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(yu)已有相(xiang)應產品(pin)和(he)商(shang)業模(mo)式推出，為基于WiFi的反向散射通信(xin)落地商(shang)用率先進行探(tan)索。
反向散射通信是無源物聯網的核心工具
眾所(suo)周知(zhi)，無源物聯網傳(chuan)感(gan)器和標簽所(suo)獲得的能(neng)(neng)量支持主(zhu)要(yao)來自于光、熱、震動、射頻(pin)等(deng)環境(jing)能(neng)(neng)量，能(neng)(neng)夠采集(ji)的能(neng)(neng)量非(fei)常微(wei)(wei)弱，一般僅有微(wei)(wei)瓦(wa)級，要(yao)支持傳(chuan)感(gan)器數據的收發，需要(yao)全新的無線通信技術，使(shi)通信能(neng)(neng)耗(hao)下降至數十(shi)微(wei)(wei)瓦(wa)甚(shen)至十(shi)微(wei)(wei)瓦(wa)以下，反向散(san)射通信技術是完(wan)成這一任務的主(zhu)要(yao)選(xuan)擇(ze)。
反(fan)(fan)(fan)向散射(she)(she)通(tong)信(xin)(xin)(xin)是利用射(she)(she)頻信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)反(fan)(fan)(fan)向散射(she)(she)原理(li)(li)，設計出(chu)極低功(gong)(gong)耗的(de)(de)調(diao)制與傳輸(shu)技(ji)術(shu)。反(fan)(fan)(fan)向散射(she)(she)通(tong)信(xin)(xin)(xin)最早起源于(yu)第(di)二次世界(jie)大戰，通(tong)過給戰機上貼上標簽，由(you)雷(lei)達發射(she)(she)信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)是否返回判斷是否自己的(de)(de)戰機。1948年(nian)美國工程師Stockman提出(chu)了反(fan)(fan)(fan)向散射(she)(she)通(tong)信(xin)(xin)(xin)技(ji)術(shu)系(xi)統，由(you)于(yu)射(she)(she)頻信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)到達物(wu)體表面時一部分會被反(fan)(fan)(fan)射(she)(she)，而發送(song)節點(dian)按照擬發送(song)信(xin)(xin)(xin)息調(diao)整接(jie)收天線(xian)和阻(zu)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)號(hao)(hao)的(de)(de)反(fan)(fan)(fan)射(she)(she)，并將(jiang)自身獲取(qu)的(de)(de)感(gan)知(zhi)數據調(diao)制到該(gai)反(fan)(fan)(fan)射(she)(she)信(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)上，完成對數據的(de)(de)發送(song)。這一過程類似(si)于(yu)反(fan)(fan)(fan)光鏡，相(xiang)對于(yu)其他通(tong)信(xin)(xin)(xin)技(ji)術(shu)，反(fan)(fan)(fan)向散射(she)(she)通(tong)信(xin)(xin)(xin)無需復雜的(de)(de)射(she)(she)頻結構，減少功(gong)(gong)率放大器、高精(jing)度(du)晶(jing)振、雙工器、高精(jing)度(du)濾波器等器件(jian)使用，也不需要(yao)復雜的(de)(de)基帶處理(li)(li)，因此在物(wu)聯網(wang)系(xi)統中使用時能夠(gou)大幅降低終端(duan)節點(dian)成本(ben)。
