作者：赵小飞
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物联网智库 原创
无处不在的WiFi设备，成为千亿无源物联网节点的天然基础
反向散射通信技术是无源物联网标签和接收系统之间通信的主要方式，可以说是无源物联网的核心技术。近年来，围绕反向散射通信技术的创新持续推进，借助RFID、蓝牙、WiFi、蜂窝网络等信号源作为射频激励信号并完成数据传输是主流探索的方式。其中，RFID是利用反向散射通信最典型也是最成熟的方式，借助蓝牙的反向散射通信也开始商用，基于蜂窝网络的反向散射通信在3GPP阵营的推动下正在紧锣密鼓进行标准化工作，而WiFi反向散射通信的商业化的进展似乎比较滞后，没有商用化器件的应用。近日，笔者发现一家名为Haila的加拿大初创企业在WiFi反向散射通信芯片领域已有相应产品和商业模式推出，为基于WiFi的反向散射通信落地商用率先进行探索。
反向散射通信是无源物联网的核心工具
众所周知，无源物联网传感器和标签所获得的能量支持主要来自于光、热、震动、射频等环境能量，能够采集的能量非常微弱，一般仅有微瓦级，要支持传感器数据的收发，需要全新的无线通信技术，使通信能耗下降至数十微瓦甚至十微瓦以下，反向散射通信技术是完成这一任务的主要选择。
反向散射通信是利用射频信号反向散射原理，设计出极低功耗的调制与传输技术。反向散射通信最早起源于第二次世界大战，通过给战机上贴上标签，由雷达发射信号是否返回判断是否自己的战机。1948年美国工程师Stockman提出了反向散射通信技术系统，由于射频信号到达物体表面时一部分会被反射，而发送节点按照拟发送信息调整接收天线和阻抗之间的匹配，增强对入射射频信号的反射，并将自身获取的感知数据调制到该反射信号上，完成对数据的发送。这一过程类似于反光镜，相对于其他通信技术，反向散射通信无需复杂的射频结构，减少功率放大器、高精度晶振、双工器、高精度滤波器等器件使用，也不需要复杂的基带处理，因此在物联网系统中使用时能够大幅降低终端节点成本。
在实践中，RFID是反向散射通信已经广泛应用的系统，形成大规模商用的案例。其工作原理是接收机(一般为RFID阅读器)发送射频激励信号，激活无源节点(一般为RFID电子标签)，电子标签利用反向散射通信将自身信息调制到该射频信号上，阅读器接收到无源电子标签的反射信号并进行解调，实现信息传输。
不过，以RFID为代表的传统反向散射通信技术存在多方面的不足，集中表现在：一方面，射频激励信号源和接收机位于同一设备中，导致发射和接收自干扰而限制通信距离;另一方面，该系统需要专用的射频激励信号来源，限制了无源物联网部署的区域和场景。因此，业界提出了环境反向散射通信技术，即利用周边环境中广泛存在的射频信号，如蜂窝基站、WiFi路由器、电视塔等作为射频信号来源，向无源节点发送激励信号，结合射频能量采集技术，无源节点可以从环境射频信号源获取足够能量，完成数据调制并主动向接收机发送信号。通过这一设计，能够显著降低干扰和功耗，大幅提升通信距离。
虽然环境反向散射通信是无源物联网最为理想的通信技术，但仍然存在诸多技术挑战，限制其大规模应用。这些挑战包括更加轻量级的调制和编码技术、更高效的多址方式、更灵活的资源管理方式、更轻量协议栈、更轻量安全管理机制以及简化的网络架构等，每一项挑战都需要投入大量资源进行研发和工程化试验。
WiFi反向散射通信从理论到工程化
WiFi是目前最为广泛使用的局域通信技术之一，人们生产、生活的各类场所基本上都有WiFi信号，因此WiFi作为无源物联网标签反向散射通信的射频源具有天然优势，通过无处不在的WiFi信号对无源物联网标签进行激励，将标签所采集的传感器数据传输给接收器，成为无源物联网低成本落地方式。
正如前文所述，RFID是反向散射通信最典型的应用场景，其标签成本已非常低廉，对多个行业产生重大影响，但RFID需要专门的收发终端来发送和接收信号，限制了很多应用场景，无源物联网目前一个重要的发展方向就是抛弃专用收发终端。WiFi反向散射通信就是借助尤其是借助已有部署的WiFi路由器作为发射信号和接收信号的终端，无需进行专门改造即可部署，降低了复杂度和成本，似乎比RFID具有优势。
不过，WiFi反向散射通信技术主要还存在于理论研究，实际商用比较少，因为它依然存在一些限制，让其无法形成对RFID的优势。2021年，ACM MobiCom会议收录的一篇名为《Verification: can wifi backscatter replace RFID?》的论文研究了WiFi反向散射通信的不足之处，主要包括：首先，虽然WiFi反向散射通信标签对电量消耗远低于有源WiFi设备，但其仍高于RFID标签，所以WiFi标签不能仅仅依靠射频能量采集来供能，需要依赖诸如小型太阳能板等其他能量源;其次，WiFi覆盖范围有限，相对于RFID来说，应用场景的扩展有限，因此替代也很有限;另外，一些基于WiFi反向散射通信信号也会和现有的WiFi设备产生干扰。因此，与RFID相比，WiFi不能扩张成一张无源物联网广阔的网络。
