反向散射通信的未來應用與技術挑戰*

崔子琦¹，王公仆¹，魏旭昇²，姜大潔²，秦飛²，艾渤³

（1.北京交通大學計算機與信息技術學院，北京 100044；

2.維沃移動通信有限公司，北京 100083；

3.北京交通大學電子信息工程學院，北京 100044）

*基金項目：國家自然科學基金“基于無源反向散射通信技術的物聯網基礎理論研究”（NSFC-61871026）；國家自然科學基金“面向高速鐵路典型場景業務與應用的新一代移動通信理論與關鍵技術研究”（NSFC-U1834210）

【摘  要】反向散射通信技術是“綠色”物聯網和6G網絡設計的關鍵技術之一，能夠實現低功耗、低成本、易部署的“綠色”通信。簡要回顧了傳統反向散射通信技術的起源及原理，綜述了新型反向散射通信技術和[敏感詞]相關研究進展，預測了反向散射通信技術未來潛在應用并分析了其面臨的關鍵問題。

【關鍵詞】反向散射通信；高速率傳輸；物聯網；無源傳感器；可穿戴設備 

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2021.04.005        

中圖分類號：TN929.5       文獻標志碼：A        

文章編號：1006-1010(2021)04-0029-08

引用格式：崔子琦,王公仆,魏旭昇,等. 反向散射通信的未來應用與技術挑戰[J]. 移動通信, 2021,45(4): 29-36.

  引言

物聯網（IoT, Internet of Things）是繼計算機、互聯網之后的世界信息產業發展的第三次浪潮。物聯網以“萬物互聯”的思想將各類物體連接在一起，擺脫了傳統通信中需要特定設備接入網絡的局限，方便人們工作生活并提高各行業生產效率。我國IMT-2020（5G）推進組提出了“信息隨心至，萬物觸手及”的5G愿景，萬物互聯是5G的核心目標之一；IMT-2030（6G）推進組進一步提出了“萬物智聯、數字孿生”的6G愿景^[1]。文獻[2]指出物聯網技術是建設工業物聯網的技術基石，是制造業數字化轉型的重要賦能者。文獻[3]表明物聯網技術是6G設計中推動無線通信從“萬物互聯”到“智能互聯”的重要演變關鍵技術之一。

反向散射通信（Backscatter Communications）是構建綠色節能、低成本、可靈活部署的未來物聯網的關鍵技術之一，是實現“萬物智聯”的重要手段。傳統的反向散射技術主要應用于射頻識別（RFID, Radio Frequency Identification）系統。典型的RFID系統由一個讀寫器（Reader）和多個標簽（Tag）組成（如圖2（a）所示），利用反向散射技術進行通信。然而，傳統反向散射技術中需要特定的射頻源作為激勵信號，且在通信過程中無線信號會經歷往返的雙重路徑衰落，因此路徑損耗大，有效通信距離短^[4-6]。

針對傳統反向散射技術需要特定射頻源、有效通信距離短的問題，學術界提出了一系列新型反向散射通信技術，以降低通信的能耗和運行成本，延長設備的使用壽命。由于新型反向散射技術的無源設備可以利用第三方的信號（例如蜂窩無線信號、廣播電視信號、Wi-Fi信號或藍牙信號等）來傳輸自己的信息，因此新型反向散射技術也被稱為“共生通信”。全球首份6G白皮書^[7]指出，新型反向散射技術為實現超低功率通信提供了可能，契合了6G“無處不在”的設計目標。同時，新型的反向散射通信技術能滿足“綠色”物聯網廣覆蓋、低能耗、可持續的設計目標，成為6G網絡設計和“綠色”物聯網關注的焦點。本文將逐一介紹新型反向散射通信技術的原理、研究進展和潛在應用及技術挑戰。

1   新型反向散射通信技術

1.1  反向散射通信技術原理與起源

反向散射技術起源于二戰，是軍方為了辨認己方戰機在機身上安裝標簽，根據標簽反向散射的雷達信號進行身份判別^[8]。隨后，大批基于反向散射技術的應用興起，主要運用于RFID系統，其中電子不停車收費系統（ETC, Electronic Toll Collection）是反向散射技術大規模商業化的經典案例^[9]。

反向散射通信設備利用其他設備或者環境中的射頻信號進行信號調制來傳輸自己的信息。調制電路如圖1所示，設備通過調節其內部阻抗來控制電路的反射系數，進而改變入射信號的幅度、頻率或相位，實現信號的模擬或數字調制。式(1)表示電路反射系數：