在實(shi)踐中(zhong)，RFID是反(fan)向散(san)射通信(xin)已經廣泛應用(yong)(yong)的系(xi)統(tong)，形成大規模商用(yong)(yong)的案例。其(qi)工作原理(li)是接收(shou)機(一(yi)般為(wei)(wei)RFID閱(yue)讀器)發(fa)送射頻(pin)(pin)激(ji)勵(li)信(xin)號(hao)，激(ji)活無(wu)源節點(一(yi)般為(wei)(wei)RFID電(dian)子(zi)標簽)，電(dian)子(zi)標簽利用(yong)(yong)反(fan)向散(san)射通信(xin)將自身信(xin)息調制到該射頻(pin)(pin)信(xin)號(hao)上(shang)，閱(yue)讀器接收(shou)到無(wu)源電(dian)子(zi)標簽的反(fan)射信(xin)號(hao)并進行(xing)解調，實(shi)現(xian)信(xin)息傳輸。
傳(chuan)統反向散射通(tong)信系統不(bu)過，以(yi)RFID為(wei)代表的(de)傳(chuan)統(tong)反(fan)向散射(she)通(tong)信(xin)(xin)技(ji)(ji)術(shu)存(cun)在(zai)多方面(mian)(mian)的(de)不(bu)足(zu)，集中(zhong)表現在(zai)：一(yi)(yi)方面(mian)(mian)，射(she)頻(pin)(pin)激(ji)(ji)勵(li)(li)信(xin)(xin)號(hao)源(yuan)(yuan)(yuan)和(he)接收(shou)機位于同(tong)一(yi)(yi)設(she)備中(zhong)，導致發射(she)和(he)接收(shou)自干(gan)擾(rao)而限制(zhi)通(tong)信(xin)(xin)距離;另(ling)一(yi)(yi)方面(mian)(mian)，該系統(tong)需(xu)要(yao)專(zhuan)用的(de)射(she)頻(pin)(pin)激(ji)(ji)勵(li)(li)信(xin)(xin)號(hao)來源(yuan)(yuan)(yuan)，限制(zhi)了(le)無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)(yuan)物聯(lian)網部(bu)署的(de)區域和(he)場景。因此，業界提出了(le)環境反(fan)向散射(she)通(tong)信(xin)(xin)技(ji)(ji)術(shu)，即利用周邊環境中(zhong)廣(guang)泛存(cun)在(zai)的(de)射(she)頻(pin)(pin)信(xin)(xin)號(hao)，如蜂窩基(ji)站、WiFi路由器、電視(shi)塔(ta)等作為(wei)射(she)頻(pin)(pin)信(xin)(xin)號(hao)來源(yuan)(yuan)(yuan)，向無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)(yuan)節點(dian)發送激(ji)(ji)勵(li)(li)信(xin)(xin)號(hao)，結合射(she)頻(pin)(pin)能量采(cai)集技(ji)(ji)術(shu)，無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)(yuan)節點(dian)可以(yi)從環境射(she)頻(pin)(pin)信(xin)(xin)號(hao)源(yuan)(yuan)(yuan)獲取足(zu)夠(gou)能量，完成數據調制(zhi)并主(zhu)動向接收(shou)機發送信(xin)(xin)號(hao)。通(tong)過這一(yi)(yi)設(she)計，能夠(gou)顯(xian)著降低(di)干(gan)擾(rao)和(he)功耗，大幅(fu)提升通(tong)信(xin)(xin)距離。
環境反向散(san)射通信系統雖然環境反向散(san)射通信是無源(yuan)物聯網(wang)最為理(li)想的(de)通信技術，但仍然存在諸多(duo)技術挑(tiao)(tiao)戰(zhan)，限制其大規模應用。這些挑(tiao)(tiao)戰(zhan)包括更(geng)加輕量(liang)級的(de)調制和編(bian)碼技術、更(geng)高(gao)效的(de)多(duo)址(zhi)方式(shi)(shi)、更(geng)靈(ling)活的(de)資源(yuan)管理(li)方式(shi)(shi)、更(geng)輕量(liang)協(xie)議棧、更(geng)輕量(liang)安全管理(li)機制以及簡化的(de)網(wang)絡架構等，每一項挑(tiao)(tiao)戰(zhan)都需(xu)要(yao)投(tou)入大量(liang)資源(yuan)進行(xing)研發和工程化試驗。
WiFi反向散射通信從理論到工程化
