普及型反向散射技术的挑战与应用

### 普及型反向散射技术的挑战与应用 在当今物联网飞速发展的时代，反向散射通信作为一项关键技术，正逐渐展现出巨大的潜力。它不仅为超低功耗传感器提供了无处不在的连接，还在多个领域推动着创新应用的发展。本文将深入探讨普及型反向散射技术所面临的挑战以及其在大规模应用中的表现。 #### 1. 反向散射通信概述 反向散射通信是物联网中至关重要的技术之一，它能够为超低功耗传感器提供无处不在的连接。其中，射频识别（RFID）是最为广泛使用的反向散射通信技术。RFID的历史可以追溯到第二次世界大战期间，最初用于区分敌我飞机。随着时间的推移，RFID技术不断发展，被广泛应用于物流、零售、医疗等多个领域。然而，传统的RFID系统需要昂贵且专用的阅读器，这使得其大规模部署变得困难。 为了解决这一问题，研究人员开始探索环境反向散射技术，利用现有的基础设施和商用无线电设备。环境反向散射技术首次提出使用环境电视流量作为激励信号，为反向散射网络提供了新的思路。此后，各种基于环境信号的反向散射传输技术不断涌现，如FS反向散射、被动Wi-Fi等。 #### 2. 普及型反向散射与RFID的区别 普及型反向散射与RFID在多个方面存在明显区别： - **激励器和接收器**：RFID阅读器同时充当载波提供者和接收器，这种双重角色设计虽然降低了系统复杂度，但高昂的成本限制了其在日常生活中的大规模应用。而普及型反向散射的激励器和接收器是两个不同的设备，例如Wi-Fi反向散射中，激励器可以是路由器，接收器可以是手机。这些商用无线电设备在周围环境中广泛存在，无需定制硬件，大大降低了成本和部署难度。 - **标签**：RFID标签基于芯片技术，UHF RFID标签芯片已经有近20年的历史，在发展过程中经历了从追求灵敏度到追求多功能，再到追求成本和稳定性的转变。而普及型反向散射的标签仍处于原型阶段，尚未实现芯片化。此外，RFID标签考虑到安全和隐私问题，采用了加密技术，而普及型反向散射的标签则未使用该技术。 - **协议**：RFID使用成熟的协议，如UHF RFID使用EPC C1G2标准，该标准定义了阅读器和标签之间的通信层。而普及型反向散射支持多种主流无线电协议，包括Wi-Fi、LTE和5G，并且这些协议不断更新和发展。 #### 3. 普及型反向散射的特点 普及型反向散射具有以下特点，使其成为实现物联网反向散射的理想选择： - **免电池**：由于普及型反向散射不需要生成载波，并且使用无源电路组件，其功耗极低，达到微瓦级别。与有源无线电相比，普及型反向散射无线电的功耗降低了几个数量级。这种设计可以显著延长标签的使用寿命，降低维护风险和成本。例如，在无线药物应用中，免电池特性使得药物能够更长时间地感知和传输人体健康状态。 - **小型化**：为了满足各种应用需求，标签需要实现小型化。小型化标签是可行的，一方面，标签的逻辑简单，主要用于感知和传输少量数据，因此电路设计也相对简单；另一方面，成熟的制造工艺和先进的材料为标签小型化提供了支持。小型化标签适用于一些空间受限和对隐私安全要求较高的应用，如建筑物的结构健康监测。 - **轻量化**：除了小型化要求外，一些应用还要求传感器非常轻，特别是那些负载能力有限的应用。为了实现轻量化传感器，标签的电路尽可能集成，并且使用无线连接代替有线连接。这种轻量化传感器可用于军事侦察，无线无源传感大大降低了传感器的重量，使其更适合军事应用。 - **可控性**：传感器可用于感知和传输数据，广泛应用于各种物联网应用中，如智能家居、移动医疗和智能物流。以智能家居中的室内温度监测为例，不同地点和时间段发生火灾的可能性不同，因此可以根据监测需求在适当的时间和地点控制传感器的感知和监测，从而加快数据处理速度，减少其他无关数据的干扰。 #### 4. 普及型反向散射的挑战 尽管普及型反向散射技术具有诸多优势，但要实现实用的反向散射系统，仍面临以下三个关键挑战： - **标签数据传输效率**：反向散射系统主要用于低功耗物联网应用，如智能农场、健康监测和智慧城市。这些应用对标签数据传输效率有较高要求，具体可分为吞吐量、误码率和功耗三个维度。 - **吞吐量**：吞吐量是指单位时间内可以传输的数据量，是通信系统的重要指标。对于一些应用，如音频和视频流，高吞吐量是必要的。提高吞吐量面临两个主要挑战：一是如何获取足够的能量以支持高吞吐量；二是如何设计与现有高带宽协议兼容的调制方法。 - **误码率**：误码率（BER）是指所有传输比特中错误比特的百分比，它反映了通信系统的可靠性。与有源无线电不同，反向散射系统消除了使用高功耗组件，如压控振荡器（VCO）、功率放大器（PA）和混频器。它们通过反向散射激励信号并嵌入自己的数据来实现通信。主要问题在于同步和调制。为了降低功耗，大多数反向散射系统使用能量检测器进行同步，但这种简单的同步方法在很多情况下精度较低，导致误码率较高。此外，标签通过改变阻抗来调制信号，如何使反向散射信号与有源无线电兼容也是一个挑战。 - **功耗**：反向散射节点需要执行计算和通信任务，因此优化其能量消耗是一个挑战。主要体现在低功耗电路设计和低功耗算法设计两个方面。需要设计低功耗电路，包括检测器和调制电路；同时设计使用较少计算和存储资源的算法。 - **商用激励器和接收器的兼容性**：环境反向散射的愿景是利用环境中已有的信号，并使反向散射信号能够被商用设备解码。然而，这并非易事。一方面，低功耗标签需要识别不同的激励信号并进行相应的调制；另一方面，使反向散射信号与不同的商用标准兼容对于物理层和上层都是一个挑战。不同的标准可能使用不同的调制方法，标签需要改变幅度、相位和频率以满足不同标准。此外，由于标签的下行链路能力相对较弱，上层协议栈（如MAC）也是一个挑战。 - **目标载波的识别**：目标载波的识别很重要，原因有两个：一是在不同环境中，信号的可用性不同，为了使系统在大多数场景下工作，标签需要识别信号并进行相应的调制；二是不同的信号可能具有不同的调制方法，为了使信号与不同的调制方法兼容，需要首先识别信号。然而，低功耗标签仅使用包络检测器来检测信号，利用简单的能量信息来区分不同的激励信号是一个挑战。 #### 5. 普及型反向散射的大规模应用 普及型反向散射技术在多个领域具有大规模应用的潜力： - **铁路和地铁**：随着城市轨道交通的发展，越来越多的人选择高铁和地铁作为出行方式。为了确保交通安全，准确定位列车并获取列车信息非常重要。传统的列车定位主要使用RFID传感技术，但部署RFID信标的成本过高且难度较大。普及型反向散射利用环境信号作为载波，复用现有的基础设施，降低了成本和部署复杂度。标签首先感知列车的速度、位置等信息，然后将这些信息搭载在环境载波上传输到商用接收器，最后接收器解调反向散射信号以获取列车信息。 - **