反向散射通信的未来应用与技术挑战

摘 要

摘 要

【关键词】 反向散射通信；高速率传输；物联网；无源传感器；可穿戴设备

0 引言

物联网（IoT, Internet of Things）被视为世界信息产业发展的第三次浪潮之一。通过‘万物互联’的理念将众多物体有机地连接起来，并打破了传统通信模式中必须依靠特定设备接入网络的限制。这种创新极大地便利了人们的工作与生活，并提升了各个行业的生产效率。我国IMT-2020工作组提出了‘信息随心触达、万物触手可及’的愿景作为5G技术的核心目标之一；而IMT-2030推进组则提出了更为前沿的‘万物智联、数字孪生’6G愿景[1]。文献[2]指出物联网技术构成了工业物联网建设的基础支撑；而文献[3]则强调了其在6G设计中的关键作用——作为推动无线通信从‘万物互联’向更高级别的‘智能互联’转变的重要关键技术之一[1]。

反向散射通信（Backscatter Communications）是节能环保、低成本、灵活部署的关键技术支持未来物联网发展的重要基石，并推动万物智联战略目标的实现。传统的Backscatter通信技术主要依赖于特定频率下的无线电载波作为能量辅助信号源，在实际应用中通常结合无线传感器网络等设备协同工作（如图2(a)所示），通过反射或捕获已存在的无线电信号来实现数据传输。然而，在现有Backscattering技术和标准研究中存在一些局限性：首先要求参与节点具备支持双工模式下的无线电载波传输能力；其次在信道共享环境下信道间的干扰问题较为突出；此外在大规模组网时会出现严重的资源竞争问题[1-3]。

针对传统反向散射技术存在的特定射频源需求及有限的有效通信距离的问题，学术界开发出了多种新型反向散射通信技术方案。这些新型方案通过利用无源设备与第三方信号（如蜂窝无线信号、广播电视信号、Wi-Fi信号或蓝牙信号等）实现信息传输，在降低通信能耗及运行成本的同时也延长了设备的使用寿命。其中由于新型反向散射技术的独特性——其无源设备能够有效利用第三方信号——因此也被誉为"共生通信"。如全球首份6G白皮书[7]所述，在这一前沿领域中该种新技术不仅契合了6G"无处不在"的设计理念还与绿色物联网追求的低能耗可持续目标高度契合成为了当前6G网络设计的重要关注点之一。本文将详细介绍新型反向散射通信的技术原理相关研究进展及其在各领域的潜在应用场景同时深入探讨当前面临的技术挑战：

1 新型反向散射通信技术

1.1 反向散射通信技术原理与起源

起源于二战的反向散射技术旨在识别己方战机机身上安装的标识符。通过接收这些雷达信号来鉴别敌方飞机的身份[8]。随之而来的是大量采用反向散射技术的应用领域，在这其中最主要的领域之一是RFID系统中得到了广泛应用；而电子不停车收费系统（ETC）则是该技术实现商业化应用的典型案例[9]。

反向散射通信设备依赖其他设备或环境中的射频信号进行信号调制以发送信息。调制电路如图1所示中所述 该设备通过调节自身的内部阻抗来控制反射系数

，从而使得入射信号的大小、频率或相位发生变化，并完成信号的模拟或数字调制。式(1)以公式（1）的形式给出电路反射系数。

其中Z0为天线特性阻抗，Z1是负载阻抗。假设入射信号为Sin(t)，则输出信号为

通过内置模拟电路进行模数转换来实现对阻抗值的调整；采用数字信号控制模块来实现对系统参数的精确调控

无源反向散射通信设备首先需要从外界射频信号中采集能量（Energy harvesting），为内部电路模块供电；随后通过反向散射射频实现通信从而实现零功耗运行

1.2 新型反向散射通信技术

自2013年以来，业界提出了一系列新型反向散射通信技术，以下给出八个案例。

该系统由Kimionis团队于2014年首次提出，并包含双站反向散射技术（Bistatic Backscattering Technology）。在该系统中，在标签区域部署了一个发射器（如图2(b)所示）。这种设计能够显著降低传播损耗，并提升了标签与读写器间的通信范围。实验数据显示，在供能载波功率为20mW时，标签通信距离约为130米左右[10]

刘等在2013至2014年间首次提出环境反向散射技术[参考文献: ①至②]。该方案无需载波发射器，并通过已有电视广播及Wi-Fi等无线介质驱动设备间通信（见图二(c)）。当前相关研究已开发出基于传感器及能量检测机制的原型电路方案，并设计了相应的通信协议。展现了其在商业领域的应用潜力。

