号接收机（AP1）和标签。标签将接收到的信号移频到另外一个信道上，并调制自己的信息在该信号上，再将信号反射出去，最终由反向散射信号接收机（AP2）接收。HitchHike 是典型的基于转换的无线反向散射，通过移动频的方式来避免激励信号、反向散射信号在接收机中的互相干扰。

文献[9]提出了跨物理层技术的无线反向散射InterScatter，这也是基于转换的无线反向散射。InterScatter通过改变标签的阻抗，将蓝牙信号转换为WiFi 信号或者ZigBee 设备可以接收的信号。

文献[10]提出以LoRa 信号为输入的长距离低功耗反向散射技术LoRea。当使用70 µW 标签在靠近28 dBm 载波信号源1 m 以内时，反向散射传输距离可以达到最大3.4 km。

1.3.2 介质访问控制层研究

本节介绍的这类研究旨在配合先进的无线反向散射通信的物理技术，结合使用场景，提出更高效的信道接入控制策略，提高网络整体性能。

文献[11]提出了一种基于需求的分布式无线反向散射通信MAC 协议。在该协议中，当AP 有从标签采集数据的需求时，全双工WiFi AP 发送CTS_to_Self 帧停止所有其他WiFi 节点竞争和传输，并在之后发送一段时间的环境信号。在环境信号发送过程中，所有标签遵循二进制指数退竞争信道并尝试向AP 传输数据。该方案是首个分布式协调功能（DCF,Distributed Coordination Function）的无线反向散射通信MAC 方案。

文献[12]为了配合提出的基于多进多出的无线反向散射物理层技术，设计了基于节点辅助的低功耗、长距离MAC方案。该方案解决了标签和一般无线设备之间的传输距离差的问题，允许同一时间段内不同范围内的标签节点同时传输数据。这不但极大地提高了无线反向散射通信吞吐量，还以无线设备为中继大大延长了反向散射传输距离。

1.3.3 实验与性能分析

实验与性能分析是在前两类研究的基础上，通过原型机、仿真模拟或数学建模等方式，根据不同的物理场景和参数，验证无线反向散射通信系统的性能。文献[6-10]都采用原型机的验证方式，这种方式一般只实现了一对一地传输。对物理层的性能测试非常精准，可以准确地分析障碍物、噪声等对无线反向散射的影响，但是MAC 层的性能验证缺失。

文献[11]针对无线反向散射通信，提出了有限时间段内的多用户竞争模型，同步分析了WiFi 节点和标签的吞吐量。结果表明，分布式的无线反向散射通信协议能有效地提高标签节点的吞吐量。

文献[12]针对无线反向散射通信，分析了两类节点的竞争方式及竞争方式对吞吐量的影响，所提出的方案在以极小的WiFi 吞吐量下降的代价下较大程度地提高了网络中标签的吞吐量，最终实现低功耗、长距离的传输目的。

文献[13]制定了一个新的传输模型，设计数据检测算法，推导出两个闭式检测阈值。一个阈值用于实现最小误码率（BER），另一个用于平衡产生“0”位和“1”位的错误概率。

2 无线反向散射通信在智能物联网环境下的潜力

无线反向散射通信使得设备脱离电源和特殊射频信号的限制，降低设备购置成本和维护成本，高度契合智能物联网低成本、绿色节能、高灵活性、大规模接入的特性。本文总结以下4 个无线反向散射通信的未来潜在应用方向。

（1）物流快递和货物追踪。随着短视频平台的发展、直播带货的兴起，网络购物又出现了一波新的浪潮。相生相伴的物流快递行业也得到了前所未有的蓬勃发展。与此同时，海外货物、冷链等运输方式也成为了病毒传播、外来物种入侵的主要途径。利用无线无源标签可以精确、实时、快速地追踪货物的运输路径及货物所到地点的完整链路，为疫情防控等工作提供快速准确的支持。

（2）智慧医疗和病患监控。智能可穿戴设备的种类和类型得到迅速发展，在生活中非常常见。随着介入医疗发展，更多的智能设备可能被植入人体，例如智能心脏起搏器等。这类设备除了能完成原有设备的工作外，还可以实时地向外部传输相关信息实现病患监控。

（3）车载网络和智能家居。为助力“碳达峰”“碳中和”，国家积极推导和大力发展新能源汽车来替代传统燃油车。新能源车与传统燃油车除了动力系统不一样外，还有着本质上的不同。新能源车可以被认为是一种大型的互联网产品，它涉及到一系列周边服务，比如汽车监控、智能充换电、无人驾驶等。无源标签可以为新能源汽车提供更优的信息传递方式，降低能耗提升续航里程。在智能家居中，智能电器已经走进千家万户，但是所有的家居都插电或者电池供电是难以实现的。无线反向散射技术可以满足大多数智能电器低频率低数据量的传输需求，提升用户使用体验。

（4）野生动物、海洋监控和智慧农业。对野生动物和海洋的监控是获得第一手环境保护资料的重要途径。然而，野外和海洋都有着范围广、人类难以达到的特点。无线反向散射标签可以通过播撒方式被部署在野外或者海域进行数据采集，利用反射技术将数据传输回服务器。智慧农业场景中，也可以实现水费、温湿度、光照、虫害等信息监控，实现精细化农业生产控制。

3 无线反向散射技术面临的挑战及未来研究方向

虽然无线反向散射有很大的潜力，但是也面临着一系列的挑战。要想使无线反向散射通信技术更适用于智能物联网环境，可以从以下3 方面进行研究。

（1）干扰消除。无线反向散射通信中，反射信号的强度远远不如原信号。其他环境噪声非常容易干扰到反射信号，在环境较恶劣的条件下无线反向散射的错误率将快速上升。在强干扰信号中恢复反射信号是一个巨大的挑战。

（2）新通信技术。移动5G 和WiFi 802.11ax 采用OFDMA 的调制方式，与以往OFDM 的调制方式不同，该方式存在多个接收者或发送者的情况。如何在这样的传输环境中实现反向散射通信是非常有实用价值的研究方向。

（3）物理层安全。与其他的无线传输技术相比，无线反向散射技术下的设备受限于能源的供给，一般很难搭载完整复杂的网络协议体系，也就是无法实现高层级的网络安全功能。但是，无线反向散射技术又和其他无线传输方式一样，有着广播的特性。因此，如何在物理层实现网络安全，保证信息不被窃听、篡改、假冒等是值得研究的理论课题。

4 结语

本文总结了新型无线反向散射技术的原理和发展历程，详细地阐述了最新的研究成果，并从多维度对研究成果进行了分析和对比，最后展望了无线反向散射通信技术在未来智能物联网的应用潜力和研究前景。