S^2: 反向散射技术概述

无名小足

物联网利用射频识别等信息传感设备把各类物体以“万物互联”的思维连接在一起，可以实现传感器、标签等海量计算设备之间的轻松访问和交互，摆脱了传统通信中需要特定设备接入网络的局限，极大地提高了各行各业的生产效率，成为传统实体经济转型的重要推手。

反向散射技术起源于第二次世界大战，己方通过在自身战机上安装标签，并根据己方雷达发射的信号是否能被标签反射回来来判别是己方战机还是敌方战机[1,2]。1948年，Stockman首次开发了反向散射技术[3]。该技术允许标签在不需要生成和产生有源RF信号的情况下通过调制和反射接收到的RF信号来传输数据，并迅速成为低成本、低功耗无线通信系统的主要技术。随后，一些RFID产品如大规模商用的电子不停车收费系统[2]应运而生。

图1: 各种反向散射技术

如图1(a)所示，传统的单站反向散射系统即RFID由阅读器和标签组成，其中阅读器集成了RF源。其大致通信过程如下：标签首先由RF源发送的RF信号激活，然后调制这些RF信号并通过反射将自身数据传输到阅读器。可见，标签仅在阅读器请求信息时被动地传输信息。因为RF源位于阅读器中，标签反向散射的调制信号因此遭受了往返路径损耗致使系统有效通信距离短[4]。此外，RFID系统的性能可能会受到双重远近问题的影响，特别是当阅读器和标签彼此远离时，调制的反向散射信号强度会比较弱，系统的能量中断概率会比较高。

为了解决RFID技术的双重远近和通信距离短问题，Kimionis等提出了双站反向散射通信系统[5]（如图1(b)所示）。与单站反向散射通信系统相比，双站反向散射通信系统的RF源放置在标签附近，和阅读器是分开的。在双站反向散射通信系统中，标签收到载波发生器发送的固定载波后加载自身信息并反射给阅读器。由于载波发生器距离标签近，可以显著减轻路径损耗，扩大标签和阅读器之间的通信范围。此外，通过将载波发生器放置在最佳位置，可以提高双站反向散射通信系统的性能。通过这种方式，双重远近问题可明显地得到缓解。

为了实现低功耗、低成本、高可靠、高速率、远距离的物联网信息传输愿景，如图1所示，各种无源反向散射技术不断涌现以适应不同的应用场景：环境反向散射[5]、基于全双工的Wi-Fi反向散射[6]、转型反向散射[7]、基于LoRa的长距离反向散射[8]、移动定位反向散射[9]、并发反向散射[10]、和水下压电声学反向散射[11]等。

在环境反向散射技术（如图1(c)所示）中，标签先采集环境RF信号能量，然后反射RF信号来与阅读器通信，在智能家居等方面有着重要应用。

基于全双工的反向散射技术（如图1(d)所示）是对配备多根天线的Wi-Fi网关加载阅读器的功能。当Wi-Fi网关向其客户端如智能手机等传输Wi-Fi信号时，标签也会接收到该Wi-Fi信号。标签以此信号作为激励源、调制数据并反向散射信号到Wi-Fi网关，然后Wi-Fi网关结合全双工技术克服自身干扰后将标签反射的信息恢复出来。实验表明，它可以在极低功率标签和Wi-Fi网关之间实现高吞吐量和长距离通信：在1m范围内通信速率高达5Mbps，在5m范围内通信速率高达1Mbps[6]，可应用在智能家居等方面。

转型反向散射技术（如图1(e)所示）则可用蓝牙信号生成Wi-Fi信号或ZigBee信号，实现了广泛可用的信号之间的转换[7]，在健康监测方面有着广泛的应用前景。

基于LoRa的长距离反向散射技术（如图1(f)所示）利用扩频编码技术和反向散射谐波消除机制实现了最远可达475m的远距离反向散射通信，且LoRa反向散射设备只要消耗9.25μW的能量就可以实现工作距离为100m的广域覆盖[8]，可应用在环境监测场景。

移动定位反向散射技术（如图1(g)所示）通过在许多户外生态系统中普遍存在的微小活体昆虫如大黄蜂上部署总重量预算在102mg内的反向散射通信传感器、低功耗自定位硬件和电源来实现定位、感应和数据传输[9]。利用包络检测器，大黄蜂可在距离RF源80m的范围内进行自我定位；当大黄蜂回到蜂巢时，它能够以1kbps的速率反向散射数据，这在精准灌溉和环境传感等方面有着重要应用意义。

并发反向散射技术（如图1(h)所示）通过结合线性扩频调制和开关键控给每个并发设备分配不同的线性循环移位，在接收端只要执行快速傅里叶变换操作便可解决并发传输网络的定时、频率同步和远近等实际问题，实现256个反向散射设备在500kHz带宽下的并发传输和解码工作[10]，在仓库管理等方面有着重要应用。

水下压电声学反向散射技术（如图1(i)所示）依靠压电陶瓷的压电效应，以近零功耗实现了水中声波的反向散射通信和传感，其反向散射节点使用压电接口从水声信号获取能量，通过调制压电阻抗可实现3kbps的吞吐量和高达10m的通信范围[11]，有助于实现水下环境监测。