作者：趙小飛
物聯網智庫 原創
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(chu)，為(wei)基于WiFi的反向散射(she)通信落(luo)地商用率先進行探索(suo)。
反向散射通信是無源物聯網的核心工具
眾所周(zhou)知，無源物聯網傳感器和標簽所獲得的(de)(de)能(neng)量(liang)支(zhi)持(chi)(chi)主(zhu)要來自于光、熱(re)、震動、射(she)頻等環境能(neng)量(liang)，能(neng)夠(gou)采集的(de)(de)能(neng)量(liang)非常(chang)微(wei)弱，一(yi)(yi)般(ban)僅有微(wei)瓦(wa)級，要支(zhi)持(chi)(chi)傳感器數(shu)(shu)據(ju)的(de)(de)收發，需要全新的(de)(de)無線通(tong)信技(ji)術，使通(tong)信能(neng)耗(hao)下降(jiang)至數(shu)(shu)十微(wei)瓦(wa)甚至十微(wei)瓦(wa)以下，反(fan)向散射(she)通(tong)信技(ji)術是完成這(zhe)一(yi)(yi)任(ren)務的(de)(de)主(zhu)要選擇。
反(fan)(fan)(fan)向散(san)(san)射(she)(she)通(tong)信(xin)(xin)(xin)(xin)是(shi)利用(yong)(yong)射(she)(she)頻信(xin)(xin)(xin)(xin)號反(fan)(fan)(fan)向散(san)(san)射(she)(she)原(yuan)理(li)，設(she)計出極低(di)功耗的(de)(de)調(diao)制與傳輸技(ji)術(shu)。反(fan)(fan)(fan)向散(san)(san)射(she)(she)通(tong)信(xin)(xin)(xin)(xin)最早起源于(yu)第二次世(shi)界大(da)戰，通(tong)過(guo)給戰機(ji)上貼上標簽，由雷達(da)發(fa)射(she)(she)信(xin)(xin)(xin)(xin)號是(shi)否(fou)返(fan)回判斷(duan)是(shi)否(fou)自己的(de)(de)戰機(ji)。1948年美(mei)國工程師Stockman提(ti)出了(le)反(fan)(fan)(fan)向散(san)(san)射(she)(she)通(tong)信(xin)(xin)(xin)(xin)技(ji)術(shu)系統，由于(yu)射(she)(she)頻信(xin)(xin)(xin)(xin)號到(dao)達(da)物體表(biao)面時(shi)一部(bu)分(fen)會被反(fan)(fan)(fan)射(she)(she)，而發(fa)送(song)節點(dian)按(an)照擬發(fa)送(song)信(xin)(xin)(xin)(xin)息(xi)調(diao)整接(jie)收天線和阻抗之間的(de)(de)匹(pi)配，增強(qiang)對入射(she)(she)射(she)(she)頻信(xin)(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)反(fan)(fan)(fan)射(she)(she)，并(bing)將自身獲取的(de)(de)感知數(shu)據(ju)調(diao)制到(dao)該反(fan)(fan)(fan)射(she)(she)信(xin)(xin)(xin)(xin)號上，完成(cheng)對數(shu)據(ju)的(de)(de)發(fa)送(song)。這一過(guo)程類似于(yu)反(fan)(fan)(fan)光(guang)鏡，相對于(yu)其他通(tong)信(xin)(xin)(xin)(xin)技(ji)術(shu)，反(fan)(fan)(fan)向散(san)(san)射(she)(she)通(tong)信(xin)(xin)(xin)(xin)無需(xu)復雜的(de)(de)射(she)(she)頻結構，減少功率放大(da)器(qi)、高精度(du)晶振、雙工器(qi)、高精度(du)濾波器(qi)等器(qi)件使用(yong)(yong)，也不需(xu)要(yao)復雜的(de)(de)基帶處(chu)理(li)，因此在物聯網系統中使用(yong)(yong)時(shi)能夠(gou)大(da)幅降低(di)終端(duan)節點(dian)成(cheng)本。
