无线反向散射技术赋能智能物联网无源通信

无线反向散射技术赋能智能物联网无源通信

谢长林

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摘要：随着物联网的发展普及和规模的扩大，传统反向散射技术要求特定的激励信号、有效通信距离短等缺陷也逐渐被放大，难以满足市场需求，成为限制物联网发展的一大痛点。为了解决传统反向散射的疑难问题，研究人员提出了新型反向散射通信技术—无线反向散射（WBSC,WirelessBackscatterCommunications）。无线反向散射通信技术通过捕获环境信号来获得能量，并且利用环境信号来传输自己的信息。随着无线通信技术在生活（例如5G、WiFi5、WiFi6、Bluetooth和ZigBee等）和物联网领域（例如WiFiHaLow、NB-IoT和LoRa等）的普及，无线通信信号远超越广播电视信号成为了最常见的环境信号。如果使用无线反向散射标签来替换原有的无线设备，可以大大降低物联网系统的能耗。在无线反向散射技术赋能的智能物联网中，标签只须完成常规无线通信协议体系的最下面两层功能（物理层和数据链路层）即可，汇聚节点接收到标签发送的信息，然后完成后续的上层功能（网络层、传输层和应用层）。

关键词：无线反向散射技术；智能物联网；无源通信

引言

随着物联网的快速发展，越来越多的设备和传感器被广泛部署在各个领域，形成了规模庞大且复杂的智能物联网。然而，这些物联网设备通常需要进行能源供应，以维持其正常运行和数据传输。传统的有源通信方式虽然灵活可靠，但对能源需求较高，限制了无线设备的应用范围和寿命。为了解决这一问题，无线反向散射技术逐渐受到关注并被广泛应用于智能物联网中。无线反向散射是一种基于信号反射和调制的通信方式，它利用环境中的现有无线信号作为能量来源，并通过改变信号的相位或幅度来传输数据。相比于传统的有源通信方式，无线反向散射通信具有低功耗、长续航时间和低成本的特点。

1无线反向散射技术的特点

1.1低功耗

无线反向散射技术的关键在于利用环境中已有的无线信号进行通信，无需额外的能源供应。相比于传统的有源通信方式，无线反向散射技术能够大幅度降低功耗，为无源设备提供长时间的续航能力。

1.2简化部署和管理

无线反向散射技术中的无源设备不需要电池或电源连接，也不需要复杂的电路控制和管理系统。这简化了设备的部署和维护流程，降低了设备的成本和管理工作量。

1.3高可扩展性

由于无线反向散射技术利用环境中已有的无线信号进行通信，可以与现有的无线基础设施实现高度集成。这使得无线反向散射技术在各种不同应用场景下具有很好的可扩展性，并且能够与其他无线技术（如Wi-Fi、蓝牙等）协同工作，提供更强大的功能和性能。

1.4高隐私性和安全性

由于无线反向散射技术主要利用反射信号进行通信，无源设备没有主动发射无线信号的特性，减少了信息被窃取或入侵的风险。此外，反射信号无法被传统通信设备读取和解码，提高了数据的隐私性和安全性。

1.5广泛应用性

无线反向散射技术可以应用于各个领域，如智能物联网、环境监测、农业、健康监护等。它能够实现对丰富的信息进行感测和传输，为各种实时监测、控制和管理任务提供支持。同时，由于其低功耗的特点，还能够应用于一些对电池续航时间要求较高的设备和场景。

2无线反向散射通信在智能物联网环境下的潜力

无线反向散射通信使得设备脱离电源和特殊射频信号的限制，降低设备购置成本和维护成本，高度契合智能物联网低成本、绿色节能、高灵活性、大规模接入的特性。（1）物流快递和货物追踪。随着短视频平台的发展、直播带货的兴起，网络购物又出现了一波新的浪潮。相生相伴的物流快递行业也得到了前所未有的蓬勃发展。与此同时，海外货物、冷链等运输方式也成为了病毒传播、外来物种入侵的主要途径。利用无线无源标签可以精确、实时、快速地追踪货物的运输路径及货物所到地点的完整链路，为疫情防控等工作提供快速准确的支持。（2）智慧医疗和病患监控。智能可穿戴设备的种类和类型得到迅速发展，在生活中非常常见。随着介入医疗发展，更多的智能设备可能被植入人体，例如智能心脏起搏器等。这类设备除了能完成原有设备的工作外，还可以实时地向外部传输相关信息实现病患监控。（3）车载网络和智能家居。为助力“碳达峰”“碳中和”，国家积极推导和大力发展新能源汽车来替代传统燃油车。新能源车与传统燃油车除了动力系统不一样外，还有着本质上的不同。新能源车可以被认为是一种大型的互联网产品，它涉及到一系列周边服务，比如汽车监控、智能充换电、无人驾驶等。无源标签可以为新能源汽车提供更优的信息传递方式，降低能耗提升续航里程。在智能家居中，智能电器已经走进千家万户，但是所有的家居都插电或者电池供电是难以实现的。无线反向散射技术可以满足大多数智能电器低频率低数据量的传输需求，提升用户使用体验。（4）野生动物、海洋监控和智慧农业。对野生动物和海洋的监控是获得第一手环境保护资料的重要途径。然而，野外和海洋都有着范围广、人类难以达到的特点。无线反向散射标签可以通过播撒方式被部署在野外或者海域进行数据采集，利用反射技术将数据传输回服务器。智慧农业场景中，也可以实现水费、温湿度、光照、虫害等信息监控，实现精细化农业生产控制。

3无线反向散射技术在智能物联网中的应用

3.1能源管理

无线反向散射技术在能源管理领域的应用非常广泛。通过将无线传感器和无线反向散射设备部署在能源设施中，如太阳能板、风力发电机或电池，可以实现对能量产生和使用的实时监测和管理。这样的系统可以帮助优化能源资源使用，提高能源效率，并减少对外部电源的依赖。

3.2环境监测

无线反向散射技术在环境监测方面也有广泛的应用。例如，在农业领域，无线反向散射技术可以用于农作物的土壤湿度、温度和光照强度的监测，以帮助农民实现精确的灌溉和施肥。此外，无线反向散射技术还可以用于大气污染监测、水质监测和垃圾桶状态监测等，为环境保护和资源管理提供数据支持。

3.3智能家居

无线反向散射技术也可以应用于智能家居领域。通过在家居环境中部署无线反向散射设备，可以实现对家庭电器的远程控制和监测。例如，可以通过手机或智能助理设备控制灯光、温度、窗帘等。同时，无线反向散射技术还可以用于无线电频段的身份识别和门禁系统，增强家庭安全性。

3.4智慧城市

在智慧城市领域，无线反向散射技术的应用也具有巨大潜力。它可以被用于交通流量监测和优化、公共设施管理、垃圾收集和能源供应管理等方面。通过部署反向散射设备和传感器，城市管理者可以实时获取城市各个方面的数据，并采取相应的措施来改善城市的运行效率、资源利用和居民生活品质。

结束语

总之，我们将展望无线反向散射技术的发展前景和潜力，以及在未来智能物联网中的广泛应用。我们相信，通过无线反向散射技术的赋能，可以实现更加智能、节能和可持续的物联网系统，为各行业带来巨大的经济和社会效益。

参考文献

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