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(wàn)物互聯(lián)的新時(shí)代，然而物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)高度依賴電源供電，嚴(yán)重影響了物聯(lián)網(wǎng)的普及應(yīng)用。因?yàn)樵谝粋€(gè)實(shí)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(jiǎn)單的事情。我們首先需要準(zhǔn)確知道成百上千個(gè)節(jié)點(diǎn)中哪些節(jié)點(diǎn)需要更換電池，然后遠(yuǎn)赴野外，找到這些節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行電池更換。只要物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行，這樣的工作就需要不斷迭代進(jìn)行。僅僅是更換電池的人力代價(jià)，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(dǎo)致嚴(yán)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(lái)了希望。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能否在擺脫電池束縛的同時(shí)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(diǎn)感知的信息從反射的信號(hào)中傳遞出去，并將這一過(guò)程的能量消耗降低至微瓦級(jí)，這點(diǎn)能耗假如可以從環(huán)境中獲得的話，沒(méi)有電池的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)就不再是夢(mèng)想了。

后向散射的思想誕生源于一場(chǎng)情報(bào)刺探事件1945年，前蘇聯(lián)把一枚木雕的美國(guó)國(guó)徽送給了美國(guó)大使。八年后美國(guó)中情局才發(fā)現(xiàn)，這個(gè)國(guó)徽居然是沒(méi)有電源的竊聽(tīng)器1。這個(gè)竊聽(tīng)器有一個(gè)鼓膜連接的鋼針，人們交談產(chǎn)生的聲波會(huì)通過(guò)鼓膜轉(zhuǎn)化為鋼針的震動(dòng)，從遠(yuǎn)處發(fā)射的無(wú)線信號(hào)到達(dá)鋼針后，會(huì)被鋼針?lè)瓷浠厝?，鋼針上微小的震?dòng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)屋內(nèi)聲波的調(diào)制編碼，反射的同時(shí)傳輸聲音信息。竊聽(tīng)器雖小，蘊(yùn)含的技術(shù)卻耐人尋味，其本質(zhì)是聲波震動(dòng)的感知，利用聲波震動(dòng)對(duì)所反射的無(wú)線射頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了不需要電源供電的通信，為無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用帶來(lái)曙光。

什么是后向散射呢？當(dāng)電磁波與天線相互作用時(shí)，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(chēng)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(diǎn)通過(guò)調(diào)整和天線相連接的MOSFET開(kāi)關(guān)器件、阻抗匹配電路的狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)反射電磁波物理量的改變。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)對(duì)入射信號(hào)進(jìn)行后向散射時(shí)，可以通過(guò)修改信號(hào)的振幅、相位和頻率這三個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼調(diào)制。那么，我們?cè)鯓有薷姆瓷湫盘?hào)的振幅和相位？一種可行的方法是，通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)天線的阻抗影響反射系數(shù)r，從而改變振幅和相位。同時(shí)，我們可以改變節(jié)點(diǎn)基帶調(diào)制信號(hào)的頻率，以實(shí)現(xiàn)后向散射信號(hào)的頻率調(diào)制。簡(jiǎn)而言之，后向散射系統(tǒng)是通過(guò)后向散射環(huán)境中的電磁波，將感知節(jié)點(diǎn)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)“以搭便車(chē)的方式加載”到散射（反射）信號(hào)上，然后傳輸?shù)浇邮斩藢?shí)現(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(shí)間會(huì)想到射頻識(shí)別系統(tǒng)（Radio Frequency Identification，RFID）。RFID是物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)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(biāo)簽（節(jié)點(diǎn)）三部分組成，其原理是：無(wú)源標(biāo)簽在磁場(chǎng)中接收閱讀器發(fā)射的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流獲得的能量發(fā)送存儲(chǔ)在標(biāo)簽芯片中的標(biāo)識(shí)信息，最后閱讀器將識(shí)別結(jié)果發(fā)送給主機(jī)。RFID閱讀器和標(biāo)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(dá)探測(cè)目標(biāo)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(diǎn)在射頻源不發(fā)送射頻信號(hào)時(shí)也能主動(dòng)感知數(shù)據(jù)，并具有簡(jiǎn)單計(jì)算的能力，這要求節(jié)點(diǎn)所捕獲的能量可存儲(chǔ)，以支撐節(jié)點(diǎn)發(fā)送一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算。