作者：趙小飛

　　物聯網智庫 原創

　　導讀

　　2022年全球Wi-Fi產品出貨量為38億件，到2024年將達到41億件。WiFi產品在工作和生活場所已經幾乎“無處不在”，作為現成的無源物聯網射頻源和接收器，WiFi存量市場已為基于WiFi的無源物聯網市場打下基礎。

　　無處不在的WiFi設備，成為千億無源物聯網節點的天然基礎

　　反向散射通信技術是無源物聯網標簽和接收系統之間通信的主要方式，可以說是無源物聯網的核心技術。近年來，圍繞反向散射通信技術的創新持續推進，借助RFID、藍牙、WiFi、蜂窩網絡等信號源作為射頻激勵信號并完成數據傳輸是主流探索的方式。其中，RFID是利用反向散射通信最典型也是最成熟的方式，借助藍牙的反向散射通信也開始商用，基于蜂窩網絡的反向散射通信在3GPP陣營的推動下正在緊鑼密鼓進行標準化工作，而WiFi反向散射通信的商業化的進展似乎比較滯后，沒有商用化器件的應用。近日，筆者發現一家名為Haila的加拿大初創企業在WiFi反向散射通信芯片領域已有相應產品和商業模式推出，為基于WiFi的反向散射通信落地商用率先進行探索。

　　反向散射通信是無源物聯網的核心工具

　　眾所周知，無源物聯網傳感器和標簽所獲得的能量支持主要來自于光、熱、震動、射頻等環境能量，能夠采集的能量非常微弱，一般僅有微瓦級，要支持傳感器數據的收發，需要全新的無線通信技術，使通信能耗下降至數十微瓦甚至十微瓦以下，反向散射通信技術是完成這一任務的主要選擇。

　　反向散射通信是利用射頻信號反向散射原理，設計出極低功耗的調制與傳輸技術。反向散射通信最早起源于第二次世界大戰，通過給戰機上貼上標簽，由雷達發射信號是否返回判斷是否自己的戰機。1948年美國工程師Stockman提出了反向散射通信技術系統，由于射頻信號到達物體表面時一部分會被反射，而發送節點按照擬發送信息調整接收天線和阻抗之間的匹配，增強對入射射頻信號的反射，并將自身獲取的感知數據調制到該反射信號上，完成對數據的發送。這一過程類似于反光鏡，相對于其他通信技術，反向散射通信無需復雜的射頻結構，減少功率放大器、高精度晶振、雙工器、高精度濾波器等器件使用，也不需要復雜的基帶處理，因此在物聯網系統中使用時能夠大幅降低終端節點成本。

　　在實踐中，RFID是反向散射通信已經廣泛應用的系統，形成大規模商用的案例。其工作原理是接收機(一般為RFID閱讀器)發送射頻激勵信號，激活無源節點(一般為RFID電子標簽)，電子標簽利用反向散射通信將自身信息調制到該射頻信號上，閱讀器接收到無源電子標簽的反射信號并進行解調，實現信息傳輸。

　　傳統反向散射通信系統不過，以RFID為代表的傳統反向散射通信技術存在多方面的不足，集中表現在：一方面，射頻激勵信號源和接收機位于同一設備中，導致發射和接收自干擾而限制通信距離;另一方面，該系統需要專用的射頻激勵信號來源，限制了無源物聯網部署的區域和場景。因此，業界提出了環境反向散射通信技術，即利用周邊環境中廣泛存在的射頻信號，如蜂窩基站、WiFi路由器、電視塔等作為射頻信號來源，向無源節點發送激勵信號，結合射頻能量采集技術，無源節點可以從環境射頻信號源獲取足夠能量，完成數據調制并主動向接收機發送信號。通過這一設計，能夠顯著降低干擾和功耗，大幅提升通信距離。

　　環境反向散射通信系統

　　雖然環境反向散射通信是無源物聯網最為理想的通信技術，但仍然存在諸多技術挑戰，限制其大規模應用。這些挑戰包括更加輕量級的調制和編碼技術、更高效的多址方式、更靈活的資源管理方式、更輕量協議棧、更輕量安全管理機制以及簡化的網絡架構等，每一項挑戰都需要投入大量資源進行研發和工程化試驗。

　　WiFi反向散射通信從理論到工程化

　　WiFi是目前最為廣泛使用的局域通信技術之一，人們生產、生活的各類場所基本上都有WiFi信號，因此WiFi作為無源物聯網標簽反向散射通信的射頻源具有天然優勢，通過無處不在的WiFi信號對無源物聯網標簽進行激勵，將標簽所采集的傳感器數據傳輸給接收器，成為無源物聯網低成本落地方式。

　　正如前文所述，RFID是反向散射通信最典型的應用場景，其標簽成本已非常低廉，對多個行業產生重大影響，但RFID需要專門的收發終端來發送和接收信號，限制了很多應用場景，無源物聯網目前一個重要的發展方向就是拋棄專用收發終端。WiFi反向散射通信就是借助尤其是借助已有部署的WiFi路由器作為發射信號和接收信號的終端，無需進行專門改造即可部署，降低了復雜度和成本，似乎比RFID具有優勢。

