S^2：6G反向散射技术

溯溪而上

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与5G相比，6G将在5G的基础上，从服务于人、人与物，进一步拓展到支撑智能体的高效互联，实现由万物互联到万物智联的跃迁。

3GPP跳过了5G mMTC的标准制定，5G时代的物联网还更多依赖于4G时代的NB-IoT和eMTC，及LoRA和Sigfox等技术。面向万物智联，相比eMBB和uRLLC，人们对6G时代物联网技术的发展更增添了一份期许。

面向万物智联，在6G移动通信的众多场景中，物联网将是最为核心的应用之一。根据IDC的预测，到2025年，全球将部署多达416亿个联网设备。

大规模物联网部署最大的挑战之一就是如何应对其有限的电池寿命。416亿个联网设备意味着需要相应的416亿块电池来保持这些物联网设备收集、分析和发送数据。理想上即使平均每个终端设备电池拥有10 年使用寿命，全球每天仍需要进行海量的电池更换。

低功耗终端设计是一直以来物联网的重点关注课题。4G时代，3GPP便在物联网终端设计降功耗上进行了多个版本迭代增强的努力。

Part 02

能量收集

6G时代，随着物联网场景的进一步扩大，更加节能甚至无源的物联网技术成为重要发展方向，其中能量收集技术这一技术日益得到业界关注。

能量收集技术并非一个新事物，理论上终端设备可以从周围环境中捕获任何能量并将其转化为电能，目前可行的能量来源主要包括环境光、振动、热量和射频等。

光能收集是最为常见的能量收集方式，但其收集能量的强度往往受到时间、天气等诸多外界条件的影响，导致其具有一定的不可控性和不可持续性。相对而言，振动能量收集应用更广，其一般可以通过压电转换、静电转换和磁电转换等方式进行能量转换。热能转化则是基于热电材料的赛贝克效应，通过热电发生器，将热能转化为电能，但一般只适用于部分低功耗可穿戴设备。射频能量收集能收集的对象较广，不仅可来源手机，还来源于移动通信基站、电视、电台信号基站、wifi、微波炉等，但射频方式可收集到的能量很少，更多应用于超低功耗传感器。

总体而言，能量收集领域已有不少创新成果，且实现了一定规模的落地，但技术和应用上仍有一定的短板。

Part 03

反向散射

物理学中，反向散射是指波、粒子或信号从它们来的方向反射回去。简单而言，反向散射技术，是指设备自身不产生信号，而是反射传输过来的信号，从而达到信息交换的目的。

具体来说，当电磁波与天线相互作用时，它们被天线吸收或沿不同方向散射。传统意义上，沿着入射方向的散射称为反向散射，但这些散射在通信系统中都可以看作是反向散射或者背向散射。

当节点对入射信号进行反向散射时，可以通过修改信号的振幅、相位和频率这三个参数实现对感知的数据进行编码调制。比如，一种方法是，通过改变节点天线的阻抗影响反射系数，从而改变振幅和相位。同时，我们可以改变节点基带调制信号的频率，以实现反向散射信号的频率调制。简而言之，反向散射系统是通过反向散射环境中的电磁波，将感知节点需要传输的数据搭载到散射信号上，然后传输到接收端实现数据传输的通信系统。

目前，反向散射通信系统根据其体系结构可分为三大类[1]：

a、单基地反向散射通信系统（monostatic backscatter communications systems, MBCSs）

b、双基地反向散射通信系统（bistatic backscatter communications systems, BBCSs ）

c、环境反向散射通信系统（ambient backscatter communications systems, ABCSs）

说到反向散射，我们可能第一时间会想到6G中的智能超表面RIS。原理上，RIS仍不同于反向散射通信，RIS主要用于增强现有的通信链路，而不是发送自身信息。反向散射通信则需要在接收端实现自干扰抵消以便解码标签信息。

另外，虽然从通信和能量传递角度看，RFID的高频段工作模式与反向散射系统是相似的。但从系统角度看，反向散射系统与RFID又有所不同，节点在射频源不发送射频信号时也需能主动感知数据，并具有简单计算的能力。

Part 04

应用与挑战

反向散射系统因其优异的低功耗特性目前已得到一定范围的实际应用，如智慧农田、环境保护、工业监测等。除此之外，还有一些扩展型应用，如通过反向散射实现不同无线通信协议之间的转换，如将蓝牙信号转化成与 Wi-Fi、ZigBee兼容的信号。一种应用是：智能隐形眼镜将智能手表发送的蓝牙信号转换成智能手机可读取的Wi-Fi信号，从而为智能隐形眼镜等医疗电子植入设备降低由Wi-Fi通信引起的较大功耗，节约电池电量。

尽管如此，反射通信技术的大规模落地仍有一些问题亟待解决。一方面，载波源和节点之间的有效距离受限，目前反向散射通信系统中载波源和反射节点之间的有效距离最高不足百米，载波源与节点距离越大，节点获得的反射能量越微弱，通信距离越短。另一方面，反向散射通信系统的频谱利用率和通信速率仍待进一步提升。除已知的调幅、调相、调频等信号调制手段外，需进一步探索与现有无线通信中采用的MIMO和OFDM等技术相结合的可能性。

[1] Huynh N V ,  Hoang D T ,  Xiao L , et al. Ambient Backscatter Communications: A Contemporary Survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2017, PP(99):1-1.