在實(shi)踐中(zhong)，RFID是反(fan)(fan)向散(san)射通信(xin)(xin)已經廣泛應(ying)用的(de)系(xi)統，形成(cheng)大規模商(shang)用的(de)案例。其工(gong)作原理是接(jie)收機(一般為RFID閱讀器)發送射頻(pin)激(ji)勵信(xin)(xin)號(hao)，激(ji)活無(wu)源節點(一般為RFID電子標(biao)簽)，電子標(biao)簽利(li)用反(fan)(fan)向散(san)射通信(xin)(xin)將(jiang)自身信(xin)(xin)息調(diao)制到(dao)該(gai)射頻(pin)信(xin)(xin)號(hao)上，閱讀器接(jie)收到(dao)無(wu)源電子標(biao)簽的(de)反(fan)(fan)射信(xin)(xin)號(hao)并進行解調(diao)，實(shi)現信(xin)(xin)息傳輸。
傳統反向散射通(tong)信系統不(bu)過，以RFID為代表(biao)的(de)(de)傳統反向散(san)(san)射(she)通(tong)信(xin)(xin)(xin)技術(shu)存(cun)(cun)在(zai)多方面(mian)的(de)(de)不(bu)足(zu)，集中(zhong)表(biao)現在(zai)：一(yi)方面(mian)，射(she)頻(pin)(pin)(pin)激(ji)勵信(xin)(xin)(xin)號源(yuan)(yuan)和接(jie)收(shou)機(ji)位于同一(yi)設(she)備中(zhong)，導致(zhi)發(fa)(fa)射(she)和接(jie)收(shou)自干擾而限制(zhi)通(tong)信(xin)(xin)(xin)距離;另(ling)一(yi)方面(mian)，該系(xi)統需要專(zhuan)用的(de)(de)射(she)頻(pin)(pin)(pin)激(ji)勵信(xin)(xin)(xin)號來源(yuan)(yuan)，限制(zhi)了無源(yuan)(yuan)物聯網部署的(de)(de)區域和場景。因此(ci)，業界(jie)提出了環(huan)境(jing)反向散(san)(san)射(she)通(tong)信(xin)(xin)(xin)技術(shu)，即(ji)利用周邊(bian)環(huan)境(jing)中(zhong)廣泛存(cun)(cun)在(zai)的(de)(de)射(she)頻(pin)(pin)(pin)信(xin)(xin)(xin)號，如蜂窩基站(zhan)、WiFi路由器、電視塔等(deng)作為射(she)頻(pin)(pin)(pin)信(xin)(xin)(xin)號來源(yuan)(yuan)，向無源(yuan)(yuan)節(jie)點發(fa)(fa)送激(ji)勵信(xin)(xin)(xin)號，結(jie)合射(she)頻(pin)(pin)(pin)能量采集技術(shu)，無源(yuan)(yuan)節(jie)點可以從環(huan)境(jing)射(she)頻(pin)(pin)(pin)信(xin)(xin)(xin)號源(yuan)(yuan)獲(huo)取足(zu)夠能量，完成數(shu)據調制(zhi)并主動向接(jie)收(shou)機(ji)發(fa)(fa)送信(xin)(xin)(xin)號。通(tong)過這(zhe)一(yi)設(she)計，能夠顯(xian)著降(jiang)低干擾和功耗，大(da)幅(fu)提升通(tong)信(xin)(xin)(xin)距離。
環境(jing)反向散射通信系統雖然(ran)環境反向(xiang)散(san)射通信(xin)是無(wu)源物(wu)聯網最為理(li)想的(de)(de)通信(xin)技術(shu)，但(dan)仍然(ran)存在諸多技術(shu)挑(tiao)(tiao)戰，限制其(qi)大(da)規模應用。這些(xie)挑(tiao)(tiao)戰包括更(geng)加輕(qing)量(liang)(liang)級的(de)(de)調制和(he)(he)編碼技術(shu)、更(geng)高效的(de)(de)多址方式(shi)、更(geng)靈(ling)活的(de)(de)資源管理(li)方式(shi)、更(geng)輕(qing)量(liang)(liang)協議棧、更(geng)輕(qing)量(liang)(liang)安全管理(li)機制以及簡化(hua)的(de)(de)網絡架構等，每(mei)一項(xiang)挑(tiao)(tiao)戰都需(xu)要投入大(da)量(liang)(liang)資源進行(xing)研發和(he)(he)工程化(hua)試(shi)驗。