2015年Bharadia等研究团队开发出了全双工反向散射技术，并通过集成多天线的Wi-Fi网络节点设备实现了用户与目标物品之间的通信协作[15]。该系统不仅实现了高效的双向通信（如图2（d）所示 ），而且其无线局域网设备还支持多种调制方案，在约1米的距离范围内最高可达到约5兆比特每秒的数据传输速率。

该技术于2016年提出并命名为Inter-Technology Backscatter（ITBS）。通过调整标签表面的电特性参数即可实现蓝牙发射波段转换至Wi-Fi或ZigBee频段（如图2(e)所示）。当传输速率为2 Mbit/s时，在这种模式下所需的发射功率仅为28微瓦特。这一改进显著扩展了反向散射通信的技术应用范围[16]。

2017年提出的基于LoRa的反向散射技术（LoRa Backscatter）利用了该技术中LoRa信号的高灵敏度（-149 dBm）以及扩频编码方法的特点，并实现了远距离的反向散射通信（如图2（f）所示），其最大通信距离可达475米[17]。

基于反向散射的智能表面辅助通信技术在2017年和2018年被开发出来，并成功应用于无线信道环境的重构与增强[18-20]。该系统由多个反射单元构成，在接收端通过调节反射信号的相位实现了8PSK调制[20]。东南大学的一项创新研究展示了这一技术的实际应用效果：通过优化反射单元的配置，在接收端实现了高达6.144 Mbit/s的通信速率（图2（g）进行了详细说明）。

Mehrdad等人于2019年提出的NetScatter机制采用了联合开关键控的分布式啁啾扩频编码技术，在图2（h）中进行了详细说明。该技术能够实现多设备的同时接入，并在最多支持接入256个设备时仍能维持较低的通信带宽达到500 kHz[21]

该研究团队于2020年首次提出了全信号反向散射技术（AnyScatter），该技术基于非相干信道天线之间的相位差恒定这一特征，在接收端通过分析接收端信号间的相位差异来识别接收符号内容，并如图2（i）所示展示了该过程。该方法显著突破了现有研究在处理特定类别的射频信号时所面临的局限性[22]。

1.3 新型反向散射通信技术研究进展

新型反向散射通信技术已成为当前的研究热点领域之一，并且相关领域的研究工作呈现出快速发展的态势。我们主要从以下两个方面进行介绍：一是系统传输设计与性能分析；二是低功耗可穿戴设备相关的技术和应用领域

（1）新型反向散射通信系统传输设计与分析

新型反向散射通信系统的相关研究领域内容广泛，在本论文中仅涵盖本研究中涉及的系统性能分析、信道估计以及信号检测与编码调制等相关内容

就系统中断概率与容量特性展开分析，在反向散射通信系统的信道容量特性研究方面

在信道估计方面, 基于实际信道信息获取较为困难这一问题, Qian等研究者探讨了未采用导频技术情况下差分检测方案的可行性[25], 而Ma等学者则开发了一种基于期望最大化算法的盲信道估计方法[26].

针对全双工反向散射通信系统中的信号检测问题进行深入探讨后发现，在这一领域中Chen等人的工作尤为突出。随后他们成功实现了最大似然检测器并推导出了相应的误码率表达式[27]。此外相关领域的研究者文献[28]则针对共生反向散射通信系统展开研究并成功开发出一种低复杂度的线性检测方法

在编码方面，在标签端采用了曼彻斯特编码方案，并开发出了相应的译码机制用于阅读器端。该研究通过实验测试表明，在标签端应用曼彻斯特编码能够显著减少误码率。文献[30]开发了一种新型空时编码方案用于反向散射通信系统，并通过理论分析表明该方案的性能接近于Alamouti码。研究表明，在反向散射通信系统中采用空时编码结构能够实现比Alamouti码相似的性能水平，并且这种结构具有简单的电路实现和广泛的应用潜力

（2）低功耗可穿戴设备的技术支持与应用

基于新型信号接收与发射机制的低功耗可穿戴设备已成为当前的研究焦点。现有的多数可穿戴设备主要通过蓝牙或Wi-Fi技术实现数据传输，并进而成为学术界关注的重点领域之一。

为了减少可穿戴设备通信中Wi-Fi或蓝牙信号的同频干扰问题，文献[31]发展出了一种称为频移反向散射技术（FS-Backscatter）的方法，在标签上安装一个20 MHz振荡器，并将反向散射信号移动到与原始信号频率差20 MHz的新频段以避免冲突从而提升了通信系统的可靠性