不过，WiFi反向散射通信依然是无源物联网的一个重要方向。一般WiFi反向散射系统包括两个WiFi终端(AP)和一个标签，两个WiFi终端分别作为射频源和接收器，WiFi反向散射系统的主要挑战是如何将标签的数据嵌入WiFi数据包中，同时确保它可以被现有的、没有专门配置的WiFi设备(AP)来解码。多个团队围绕这一问题进行研究，初步形成多个试商用的WiFi反向散射系统，《Verification: can wifi backscatter replace RFID?》研究了主要的系统包括：
1、Wi-Fi Backscatter：这一系统是华盛顿大学研究团队在其发表的一篇《Wi-fi Backscatter: Internet Connectivity for RF-powered Devices》论文中提出的，是业界首个借助已有的商用WiFi设备设计无源反向散射通信系统，然而由于自干扰的原因，这一系统的传输距离和数据速率非常有限。
2、HitchHike：该系统是在2016年一篇论文中提出的，它吸取了此前研究者教训，增加了一个WiFi设备，试图提升传输距离和数据量，采用了直接序列扩频技术，同时避免WiFi信号自干扰，标签通过不同信道传输信号。
3、FreeRider：该系统是2017年一篇论文中提出的，对HitchHike进行了优化和扩展，采用正交频分复用技术(OFDM)。
4、MOXcatter：该系统是2018年一篇论文中提出的，基于HitchHike和FreeRider工作的基础上持续优化。
5、WiTAG：这是一套全新的系统，避免了此前系统的多个不足之处。该系统依然使用使用2个WiFi设备，使无源物联网标签能够使用开放或加密的802.11n和802.11ac网络进行符合标准的通信，且无需修改WiFi设备。
实际上，也有部分研究团队对WiFi设备进行一定程度上的修改，获得了较好的效果。例如，美国华盛顿大学电子工程学院的研究人员在2016年研发出名为Passive WiFi的系统。该技术基于反向散射通信，当附近WiFi路由器发射功率相对较高的射频信号后，无源物联网节点吸收射频信号并调制天线反射系数，将传感器信息传递出去。Passive WiFi无源节点传输速率为1Mbps和11Mbps的数据时，所消耗的电量分别仅为14.5µW和59.2µW，这只有正常WiFi节点电量消耗的万分之一，而且能够实现30米的回传距离，甚至有一定的穿墙能力。
WiFi反向散射通信产品已问世，商用进展加速
近日，加拿大初创公司Haila开始对外披露其在WiFi反向散射通信领域的进展。该公司是一家低功耗芯片厂商，近期已开始向业界提供基于WiFi反向散射通信芯片IP授权和技术合作。目前，该公司核心产品为定制化的无源反向散射通信ASIC产品。
这一产品可以描述为一款1Mbps、采用2.4GHz ISM频段的WiFi反向散射通信前端IP，整个产品中包括一个反向散射模块、一个电源管理单元以及一个专门的Haila核，为WiFi反向散射通信提供赋能，让无源物联网系统真正抛弃电池。
根据Haila所述，该公司的这款ASIC芯片在20 pW-30 pW电量下工作，已低于最低功耗的射频SoC产品，可以无需对现存的商用WiFi进行任何改造情况下工作。目前该公司正在打造一款极低功耗的SoC，里面有专门的MCU。
实际上，早在2021年第二季度，Haila就完成了首款芯片的流片，该芯片搭载了其他器件形成一个参考设计，包括了温度、湿度和压力传感器，并进行有效测试，达到了预期目标。
由于对WiFi反向散射技术的深入研究，Haila在2019年获得诺基亚公开挑战赛的获胜者，得到10万欧元奖金以及诺基亚和贝尔实验室的支持;2020年5月获得500万美元种子轮投资，领投方包括斯坦福大学，并于2021年8月获得加拿大可持续发展技术部300万加元的支持。
虽然Haila公司的WiFi反向散射通信技术主要还是IP授权形式开展服务，其技术能力在各类场景下还未进行规模验证，但至少该公司已推出了初步商用的产品，这给一直处于学术研究、商用缓慢的WiFi反向散射通信带来一丝希望。
市场研究机构IDC发布报告显示，2022年全球Wi-Fi产品出货量为38亿件，到2024年将达到41亿件。WiFi产品在工作和生活场所已经几乎“无处不在”，作为现成的无源物联网射频源和接收器，WiFi存量市场已为基于WiFi的无源物联网市场打下基础，期待未来更多基于WiFi的无源物联网的创新企业和产品推出，繁荣无源物联网市场。