WiFi反向散射通信從理論到工程化
WiFi是目前最為廣(guang)泛使用(yong)的(de)(de)局域通信技(ji)術之一，人們生產(chan)、生活的(de)(de)各(ge)類場所基本上(shang)都有WiFi信號，因此WiFi作為無源(yuan)(yuan)(yuan)物聯網(wang)標(biao)(biao)簽反向散射通信的(de)(de)射頻(pin)源(yuan)(yuan)(yuan)具有天(tian)然優(you)勢，通過無處(chu)不在的(de)(de)WiFi信號對(dui)無源(yuan)(yuan)(yuan)物聯網(wang)標(biao)(biao)簽進行激(ji)勵，將標(biao)(biao)簽所采集的(de)(de)傳感器(qi)數(shu)據傳輸給接收器(qi)，成(cheng)為無源(yuan)(yuan)(yuan)物聯網(wang)低成(cheng)本落地方式。
正如(ru)前文所述，RFID是(shi)反(fan)向(xiang)散(san)射通信(xin)最典型的(de)應用(yong)場景，其標簽成本已非常低(di)廉，對多個行(xing)業產生重大影響，但(dan)RFID需要專(zhuan)門的(de)收(shou)(shou)發(fa)終(zhong)端來(lai)發(fa)送和接收(shou)(shou)信(xin)號，限制了(le)很多應用(yong)場景，無(wu)源物聯網(wang)目前一個重要的(de)發(fa)展方向(xiang)就(jiu)是(shi)拋棄(qi)專(zhuan)用(yong)收(shou)(shou)發(fa)終(zhong)端。WiFi反(fan)向(xiang)散(san)射通信(xin)就(jiu)是(shi)借(jie)助尤(you)其是(shi)借(jie)助已有部署的(de)WiFi路由器作(zuo)為發(fa)射信(xin)號和接收(shou)(shou)信(xin)號的(de)終(zhong)端，無(wu)需進(jin)行(xing)專(zhuan)門改(gai)造即可部署，降低(di)了(le)復雜(za)度和成本，似乎比(bi)RFID具有優勢。
不(bu)(bu)過，WiFi反向(xiang)散射(she)(she)通(tong)信技術主要(yao)還存在于理論研究，實際(ji)商(shang)用(yong)比較(jiao)少，因為它依然(ran)存在一(yi)些限(xian)(xian)制，讓其(qi)無法形成對(dui)RFID的優勢。2021年，ACM MobiCom會議(yi)收錄(lu)的一(yi)篇名為《Verification: can wifi backscatter replace RFID?》的論文研究了WiFi反向(xiang)散射(she)(she)通(tong)信的不(bu)(bu)足之(zhi)處，主要(yao)包(bao)括：首先，雖然(ran)WiFi反向(xiang)散射(she)(she)通(tong)信標(biao)簽(qian)對(dui)電量(liang)消耗遠低于有(you)(you)源(yuan)WiFi設備(bei)，但其(qi)仍(reng)高(gao)于RFID標(biao)簽(qian)，所以(yi)WiFi標(biao)簽(qian)不(bu)(bu)能(neng)僅僅依靠射(she)(she)頻能(neng)量(liang)采集來供能(neng)，需要(yao)依賴諸如小型太陽(yang)能(neng)板等其(qi)他能(neng)量(liang)源(yuan);其(qi)次，WiFi覆蓋范(fan)圍有(you)(you)限(xian)(xian)，相(xiang)對(dui)于RFID來說，應用(yong)場(chang)景(jing)的擴展有(you)(you)限(xian)(xian)，因此(ci)替(ti)代也很有(you)(you)限(xian)(xian);另外，一(yi)些基于WiFi反向(xiang)散射(she)(she)通(tong)信信號也會和現有(you)(you)的WiFi設備(bei)產生(sheng)干擾。因此(ci)，與RFID相(xiang)比，WiFi不(bu)(bu)能(neng)擴張(zhang)成一(yi)張(zhang)無源(yuan)物聯網廣闊的網絡。