文献[32]报道了蓝牙反向散射系统，并基于已有蓝牙信号与商用蓝牙终端通信。调制过程如图3所示，在此过程中首先生成单音信号作为调制载频。随后对该载频进行频率的调整或移动以分别表示符号'0'和'1'。该系统还支持通过优化本地时钟频率来实现灵活分配信道资源。其优势在于能够避免使用干扰大的信道区域。

文献[33]基于Wi-Fi信号MAC层的帧聚合（A-MPDU）特性实现了反向散射通信的技术方案。如图4所示的是该通信过程的具体实施情况。无源设备根据需要加载的数据信息发送反向散射信号，并动态调整子帧（MPDU）传输过程中的信道使用情况。由于每个A-MPDU传输阶段仅进行一次信道估计操作，在此过程中接入点（AP）无法恢复受干扰的MPDU数据包；此时AP返回的表示MPDU是否被恢复的ACK信息即为无源设备需要发送的关键数据信息。

可穿戴设备在工作时会吸附人体表面，在此过程中评估并采取措施降低人体对反向散射通信的影响也是实现低功耗可穿戴设备广泛推广的重要策略之一。然而，在学术界目前鲜有相关的系统测试以全面评估人体对反向散射信号强度的影响。为此我们建立了实验环境用于评估人体对反向散射信号强度的影响，并通过频谱仪测量反向散射信号强度的变化情况。具体而言我们利用通用软件无线电外围电路和WISP[34]无源标签进行通信实验并使用频谱仪监测标签反射出的反向散射信号强度。实验结果表明当标签吸附在人体表面时其反射出的反向散射信号强度会下降5 dB至10 dB范围之内。

2 新型反向散射技术应用展望

反向散射技术允许设备无需依赖电池运行，并显著降低了设备的生产及维护成本。该技术适应了5G和6G通信系统对低功耗、低成本以及广泛连接的需求。除了现有场景如仓储货物盘点之外，在未来还有更加广阔的潜在应用场景。

2.1 低功耗可穿戴设备

可穿戴设备可通过反向散射技术减少功耗并延长续航时间。当周围可用的射频信号支持设备进行通信时, 可穿戴设备通过反向散射技术传递采集的信息给智能终端。如图6 (a) 所示, 智能手表通过蓝牙和 Wi-Fi 等无线电信号接收并显示用户的步数与心率等数据;而内置有多种反向散射传感单元的多生理参数监测装置, 则能够实时捕捉人体体温、呼吸频率与心电活动数据, 并通过外部无线电信号传输这些信息至智能终端以便进一步分析, 如图 6 (b) 所示。

2.2 生物内置传感芯片

内置于生物体内的生物芯片能够通过外部射频技术进行信号传输。如图7所示 ，该装置能够从大脑获取相关数据后，在智能手机端完成这些数据的接收与处理。智能手机接收这些信号后进行分析处理，并还原出大脑的信息内容。

2.3 铁路系统运营维护

研究文献[35]首次将反向散射通信技术应用于铁路无线网络传输，并有效降低了高速铁路信号穿透损耗以及信道快速变化所带来的负面影响。该技术在铁路领域还有潜力应用于轨道入侵检测系统、接触网监控系统、货物运输追踪系统以及人员与物品定位系统等多个方面。

（1）轨道上异物入侵的监测系统。如图8所示 ，在铁路周围布置无源标签装置以采集轨旁环境数据这些数据通过反向散射传输至智能终端设备进行处理分析用于实时监控动物侵入轨道桥梁损毁或坠落等情况同时检测水管破裂等潜在风险

（2）接触网智能监测。如图9所示 ，为铁路接触网电缆安装无源标签后进行实时采集电缆张力数据，并将采集到的数据传输至监控中心。该系统能够实现对接触网状态的高效实时监测与分析，并防止因电缆张力异常导致的电力安全事故发生

（3）货运实时远程跟踪。列车货运场景如图10所示**[link]** ，货物被无源标签覆盖后，在车厢内的阅读器定期更新并刷新货物信息记录；车内阅读器借助列车无线网络以及铁路货运网络实现信息交互；发货人及接收方可通过手机APP或网页平台获取货物实时位置与状态等详细信息。

（4）乘务员与餐车的定位。见图11所示，在运行中的客运列车上，每台车辆都带有加载相关数据的无源电子标签。通过车厢内的刷卡装置实时采集并更新每台车辆的位置信息。乘客可以通过列车内部网络系统查询到各乘务员与餐车的具体位置信息。