其中Z₀為天線特性阻抗，Z₁是負載阻抗。假設入射信號為S_in(t)，則輸出信號為。模擬調制調節內置模擬電路來改變阻抗Z₁，數字調制利用控制器改變阻抗Z₁。 

無源反向散射通信設備首先需從外界射頻信號中獲取能量（Energy harvesting），供給內部電路模塊工作，然后再反向散射射頻信號進行通信，做到零功耗通信。

1.2  新型反向散射通信技術

自2013年以來，業界提出了一系列新型反向散射通信技術，以下給出八個案例。

2014年Kimionis等人提出了雙站反向散射（Bistatic Backscatter），該系統在標簽附近設置一個載波發生器（如圖2（b）所示），能有效減少路徑損耗，擴大了標簽和讀寫器之間的通信距離，在供能載波功率為20 mW時，標簽通信距離為130 m左右^[10]。

Liu、Parks等人于2013年和2014年提出了環境反向散射（Ambient Backscatter）^[11-12]，該技術不需要載波發生器，利用標簽周圍已有的電視廣播和Wi-Fi等無線信號來觸發通信（如圖2（c）所示）。目前相關的研究已設計出了傳感器、接收信號能量檢測的原型電路^{[11, 13]}和通信協議^[14]，展示了該技術的商業應用的潛力。

2015年Bharadia等人提出了基于全雙工的反向散射技術，利用多天線的Wi-Fi網關協助用戶和標簽同時通信^[15]，實現高效全雙工通信（如圖2（d）所示）。Wi-Fi網關支持多種調制方式，在通信距離為1 m時，數據速率可達5 Mbit/s。

2016年提出的轉型反向散射技術（Inter-Technology Backscatter）通過改變標簽的阻抗，將藍牙信號的頻率搬移置Wi-Fi信號或者ZigBee信號的頻帶（如圖2（e）所示），在信號速率為2 Mbit/s時，所需信號的功率僅為28 µW，擴大了反向散射通信的應用范圍^[16]。

2017提出的基于LoRa的反向散射技術（LoRa Backscatter）利用了LoRa 信號高靈敏度（-149 dBm）和擴頻編碼技術，實現遠距離反向散射通信（如圖2（f）所示），實驗通信距離最遠可達475 m^[17]。

2017年及2018年提出的基于反向散射的智能表面輔助通信技術，能夠智能重構和增強無線信道環境^[18-20]。智能表面由多個反射單元構成，每個反射單元都可與入射信號進行交互（如圖2（g）所示）。東南大學設計的一種智能表面，通過調節反射信號的相位實現了8PSK調制，通信速率可達6.144 Mbit/s^[20]。

Mehrdad等人于2019年提出的反向散射大規模接入機制（NetScatter）使用了聯合開關鍵控的分布式啁啾（chirp）擴頻編碼機制（如圖2（h）所示），可支持多設備并發接入，同時接入256個設備時，通信帶寬僅為500 kHz^[21]。

Taekyung等人于2020年提出的全信號反向散射技術（AnyScatter）根據非相干信道天線之間的相位差是恒定的這一現象，利用接收信號的相位差判別接收符號信息（如圖2（i）所示），消除了現有研究中對特定類型射頻信號的反向散射技術的依賴^[22]。

1.3  新型反向散射通信技術研究進展

新型反向散射通信技術已成為研究熱點，相關研究迅速增長。我們就系統傳輸設計與性能分析、低功耗可穿戴設備相關技術與應用兩個方面舉例說明。

（1）新型反向散射通信系統傳輸設計與分析

新型反向散射通信系統研究內容豐富，以下僅給出系統性能分析、信道估計、信號檢測和編碼調制等部分研究結果。

在系統中斷和容量分析方面，文獻[23]研究了反向散射通信系統的信道容量，給出了高信噪比情況下系統中斷概率的漸進值，其結果表明復高斯信號的容量不完全是實高斯信號容量的兩倍。類似地，Zhao等人推導了反向散射信道分布表達式，并分析了系統在真實高斯信道下的中斷性能^[24]。

在信道估計方面，考慮到實際中信道信息獲取困難，Qian等人分析了接收端在沒有導頻的情況下采取了差分檢測的可行性^[25]，Ma等人提出了一種基于期望最大化算法的盲信道估計方案^[26]。

在信號檢測方面，Chen等人研究了全雙工反向散射通信系統中信號檢測的問題，設計了最大似然檢測器，并推導了相應的誤碼率表達式^[27]。文獻[28]針對共生反向散射通信系統提出了最大似然檢測器，并設計了低復雜度的線性檢測方法。