不過(guo)，WiFi反(fan)向(xiang)散射通信(xin)依然是(shi)無(wu)源物聯網的(de)(de)一(yi)個重要(yao)方向(xiang)。一(yi)般WiFi反(fan)向(xiang)散射系統(tong)(tong)(tong)包括(kuo)兩(liang)個WiFi終端(AP)和一(yi)個標(biao)簽，兩(liang)個WiFi終端分別(bie)作為射頻源和接收器，WiFi反(fan)向(xiang)散射系統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)主要(yao)挑戰是(shi)如何將標(biao)簽的(de)(de)數(shu)(shu)據嵌入WiFi數(shu)(shu)據包中(zhong)，同時確保它可以被(bei)現有(you)的(de)(de)、沒有(you)專(zhuan)門配置(zhi)的(de)(de)WiFi設備(bei)(AP)來解碼。多(duo)個團隊圍繞這一(yi)問題進行研究，初(chu)步(bu)形成多(duo)個試(shi)商用的(de)(de)WiFi反(fan)向(xiang)散射系統(tong)(tong)(tong)，《Verification: can wifi backscatter replace RFID?》研究了(le)主要(yao)的(de)(de)系統(tong)(tong)(tong)包括(kuo)：
1、Wi-Fi Backscatter：這(zhe)一(yi)系(xi)統(tong)(tong)是(shi)華盛頓大學研(yan)究(jiu)團隊(dui)在其發表的(de)一(yi)篇《Wi-fi Backscatter: Internet Connectivity for RF-powered Devices》論(lun)文中提(ti)出的(de)，是(shi)業界首個借助已(yi)有的(de)商用WiFi設(she)備(bei)設(she)計無源反(fan)向(xiang)散(san)射通信系(xi)統(tong)(tong)，然而由于自干擾的(de)原因，這(zhe)一(yi)系(xi)統(tong)(tong)的(de)傳(chuan)輸距離(li)和數據速率非常有限。
2、HitchHike：該系統是在2016年一(yi)篇(pian)論(lun)文(wen)中提(ti)出的，它吸取了此(ci)前研究者教訓，增加了一(yi)個WiFi設(she)備，試圖提(ti)升傳輸(shu)距離(li)和(he)數據量，采(cai)用了直接序列(lie)擴(kuo)頻技(ji)術，同時(shi)避免WiFi信號自干擾，標簽通過不同信道傳輸(shu)信號。
3、FreeRider：該系統是2017年(nian)一篇論文中提(ti)出的，對HitchHike進行了優(you)化和擴展，采(cai)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(zuo)的基礎上持續優化(hua)。
5、WiTAG：這是一套(tao)全(quan)新的系統，避免了(le)此前系統的多(duo)個(ge)不足之處。該系統依然(ran)使(shi)用使(shi)用2個(ge)WiFi設備，使(shi)無源(yuan)物聯網(wang)標簽能夠使(shi)用開(kai)放或加密的802.11n和802.11ac網(wang)絡進行符合標準的通信，且無需修改(gai)WiFi設備。
實際(ji)上(shang)，也有部分(fen)研(yan)究團隊對WiFi設備進行一定程度(du)上(shang)的修改，獲得了較好的效(xiao)果。例(li)如(ru)，美國華盛頓大學(xue)電子工程學(xue)院(yuan)的研(yan)究人員在2016年研(yan)發出(chu)名為Passive WiFi的系統。該技(ji)術基(ji)于反向散(san)射通(tong)信(xin)(xin)，當(dang)附近WiFi路由器(qi)(qi)發射功(gong)率相對較高(gao)的射頻(pin)信(xin)(xin)號(hao)后，無(wu)源(yuan)物聯網節點(dian)吸收射頻(pin)信(xin)(xin)號(hao)并調制天線(xian)反射系數(shu)，將傳感器(qi)(qi)信(xin)(xin)息傳遞出(chu)去。Passive WiFi無(wu)源(yuan)節點(dian)傳輸速率為1Mbps和(he)11Mbps的數(shu)據時(shi)，所消耗的電量分(fen)別僅為14.5μW和(he)59.2μW，這只有正常(chang)WiFi節點(dian)電量消耗的萬分(fen)之一，而且能夠實現30米(mi)的回傳距離，甚至有一定的穿(chuan)墻能力。