2.4 智慧农业

研究者在文献[36]中构建了一个昆虫物联网平台，并对其实物部分及电路原理图进行了详细标注（如图12a和图12b）。该平台采用了无源式传感器技术，在活体昆虫表面进行安装以采集信息。通过反向散射技术实现传感器与固定站点之间的通信机制。智慧农业场景的具体信息获取途径如图12c所示，在该场景下配备了水分、温湿度、光照等多种类型的传感器装置。这些装置能够采集作物生长环境数据、授粉状态监测数据等关键参数，并通过无线传输模块将实时信号传递至固定站点进行分析处理。基于分析结果系统会自动制定最优控制方案并发送指令指示操作人员进行精准调节

2.5 工业传感器网络

未来的智慧工厂将集成成百上千的无线传感器设备，形成一个统一的无线传感器网络系统[37]。该系统的主要功能在于对工业生产过程中的各项关键参数进行实时监控与记录[37]。其中包含麦克风装置、二氧化碳监测仪、压力检测仪以及光感应设备等多种类型的监测设备。这些设备会将采集到的信息发送至中央控制系统，并确保传输速率通常不超过2 Mbit/s的同时保证供电续航时间需达到数年水平[37]。此外，在满足上述技术指标的同时还需要注重微型化设计及经济可行性是关键考量因素[37]。

2.6 水下物联网

文献[38]通过无源标签应用压电材料实现了水下环境中的反向散射通信。如图13所示 ，在水下布置了带有温湿度传感器和pH传感器等多种功能的无源探测设备。该系统能够采集环境参数，并借助反向散射技术将数据传输至终端设备。这种设计实现了低能耗且易于布置的环境监测方案。

3 新型反向散射技术面临的挑战及未来研究方向

新型反向散射通信系统同样面临诸多方面的挑战。下面列举了六项具体问题及相应的研究重点。

新型反向散射通信系统的理论性能评估过程中通常会考虑信号灵敏度受限的情况。现有反向散射技术的研究往往忽略了设备电路灵敏度的影响，在实际应用中当无源设备接收的射频信号能量达到或超过设定阈值时其内部电路才会被激活。由此，在实际工程设计中对系统容量和覆盖性能进行优化具有重要的研究价值与实践指导意义。

（2）信道估计与信号复杂度处理。在反向散射通信系统中，无源设备的导频发送能力存在限制，在接收端接收到的信号由反射回波与射频源信号叠加而成，在多用户接入场景下，如何建模、信道参数提取以及反射信号检测均成为当前研究热点问题。

（3）大规模接入场景。由于无源设备的存储与计算能力相对有限，在传统网络架构下难以有效实施有效的冲突避免机制，在面对大规模无源设备接入时面临着诸多挑战。因此研究适合大量用户同时在线下的冲突避免算法具有重要的实际应用价值

（4）自干扰抑制。无源反向散射通信系统接收端接收到的目标回波与杂波叠加的综合信号中,杂波分量由于其幅值往往显著超过目标回波幅值,使得有效的数据提取面临较大难度。传统的去噪手段主要依赖于射频技术和基带电路,要在复杂环境下如何有效分离目标回波是一项技术难题。

（5）广泛覆盖。受信道衰减及外界信号干扰的影响下, 反向散射传输的有效距离受限于现有技术限制. 当前主要依靠中继放大、扩频技术和LoRa调制来提升通信范围; 展望未来, 在大规模反射阵列、蜂窝物联网以及多层异构网络的支持下,"广泛 coverage" 的实现将成为网络演进的重要方向之一; 而关于coverage与power-time 等关键资源之间的权衡, 则是一个值得深入研究的理论课题.

（6）针对短距离高速率数据传输的技术设计方案展开研究与实现。受限于能量供应的限制，在无源设备中通常采用低阶调制方式运行；然而，在操作过程中还面临着晶振稳定性、同步精度以及抗干扰能力等方面的挑战；这导致其通信速率相对较低。在6G时代的发展需求下，短距离高速率绿色通信技术被视为一个重要的研究方向；为了进一步提升短距离传输的速度性能，在现有技术基础上可考虑引入MIMO技术、高阶调制方案等手段来优化系统性能；具体而言，在现有技术基础上可考虑引入MIMO技术、高阶调制方案等手段来优化系统性能；这一改进思路对于推动反向散射通信技术的实际应用具有重要意义

4 结束语

反向散射通信设备通过调制其他设备或环境中的射频信号来传递自身信息；
新型反向散射通信技术具备低功耗、低成本、易于维护以及便于部署等特点，
这些特征能够充分满足未来6G网络的需求；
本文系统阐述了新型反向散射通信技术的基本原理及其发展历程，
并详细探讨了当前领域的最新研究成果，
同时深入分析其应用前景及未来研究方向；
最后呼吁产业界共同致力于该技术的发展与推广工作，
以进一步推动其在实际应用中的普及与完善。