物联网后向散射系统的诞生与技术原理

我们已步入万物互联的新时代，然而物联网节点高度依赖电源供电，严重影响了物联网的普及应用。因为在一个实际部署的、有一定规模的物联网中更换电池并不是一件简单的事情。我们首先需要准确知道成百上千个节点中哪些节点需要更换电池，然后远赴野外，找到这些节点并进行电池更换。只要物联网系统运行，这样的工作就需要不断迭代进行。仅仅是更换电池的人力代价，就足以让物联网潜在用户望而却步。更何况，电池的大量使用也将导致严重的环境污染。

令人欣慰的是，低功耗感知元器件、低功耗处理芯片、低功耗通信等技术的出现，为物联网摆脱电池束缚带来了希望。物联网节点能否在摆脱电池束缚的同时依然感知世界？后向散射（backscatter）系统给我们提供了新的解决思路，该系统“裁剪”了耗电的射频电路部分，编码、调制节点感知的信息从反射的信号中传递出去，并将这一过程的能量消耗降低至微瓦级，这点能耗假如可以从环境中获得的话，没有电池的无源物联网就不再是梦想了。

后向散射的思想诞生源于一场情报刺探事件1945年，前苏联把一枚木雕的美国国徽送给了美国大使。八年后美国中情局才发现，这个国徽居然是没有电源的窃听器1。这个窃听器有一个鼓膜连接的钢针，人们交谈产生的声波会通过鼓膜转化为钢针的震动，从远处发射的无线信号到达钢针后，会被钢针反射回去，钢针上微小的震动实现了对屋内声波的调制编码，反射的同时传输声音信息。窃听器虽小，蕴含的技术却耐人寻味，其本质是声波震动的感知，利用声波震动对所反射的无线射频信号进行调制，实现了不需要电源供电的通信，为无源物联网的广泛应用带来曙光。

什么是后向散射呢？当电磁波与天线相互作用时，它们被天线吸收或沿不同方向散射，传统意义上，沿着入射方向的散射称为后向散射。但这些散射在通信系统中都可以看作是后向散射或者背向散射。在后向散射通信系统里，节点通过调整和天线相连接的MOSFET开关器件、阻抗匹配电路的状态变化，实现对反射电磁波物理量的改变。

当节点对入射信号进行后向散射时，可以通过修改信号的振幅、相位和频率这三个参数实现对感知的数据进行编码调制。那么，我们怎样修改反射信号的振幅和相位？一种可行的方法是，通过改变节点天线的阻抗影响反射系数r，从而改变振幅和相位。同时，我们可以改变节点基带调制信号的频率，以实现后向散射信号的频率调制。简而言之，后向散射系统是通过后向散射环境中的电磁波，将感知节点需要传输的数据“以搭便车的方式加载”到散射（反射）信号上，然后传输到接收端实现数据传输的通信系统。

了解了后向散射的基本原理，我们可能第一时间会想到射频识别系统（Radio Frequency Identification，RFID）。RFID是物联网的重要应用系统，它和后向散射系统有什么区别呢？

RFID系统由阅读器、天线和标签（节点）三部分组成，其原理是：无源标签在磁场中接收阅读器发射的射频信号，凭借感应电流获得的能量发送存储在标签芯片中的标识信息，最后阅读器将识别结果发送给主机。RFID阅读器和标签之间的通信及能量传递方式有电感耦合和电磁后向散射耦合两种。一般在低频段使用电感耦合方式，在高频段使用雷达探测目标的空间耦合（后向散射耦合）方式。

从通信和能量传递角度看，RFID的高频段工作模式与后向散射系统是相似的。从系统角度看，后向散射系统与RFID不同的是，节点在射频源不发送射频信号时也能主动感知数据，并具有简单计算的能力，这要求节点所捕获的能量可存储，以支撑节点发送一定长度的数据并进行计算。