漫反射通信：物联网的未来之光

# 漫反射通信：物联网的未来之光 ## 1. 漫反射通信简介 漫反射通信是物联网（IoT）中至关重要的技术之一，它能为超低功耗传感器提供无处不在的连接。射频识别（RFID）是全球广泛使用且最流行的漫反射通信方式。 ### 1.1 RFID 的历史 RFID 起源于第二次世界大战。1935 年，雷达被发现并广泛应用于美、英、德军队，但无法区分敌我飞机。后来，德国人发现飞机滑行会改变雷达反射信号，英国人在此基础上发明了敌我识别（IFF）系统。1945 年，苏联开发出类似 RFID 技术的间谍工具“The Thing”。直到 1973 年，首个 RFID 专利授予 Mario W. Cardullo，同年 Charles Walton 获得被动 RFID 系统专利。1999 年，麻省理工学院（MIT）的科学家成立 Auto-ID 中心，致力于标准化 RFID 编码信息格式并降低生产成本。如今，RFID 已广泛应用于物流、零售、医疗等众多领域，对提高企业运营效率和降低成本有显著作用。 ### 1.2 漫反射通信的发展 然而，昂贵且专用的 RFID 阅读器使得漫反射系统难以大规模部署。因此，研究人员开始探索利用现有基础设施和商用无线电的环境漫反射通信。以下是其发展历程： - 2013 年，Ambient backscatter 首次提出使用环境电视流量作为激励信号，为漫反射网络提供新思路。 - FS backscatter 发现频移是提高漫反射通信质量的关键。 - BackFi 虽实现高吞吐量，但使用全双工无线电消除自干扰，现有设备难以实现。 - passive Wi-Fi 使用插入式设备在所需 Wi-Fi 信道外发送单音信号，BLE backscatter 和 LoRa backscatter 也采用此思路，但都需要专用硬件。 - Interscatter 使用蓝牙设备生成单音信号创建兼容 Wi-Fi 和 ZigBee 的信号，但逆白化限制了有效信号作为载波的使用。 - Hitchhike 首次提出使用有效载波与商用设备配合，FreeRider 和 MOXcatter 也遵循此思路。 - X-Tandem 实现了与商用 Wi-Fi 设备配合的多跳漫反射通信。 - RBLE 提出与单接收器通信的 BLE 漫反射系统。 - LScatter 提出使用 LTE 信号实现无处不在且高吞吐量的漫反射通信。 - Chameleon 使标签能够使用不受控的有效载波生成原生 Wi-Fi 数据包。 ## 2. 基本概念 ### 2.1 RFID 与漫反射通信原理 - **RFID 原理**：典型的 RFID 系统包括阅读器和标签。阅读器发送连续波，标签接收射频信号产生感应电流，利用该能量为自身供电，并通过调整天线阻抗匹配将射频信号调制回阅读器。具体来说，标签通过改变天线阻抗反射波发送“1”，保持静默状态发送“0”，阅读器接收并解码信息。 - **漫反射通信原理**：漫反射通信由激励器、标签和接收器三种不同类型的设备组成。激励器和接收器均为商用无线电设备，环境信号作为载波。标签通过反射激励器的信号，改变信号的幅度、频率或相位来传输数据，接收器捕获反射信号提取标签嵌入的信息。 ### 2.2 RFID 与漫反射通信的区别 |对比项|RFID|漫反射通信| | ---- | ---- | ---- | |激励器和接收器|阅读器兼具载波提供者和接收器功能，成本高，需专用设备，无法复用现有商用无线电基础设施|激励器和接收器是不同设备，如 Wi-Fi 漫反射中，激励器可以是路由器，接收器可以是手机，可利用现有无线电设备，降低成本和部署难度。激励信号多样，可实现多协议数据传输| |标签|标签基于芯片，UHF RFID 标签芯片有近 20 年历史，经历了从追求灵敏度到多功能再到成本和稳定性的发展过程。使用加密技术保障安全和隐私|标签仍处于原型阶段，未实现芯片化。不使用加密技术| |协议|使用成熟协议，如 UHF RFID 使用 EPC C1G2 标准，定义了阅读器和标签之间的通信|支持多种主流无线电协议，如 Wi-Fi、LTE 和 5G，且这些协议不断更新| ## 3. 漫反射通信在物联网中的应用 物联网的终极目标是实现万物互联，让物理世界中的任何物品都能被远程感