WiFi是(shi)目前最為廣(guang)泛使用的(de)局域(yu)通(tong)信(xin)技術之一，人們生產(chan)、生活(huo)的(de)各類(lei)場所基本上(shang)都有WiFi信(xin)號(hao)，因此WiFi作為無源(yuan)(yuan)(yuan)物(wu)聯(lian)網標簽(qian)反向(xiang)散射(she)通(tong)信(xin)的(de)射(she)頻(pin)源(yuan)(yuan)(yuan)具(ju)有天然(ran)優勢，通(tong)過(guo)無處(chu)不在的(de)WiFi信(xin)號(hao)對無源(yuan)(yuan)(yuan)物(wu)聯(lian)網標簽(qian)進(jin)行激(ji)勵(li)，將標簽(qian)所采(cai)集(ji)的(de)傳感器數據(ju)傳輸(shu)給接收器，成(cheng)為無源(yuan)(yuan)(yuan)物(wu)聯(lian)網低成(cheng)本落地(di)方式。
正(zheng)如前文所述，RFID是(shi)反(fan)(fan)向散(san)射(she)通(tong)信最典型的應用(yong)場景(jing)，其(qi)標(biao)簽成本(ben)已非常低廉，對多個行業產生重大影響(xiang)，但RFID需要專(zhuan)門的收(shou)發(fa)終(zhong)端(duan)來(lai)發(fa)送(song)和接(jie)(jie)收(shou)信號，限制了(le)很(hen)多應用(yong)場景(jing)，無(wu)源物聯網(wang)目前一(yi)個重要的發(fa)展方向就是(shi)拋棄專(zhuan)用(yong)收(shou)發(fa)終(zhong)端(duan)。WiFi反(fan)(fan)向散(san)射(she)通(tong)信就是(shi)借助尤其(qi)是(shi)借助已有部(bu)(bu)署的WiFi路由器作為發(fa)射(she)信號和接(jie)(jie)收(shou)信號的終(zhong)端(duan)，無(wu)需進(jin)行專(zhuan)門改造即可部(bu)(bu)署，降低了(le)復雜度和成本(ben)，似乎比RFID具有優勢(shi)。
不(bu)過，WiFi反向(xiang)散(san)(san)射(she)通(tong)信技術主(zhu)要還存在于(yu)(yu)理論研究，實際商用比較少，因為(wei)它依然(ran)存在一(yi)些限(xian)制，讓其無(wu)法形(xing)成對(dui)RFID的(de)(de)(de)優勢。2021年，ACM MobiCom會議收錄(lu)的(de)(de)(de)一(yi)篇名為(wei)《Verification: can wifi backscatter replace RFID?》的(de)(de)(de)論文研究了(le)WiFi反向(xiang)散(san)(san)射(she)通(tong)信的(de)(de)(de)不(bu)足之處，主(zhu)要包括：首(shou)先，雖(sui)然(ran)WiFi反向(xiang)散(san)(san)射(she)通(tong)信標簽(qian)對(dui)電量消(xiao)耗遠低(di)于(yu)(yu)有(you)源WiFi設(she)備，但其仍高于(yu)(yu)RFID標簽(qian)，所以WiFi標簽(qian)不(bu)能(neng)(neng)(neng)僅(jin)僅(jin)依靠射(she)頻能(neng)(neng)(neng)量采集來供能(neng)(neng)(neng)，需(xu)要依賴諸(zhu)如小型太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)板等(deng)其他能(neng)(neng)(neng)量源;其次，WiFi覆蓋范(fan)圍有(you)限(xian)，相對(dui)于(yu)(yu)RFID來說，應用場景的(de)(de)(de)擴(kuo)展(zhan)有(you)限(xian)，因此替代也(ye)很有(you)限(xian);另外，一(yi)些基(ji)于(yu)(yu)WiFi反向(xiang)散(san)(san)射(she)通(tong)信信號也(ye)會和現有(you)的(de)(de)(de)WiFi設(she)備產生干擾(rao)。因此，與RFID相比，WiFi不(bu)能(neng)(neng)(neng)擴(kuo)張(zhang)成一(yi)張(zhang)無(wu)源物聯網廣(guang)闊的(de)(de)(de)網絡。
