物聯(lián)網(wǎng)后向散射系統(tǒng)的誕生與技術(shù)原理

我們已步入萬物互聯(lián)的新時代，然而物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點高度依賴電源供電，嚴重影響了物聯(lián)網(wǎng)的普及應用。因為在一個實際部署的、有一定規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)中更換電池并不是一件簡單的事情。我們首先需要準確知道成百上千個節(jié)點中哪些節(jié)點需要更換電池，然后遠赴野外，找到這些節(jié)點并進行電池更換。只要物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運行，這樣的工作就需要不斷迭代進行。僅僅是更換電池的人力代價，就足以讓物聯(lián)網(wǎng)潛在用戶望而卻步。更何況，電池的大量使用也將導致嚴重的環(huán)境污染。

令人欣慰的是，低功耗感知元器件、低功耗處理芯片、低功耗通信等技術(shù)的出現(xiàn)，為物聯(lián)網(wǎng)擺脫電池束縛帶來了希望。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點能否在擺脫電池束縛的同時依然感知世界？后向散射（backscatter）系統(tǒng)給我們提供了新的解決思路，該系統(tǒng)“裁剪”了耗電的射頻電路部分，編碼、調(diào)制節(jié)點感知的信息從反射的信號中傳遞出去，并將這一過程的能量消耗降低至微瓦級，這點能耗假如可以從環(huán)境中獲得的話，沒有電池的無源物聯(lián)網(wǎng)就不再是夢想了。

后向散射的思想誕生源于一場情報刺探事件1945年，前蘇聯(lián)把一枚木雕的美國國徽送給了美國大使。八年后美國中情局才發(fā)現(xiàn)，這個國徽居然是沒有電源的竊聽器1。這個竊聽器有一個鼓膜連接的鋼針，人們交談產(chǎn)生的聲波會通過鼓膜轉(zhuǎn)化為鋼針的震動，從遠處發(fā)射的無線信號到達鋼針后，會被鋼針反射回去，鋼針上微小的震動實現(xiàn)了對屋內(nèi)聲波的調(diào)制編碼，反射的同時傳輸聲音信息。竊聽器雖小，蘊含的技術(shù)卻耐人尋味，其本質(zhì)是聲波震動的感知，利用聲波震動對所反射的無線射頻信號進行調(diào)制，實現(xiàn)了不需要電源供電的通信，為無源物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應用帶來曙光。

什么是后向散射呢？當電磁波與天線相互作用時，它們被天線吸收或沿不同方向散射，傳統(tǒng)意義上，沿著入射方向的散射稱為后向散射。但這些散射在通信系統(tǒng)中都可以看作是后向散射或者背向散射。在后向散射通信系統(tǒng)里，節(jié)點通過調(diào)整和天線相連接的MOSFET開關(guān)器件、阻抗匹配電路的狀態(tài)變化，實現(xiàn)對反射電磁波物理量的改變。

當節(jié)點對入射信號進行后向散射時，可以通過修改信號的振幅、相位和頻率這三個參數(shù)實現(xiàn)對感知的數(shù)據(jù)進行編碼調(diào)制。那么，我們怎樣修改反射信號的振幅和相位？一種可行的方法是，通過改變節(jié)點天線的阻抗影響反射系數(shù)r，從而改變振幅和相位。同時，我們可以改變節(jié)點基帶調(diào)制信號的頻率，以實現(xiàn)后向散射信號的頻率調(diào)制。簡而言之，后向散射系統(tǒng)是通過后向散射環(huán)境中的電磁波，將感知節(jié)點需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)“以搭便車的方式加載”到散射（反射）信號上，然后傳輸?shù)浇邮斩藢崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。

了解了后向散射的基本原理，我們可能第一時間會想到射頻識別系統(tǒng)（Radio Frequency Identification，RFID）。RFID是物聯(lián)網(wǎng)的重要應用系統(tǒng)，它和后向散射系統(tǒng)有什么區(qū)別呢？

RFID系統(tǒng)由閱讀器、天線和標簽（節(jié)點）三部分組成，其原理是：無源標簽在磁場中接收閱讀器發(fā)射的射頻信號，憑借感應電流獲得的能量發(fā)送存儲在標簽芯片中的標識信息，最后閱讀器將識別結(jié)果發(fā)送給主機。RFID閱讀器和標簽之間的通信及能量傳遞方式有電感耦合和電磁后向散射耦合兩種。一般在低頻段使用電感耦合方式，在高頻段使用雷達探測目標的空間耦合（后向散射耦合）方式。

從通信和能量傳遞角度看，RFID的高頻段工作模式與后向散射系統(tǒng)是相似的。從系統(tǒng)角度看，后向散射系統(tǒng)與RFID不同的是，節(jié)點在射頻源不發(fā)送射頻信號時也能主動感知數(shù)據(jù)，并具有簡單計算的能力，這要求節(jié)點所捕獲的能量可存儲，以支撐節(jié)點發(fā)送一定長度的數(shù)據(jù)并進行計算。