　　不過，WiFi反向散射通信技術主要還存在于理論研究，實際商用比較少，因為它依然存在一些限制，讓其無法形成對RFID的優勢。2021年，ACM MobiCom會議收錄的一篇名為《Verification: can wifi backscatter replace RFID?》的論文研究了WiFi反向散射通信的不足之處，主要包括：首先，雖然WiFi反向散射通信標簽對電量消耗遠低于有源WiFi設備，但其仍高于RFID標簽，所以WiFi標簽不能僅僅依靠射頻能量采集來供能，需要依賴諸如小型太陽能板等其他能量源;其次，WiFi覆蓋范圍有限，相對于RFID來說，應用場景的擴展有限，因此替代也很有限;另外，一些基于WiFi反向散射通信信號也會和現有的WiFi設備產生干擾。因此，與RFID相比，WiFi不能擴張成一張無源物聯網廣闊的網絡。

　　不過，WiFi反向散射通信依然是無源物聯網的一個重要方向。一般WiFi反向散射系統包括兩個WiFi終端(AP)和一個標簽，兩個WiFi終端分別作為射頻源和接收器，WiFi反向散射系統的主要挑戰是如何將標簽的數據嵌入WiFi數據包中，同時確保它可以被現有的、沒有專門配置的WiFi設備(AP)來解碼。多個團隊圍繞這一問題進行研究，初步形成多個試商用的WiFi反向散射系統，《Verification: can wifi backscatter replace RFID?》研究了主要的系統包括：

　　1、Wi-Fi Backscatter：這一系統是華盛頓大學研究團隊在其發表的一篇《Wi-fi Backscatter: Internet Connectivity for RF-powered Devices》論文中提出的，是業界首個借助已有的商用WiFi設備設計無源反向散射通信系統，然而由于自干擾的原因，這一系統的傳輸距離和數據速率非常有限。

　　2、HitchHike：該系統是在2016年一篇論文中提出的，它吸取了此前研究者教訓，增加了一個WiFi設備，試圖提升傳輸距離和數據量，采用了直接序列擴頻技術，同時避免WiFi信號自干擾，標簽通過不同信道傳輸信號。

　　3、FreeRider：該系統是2017年一篇論文中提出的，對HitchHike進行了優化和擴展，采用正交頻分復用技術(OFDM)。

　　4、MOXcatter：該系統是2018年一篇論文中提出的，基于HitchHike和FreeRider工作的基礎上持續優化。

　　5、WiTAG：這是一套全新的系統，避免了此前系統的多個不足之處。該系統依然使用使用2個WiFi設備，使無源物聯網標簽能夠使用開放或加密的802.11n和802.11ac網絡進行符合標準的通信，且無需修改WiFi設備。

　　實際上，也有部分研究團隊對WiFi設備進行一定程度上的修改，獲得了較好的效果。例如，美國華盛頓大學電子工程學院的研究人員在2016年研發出名為Passive WiFi的系統。該技術基于反向散射通信，當附近WiFi路由器發射功率相對較高的射頻信號后，無源物聯網節點吸收射頻信號并調制天線反射系數，將傳感器信息傳遞出去。Passive WiFi無源節點傳輸速率為1Mbps和11Mbps的數據時，所消耗的電量分別僅為14.5µW和59.2µW，這只有正常WiFi節點電量消耗的萬分之一，而且能夠實現30米的回傳距離，甚至有一定的穿墻能力。

　　WiFi反向散射通信產品已問世，商用進展加速

　　近日，加拿大初創公司Haila開始對外披露其在WiFi反向散射通信領域的進展。該公司是一家低功耗芯片廠商，近期已開始向業界提供基于WiFi反向散射通信芯片IP授權和技術合作。目前，該公司核心產品為定制化的無源反向散射通信ASIC產品。

　　這一產品可以描述為一款1Mbps、采用2.4GHz ISM頻段的WiFi反向散射通信前端IP，整個產品中包括一個反向散射模塊、一個電源管理單元以及一個專門的Haila核，為WiFi反向散射通信提供賦能，讓無源物聯網系統真正拋棄電池。

　　Haila WiFi反向散射芯片架構

　　根據Haila所述，該公司的這款ASIC芯片在20 pW-30 pW電量下工作，已低于最低功耗的射頻SoC產品，可以無需對現存的商用WiFi進行任何改造情況下工作。目前該公司正在打造一款極低功耗的SoC，里面有專門的MCU。

　　實際上，早在2021年第二季度，Haila就完成了首款芯片的流片，該芯片搭載了其他器件形成一個參考設計，包括了溫度、濕度和壓力傳感器，并進行有效測試，達到了預期目標。

　　由于對WiFi反向散射技術的深入研究，Haila在2019年獲得諾基亞公開挑戰賽的獲勝者，得到10萬歐元獎金以及諾基亞和貝爾實驗室的支持;2020年5月獲得500萬美元種子輪投資，領投方包括斯坦福大學，并于2021年8月獲得加拿大可持續發展技術部300萬加元的支持。

　　雖然Haila公司的WiFi反向散射通信技術主要還是IP授權形式開展服務，其技術能力在各類場景下還未進行規模驗證，但至少該公司已推出了初步商用的產品，這給一直處于學術研究、商用緩慢的WiFi反向散射通信帶來一絲希望。

　　市場研究機構IDC發布報告顯示，2022年全球Wi-Fi產品出貨量為38億件，到2024年將達到41億件。WiFi產品在工作和生活場所已經幾乎“無處不在”，作為現成的無源物聯網射頻源和接收器，WiFi存量市場已為基于WiFi的無源物聯網市場打下基礎，期待未來更多基于WiFi的無源物聯網的創新企業和產品推出，繁榮無源物聯網市場。