不過，WiFi反(fan)(fan)向(xiang)散(san)射(she)(she)通(tong)信(xin)依然是(shi)無(wu)源物聯網的(de)(de)一個重要(yao)方向(xiang)。一般WiFi反(fan)(fan)向(xiang)散(san)射(she)(she)系統(tong)包(bao)括兩個WiFi終(zhong)端(AP)和一個標(biao)(biao)簽，兩個WiFi終(zhong)端分別作為射(she)(she)頻(pin)源和接(jie)收器(qi)，WiFi反(fan)(fan)向(xiang)散(san)射(she)(she)系統(tong)的(de)(de)主(zhu)要(yao)挑戰(zhan)是(shi)如(ru)何(he)將標(biao)(biao)簽的(de)(de)數據嵌入WiFi數據包(bao)中，同時確保它可以被現有的(de)(de)、沒有專(zhuan)門配置的(de)(de)WiFi設(she)備(AP)來解碼。多個團隊(dui)圍(wei)繞這一問題進行研(yan)究，初步形成(cheng)多個試商用的(de)(de)WiFi反(fan)(fan)向(xiang)散(san)射(she)(she)系統(tong)，《Verification: can wifi backscatter replace RFID?》研(yan)究了主(zhu)要(yao)的(de)(de)系統(tong)包(bao)括：
1、Wi-Fi Backscatter：這一(yi)系(xi)(xi)統(tong)是華盛頓大學研究團隊在(zai)其發表的一(yi)篇《Wi-fi Backscatter: Internet Connectivity for RF-powered Devices》論文中提出(chu)的，是業界(jie)首個借助已有的商用WiFi設(she)備設(she)計(ji)無源反向散射(she)通信系(xi)(xi)統(tong)，然而(er)由于自干擾的原因，這一(yi)系(xi)(xi)統(tong)的傳輸距離(li)和數據速率非常有限。
2、HitchHike：該系統是在2016年一篇論文中(zhong)提出的，它(ta)吸取了(le)(le)此前研(yan)究(jiu)者教訓，增(zeng)加了(le)(le)一個WiFi設備，試圖提升傳輸距(ju)離和數據(ju)量(liang)，采用了(le)(le)直接序列(lie)擴頻(pin)技術，同時避(bi)免WiFi信號自干擾，標簽通過不(bu)同信道傳輸信號。
3、FreeRider：該系統(tong)是2017年(nian)一(yi)篇論(lun)文中提出的，對(dui)HitchHike進行了(le)優化和擴展，采(cai)用(yong)(yong)正交頻分(fen)復用(yong)(yong)技術(OFDM)。
4、MOXcatter：該(gai)系統是2018年一篇論文中提出的，基于HitchHike和(he)FreeRider工作(zuo)的基礎上持(chi)續(xu)優化。
5、WiTAG：這(zhe)是一套全新的(de)系統(tong)，避(bi)免了此前(qian)系統(tong)的(de)多個不足之(zhi)處。該系統(tong)依(yi)然使(shi)用(yong)使(shi)用(yong)2個WiFi設(she)備，使(shi)無源物(wu)聯網標簽能夠使(shi)用(yong)開放或加密的(de)802.11n和802.11ac網絡(luo)進(jin)行符(fu)合標準的(de)通信，且無需修改WiFi設(she)備。
實際上，也有部(bu)分研(yan)究(jiu)團隊對WiFi設備進行一定程度上的(de)修改，獲得了較(jiao)好的(de)效果。例如，美國華(hua)盛頓大學(xue)電子工程學(xue)院(yuan)的(de)研(yan)究(jiu)人(ren)員在(zai)2016年研(yan)發出(chu)名為Passive WiFi的(de)系統。該技術基(ji)于反向(xiang)散射通信，當附近WiFi路由器發射功率(lv)相對較(jiao)高的(de)射頻信號后(hou)，無(wu)源物聯網節點(dian)吸收射頻信號并調(diao)制天(tian)線反射系數，將(jiang)傳感器信息傳遞出(chu)去。Passive WiFi無(wu)源節點(dian)傳輸速率(lv)為1Mbps和(he)11Mbps的(de)數據時，所消耗的(de)電量分別僅為14.5μW和(he)59.2μW，這只有正(zheng)常WiFi節點(dian)電量消耗的(de)萬分之(zhi)一，而且(qie)能夠實現30米的(de)回傳距離，甚至有一定的(de)穿墻能力(li)。