WiFi反向散射通信產品已問世，商用進展加速
近(jin)日(ri)，加拿(na)大(da)初(chu)創公司Haila開(kai)始(shi)對外披露其在WiFi反(fan)向散射通(tong)信領(ling)域的進展。該(gai)公司是一家低功耗芯片(pian)廠商(shang)，近(jin)期已開(kai)始(shi)向業界提供基于WiFi反(fan)向散射通(tong)信芯片(pian)IP授權(quan)和技(ji)術合作。目(mu)前，該(gai)公司核心產(chan)品(pin)為定制化的無源反(fan)向散射通(tong)信ASIC產(chan)品(pin)。
這一(yi)產(chan)品可以描(miao)述為一(yi)款1Mbps、采(cai)用2.4GHz ISM頻段的WiFi反(fan)向散射(she)通信前端IP，整個(ge)(ge)產(chan)品中(zhong)包括一(yi)個(ge)(ge)反(fan)向散射(she)模塊、一(yi)個(ge)(ge)電(dian)源管理單元以及一(yi)個(ge)(ge)專門的Haila核(he)，為WiFi反(fan)向散射(she)通信提供賦能，讓無源物(wu)聯網系統真(zhen)正拋棄(qi)電(dian)池。
根據Haila所述，該公司的這款ASIC芯片在(zai)20 pW-30 pW電量下(xia)工作，已(yi)低于最低功耗的射頻(pin)SoC產品，可以無需對(dui)現(xian)存的商用WiFi進行任何改造情況下(xia)工作。目前該公司正在(zai)打造一款極低功耗的SoC，里面有專(zhuan)門的MCU。
實際(ji)上，早在2021年第(di)二(er)季(ji)度，Haila就完(wan)成了(le)(le)(le)首款芯片(pian)的(de)流片(pian)，該芯片(pian)搭載了(le)(le)(le)其他器件形成一個參(can)考設計，包括了(le)(le)(le)溫度、濕度和壓力(li)傳感器，并(bing)進行(xing)有效測試，達到了(le)(le)(le)預期目(mu)標。
由(you)于對WiFi反向散射技術的深入(ru)研究(jiu)，Haila在2019年(nian)獲得諾基亞公(gong)開挑戰(zhan)賽(sai)的獲勝者，得到10萬(wan)歐元獎金(jin)以及諾基亞和貝(bei)爾實驗室(shi)的支持;2020年(nian)5月(yue)獲得500萬(wan)美元種子輪(lun)投資，領投方包括斯坦福大(da)(da)學，并于2021年(nian)8月(yue)獲得加拿大(da)(da)可持續發展技術部300萬(wan)加元的支持。
雖然Haila公司(si)(si)的WiFi反向(xiang)散射(she)通(tong)信技術主要還是IP授權形式(shi)開展服務，其(qi)技術能力在各類場(chang)景下還未進行規模(mo)驗證(zheng)，但至少該公司(si)(si)已推出了初步商用的產品(pin)，這給一直(zhi)處于(yu)學術研究、商用緩(huan)慢的WiFi反向(xiang)散射(she)通(tong)信帶來一絲希望(wang)。
市場(chang)(chang)研究機構IDC發布報告顯(xian)示(shi)，2022年全球Wi-Fi產(chan)品(pin)出(chu)貨(huo)量(liang)為38億件，到(dao)2024年將達到(dao)41億件。WiFi產(chan)品(pin)在工作(zuo)和(he)生(sheng)活場(chang)(chang)所已經幾乎“無(wu)處不在”，作(zuo)為現(xian)成的無(wu)源(yuan)物聯網射頻(pin)源(yuan)和(he)接(jie)收器(qi)，WiFi存量(liang)市場(chang)(chang)已為基于(yu)WiFi的無(wu)源(yuan)物聯網市場(chang)(chang)打(da)下基礎，期(qi)待未來更(geng)多基于(yu)WiFi的無(wu)源(yuan)物聯網的創新企業和(he)產(chan)品(pin)推出(chu)，繁榮無(wu)源(yuan)物聯網市場(chang)(chang)。