在編碼方面，文獻[29]在標簽端使用曼徹斯特編碼，并在閱讀器端設計了相應的譯碼機制，有效降低了誤碼率。文獻[30]提出了一種用于反向散射通信的空時編碼，并分析指出反向散射通信系統中空時編碼的性能幾乎與Alamouti碼相同，而且電路實現簡單，具有良好的應用前景。

（2）低功耗可穿戴設備的技術支持與應用

基于反向散射技術的低功耗可穿戴設備是當前研究熱點。由于目前市面上應用的大多數可穿戴設備利用藍牙或者Wi-Fi信號通信，因此，目前學術界的一個熱點是利用已有的Wi-Fi或藍牙信號實現與商用設備可靠的通信。

為了降低可穿戴設備通信時Wi-Fi或者藍牙信號的同頻干擾，文獻[31]提出基于頻移的反向散射技術（FS-Backscatter），在標簽安裝一個20 MHz的振蕩器，將反向散射信號搬移至與原信號頻率相差20 MHz的頻帶，提高了通信可靠性。

文獻[32]提出的藍牙反向散射系統，利用已有藍牙信號與商用藍牙終端通信。調制過程如圖3所示，首先生成單音信號作為調制載頻，然后分別將該載頻搬移不同的分量來表示符號“0”和“1”。該系統還可通過調節本地的時鐘頻率進行動態信道配置，避開干擾嚴重的信道。

文獻[33]利用Wi-Fi信號MAC層的幀聚合（A-MPDU）特性來實現反向散射通信，通信過程如圖4所示。無源設備根據要加載的數據信息反向散射信號，選擇性地改變子幀（MPDU）傳輸過程中的信道。由于一個A-MPDU傳輸過程中只進行一次信道估計，接入點（AP）無法恢復被干擾的MPDU，此時AP返回的表示MPDU是否被恢復的ACK信息即為無源設備要傳輸的信息。

可穿戴設備工作時貼附人體，因此評估和降低人體對反向散射通信的影響也是低功耗可穿戴設備實際推廣的關鍵之一。然而學術當前界鮮有相關的測試，為此我們搭建了測試環境來評估人體對反向散射信號強度的影響，如圖5所示。我們利用通用軟件無線電外設和WISP^[34]無源標簽進行通信，使用頻譜儀測量標簽反射信號強度。測試結果表明，當標簽貼附人體時，反向散射的信號強度會降低5 dB到10 dB。

2   新型反向散射技術應用展望

反向散射技術能夠使設備擺脫電池的束縛，降低設備生產和維護成本，契合了5G與6G的更低功耗、更低成本、更廣連接的需求，除了傳統反向散射技術已經應用的倉庫貨物盤點等場景外，在未來有更廣泛的潛在應用，下文給出典型應用示例。

2.1  低功耗可穿戴設備

可穿戴設備可借助反向散射技術來降低設備功耗，延長續航時間。當周邊的射頻信號可供設備通信時，設備利用反向散射技術將采集的信息傳送給智能終端。如圖6（a）所示，智能手表將采集的步數、心率等信息利用手機發出的藍牙、Wi-Fi等射頻信號反向散射到手機終端顯示給用戶。可穿戴多生理參數監測衣物內嵌反向散射傳感單元，實時獲取人體體溫、呼吸率、心電等生理參數信號，利用外界射頻信號將信息返回智能終端以供分析，如圖6（b）所示。

2.2  生物內置傳感芯片

生物芯片嵌入生物體內，利用外部射頻源工作。如圖7所示，芯片采集到腦部生物信息數據后，利用外部射頻源將數據反射回手機終端，終端分析接收信號并恢復腦部信息。

2.3  鐵路系統運營維護 

文獻[35]首次把反向散射通信技術用于鐵路無線網絡傳輸，降低了高速鐵路信號的穿透損耗和信道快速時變帶來的影響。反向散射通信技術在鐵路領域還可能應用于軌道入侵檢測、接觸網監控、貨運跟蹤和人員物品定位等方面。

（1）軌道異物入侵監測。如圖8所示，在鐵路周邊部署無源標簽收集軌道周邊狀態信息，并反向散射給智能終端進行分析，來監測動物闖入、橋梁損壞或倒塌，水管爆裂等危險事件信息。

（2）接觸網智能監測。如圖9所示，在鐵路接觸網電纜安裝無源標簽，實時收集電纜張力數據，傳給監控中心，實現對接觸網狀態的高效實時分析與監控，避免因張力異常而引發的電力事故。

（3）貨運實時遠程跟蹤。列車貨運業務場景如圖10所示，貨物貼上無源標簽，車廂內閱讀器定時讀取并刷新貨物信息記錄；車內閱讀器通過列車無線網絡和鐵路貨運網絡進行信息交互；寄貨方和收貨方可通過手機APP或者網上讀取貨物實時位置和狀態等信息。