WiFi反向散射通信產品已問世，商用進展加速
近日(ri)，加拿大初創公司Haila開(kai)始對外披露其在WiFi反向散(san)射(she)通信(xin)領域的進展。該公司是一家低功耗(hao)芯(xin)片廠商，近期(qi)已開(kai)始向業界提供基(ji)于WiFi反向散(san)射(she)通信(xin)芯(xin)片IP授權和技術合作(zuo)。目(mu)前，該公司核心產品為定制化的無源反向散(san)射(she)通信(xin)ASIC產品。
這一(yi)(yi)(yi)產品(pin)可以(yi)(yi)描(miao)述為一(yi)(yi)(yi)款(kuan)1Mbps、采用(yong)2.4GHz ISM頻段的WiFi反(fan)向(xiang)散(san)(san)射通(tong)信前端IP，整(zheng)個(ge)產品(pin)中包括一(yi)(yi)(yi)個(ge)反(fan)向(xiang)散(san)(san)射模塊、一(yi)(yi)(yi)個(ge)電源管理單(dan)元(yuan)以(yi)(yi)及一(yi)(yi)(yi)個(ge)專門的Haila核，為WiFi反(fan)向(xiang)散(san)(san)射通(tong)信提供賦(fu)能(neng)，讓(rang)無(wu)源物聯(lian)網(wang)系統真正拋棄電池。
根據Haila所述(shu)，該公司的(de)這款(kuan)ASIC芯(xin)片在20 pW-30 pW電量下工作(zuo)，已低于(yu)最(zui)低功耗的(de)射(she)頻SoC產品，可以無需(xu)對現存的(de)商用(yong)WiFi進行任何改造(zao)情況下工作(zuo)。目(mu)前該公司正在打(da)造(zao)一款(kuan)極(ji)低功耗的(de)SoC，里面有專門的(de)MCU。
實際上，早在2021年第二(er)季度(du)，Haila就完成了(le)(le)首款(kuan)芯片(pian)(pian)的流片(pian)(pian)，該(gai)芯片(pian)(pian)搭載了(le)(le)其他器(qi)件(jian)形(xing)成一個參考(kao)設計，包括了(le)(le)溫度(du)、濕度(du)和(he)壓力傳感器(qi)，并進行(xing)有效測試，達(da)到了(le)(le)預期(qi)目標。
由于對WiFi反向(xiang)散射技術的(de)(de)深入研究，Haila在2019年(nian)獲得諾基亞(ya)公開挑戰賽的(de)(de)獲勝者，得到10萬歐元(yuan)獎金以及諾基亞(ya)和貝(bei)爾(er)實驗(yan)室的(de)(de)支持;2020年(nian)5月獲得500萬美元(yuan)種子輪投(tou)資，領(ling)投(tou)方包括(kuo)斯坦福大(da)學，并于2021年(nian)8月獲得加(jia)(jia)拿大(da)可持續發展技術部300萬加(jia)(jia)元(yuan)的(de)(de)支持。
雖然Haila公(gong)司(si)(si)的(de)(de)WiFi反(fan)向散(san)射通信技術(shu)主(zhu)要還是IP授(shou)權形式開(kai)展服務(wu)，其技術(shu)能力(li)在各類(lei)場景下還未進行規模驗證，但至少該公(gong)司(si)(si)已推(tui)出了初(chu)步(bu)商(shang)用(yong)的(de)(de)產品，這給一直處于(yu)學(xue)術(shu)研究(jiu)、商(shang)用(yong)緩(huan)慢的(de)(de)WiFi反(fan)向散(san)射通信帶(dai)來(lai)一絲希望。
市場研究(jiu)機構(gou)IDC發布(bu)報告顯示，2022年全球(qiu)Wi-Fi產(chan)品(pin)(pin)出貨量為38億(yi)件，到2024年將達到41億(yi)件。WiFi產(chan)品(pin)(pin)在工作和(he)生活場所已經幾(ji)乎“無(wu)(wu)(wu)處(chu)不(bu)在”，作為現(xian)成的(de)無(wu)(wu)(wu)源物聯(lian)網射頻源和(he)接收器(qi)，WiFi存(cun)量市場已為基(ji)(ji)于WiFi的(de)無(wu)(wu)(wu)源物聯(lian)網市場打下基(ji)(ji)礎，期待未來(lai)更多(duo)基(ji)(ji)于WiFi的(de)無(wu)(wu)(wu)源物聯(lian)網的(de)創新(xin)企(qi)業和(he)產(chan)品(pin)(pin)推出，繁榮無(wu)(wu)(wu)源物聯(lian)網市場。