（4）乘務員及餐車定位。如圖11所示，在客運列車中，每個乘務員、餐車都貼附有加載其相關信息的無源標簽，車廂內閱讀器實時讀取標簽位置并更新，用戶可通過列車內部網絡獲取乘務員及餐車實時位置。

2.4  智慧農業

文獻[36]設計了一種昆蟲物聯網平臺，平臺實物和電路圖分別如圖12（a）和圖12（b）所示。無源傳感器貼在活體昆蟲上，傳感器利用反向散射技術與固定站點之間通信。智慧農業場景如圖12（c）所示，在昆蟲上安裝水分、溫濕度、光照等傳感器，獲得作物的生長環境、授粉狀態等信息，傳回固定站點，站點分析后及時給出調控方案，實現精細化農業生產控制。

2.5  工業傳感器網絡

未來的智慧工廠將會部署大量的無線傳感器，組成一個無線傳感器網絡，其目標是在工業環境中監測相關過程和參數^[37]。這種環境通常使用各種類型的傳感器進行監測，如麥克風、二氧化碳傳感器、壓力傳感器、光傳感器等。各種類型的傳感器采集并傳遞信息給中央控制節點，其速率要求一般低于2 Mbit/s，電池續航時間要求是幾年，此外還有設備尺寸小、成本低的需求。通過反向散射技術可以很好地滿足工業傳感器網絡的相關需求。

2.6  水下物聯網

文獻[38]將壓電材料應用于無源標簽，利用材料的壓電效應實現水下的反向散射通信。如圖13所示，將帶有溫濕度、酸堿度等監測模塊的無源傳感器部署在水下，收集水體數據，利用反向散射技術將信息傳送回終端，實現低能耗、易部署的水體監測。

3   新型反向散射技術面臨的挑戰及未來研究方向

新型反向散射通信技術也面臨著一系列的挑戰，以下給出六個方面的挑戰和對應的研究方向。

（1）新型反向散射通信的理論性能分析，例如考慮靈敏度受限的理論性能分析。現有的反向散射研究多數都沒有考慮電路靈敏度，而在實際中，當無源設備接收到射頻信號能量超過某閾值時，其內部電路才被激活。因此，結合實際中無源設備靈敏度的約束來分析容量、覆蓋等系統性能有重要研究價值和工程指導意義。

（2）信道估計和復雜信號檢測。反向散射通信系統中的無源設備發送導頻的能力受限，接收端收到的信號是反射信號與射頻源信號的疊加，尤其在多用戶接入時，接收信號如何建模、信道參數如何提取、反射信號如何檢測都是新興的研究方向。

（3）大規模用戶接入。無源設備存儲和計算能力有限，傳統網絡中的防沖突算法很難適用于大規模無源設備接入。設計大量用戶接入場景下的防沖突算法是有實用價值的研究方向。

（4）自干擾消除。無源反向散射通信系統中的接收信號是有用的反射信號和泄露的自干擾信號的疊加，自干擾信號的強度可能遠大于反射向散射信號強度。傳統方法采取射頻和基帶自干擾消除，從強自干擾信號中恢復有用信號是一個重要挑戰。

（5）廣域覆蓋。由于受到信道衰減和外界信號干擾的影響，反向散射傳輸的距離受限。當前通過中繼、擴頻和LoRa技術等方法能提高通信距離，未來結合大規模反射陣列、蜂窩物聯網和多層異構網絡，實現廣覆蓋是網絡演進方向之一，覆蓋和功率時間等資源的權衡也是值得研究的理論課題。

（6）近距離高速率傳輸方案設計。無源設備由于能量限制一般采用低階調制，且受制于晶振穩定性以及同步和干擾的挑戰，因此其通信速率較低。近距離中高速率綠色通信是未來6G需求之一，如何進一步提高近距離傳輸速率，例如通過引入MIMO、高階調制，提升自干擾消除的性能等手段來提高傳輸速率，是反向散射通信走向實用的關鍵挑戰之一。

4   結束語

反向散射通信設備利用其他設備或者環境中的射頻信號進行信號調制來傳輸自身信息，新型反向散射通信技術的低功耗、低成本、易維護、好部署等特點能有效滿足未來6G網絡的應用需求。本文介紹了新型反向散射通信技術的原理和發展歷程，闡述了[敏感詞]研究進展，并給出了應用前景展望和未來研究方向。希望產業界一起推動新型反向散射通信技術走向成熟。