無(wú)處不在的WiFi設(shè)備，成為千億無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的天然基礎(chǔ)

作者：趙小飛

2022年全球Wi-Fi產(chǎn)品出貨量為38億件，到2024年將達(dá)到41億件。WiFi產(chǎn)品在工作和生活場(chǎng)所已經(jīng)幾乎“無(wú)處不在”，作為現(xiàn)成的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)射頻源和接收器，WiFi存量市場(chǎng)已為基于WiFi的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)打下基礎(chǔ)。

無(wú)處不在的WiFi設(shè)備，成為千億無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的天然基礎(chǔ)

反向散射通信技術(shù)是無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽和接收系統(tǒng)之間通信的主要方式，可以說(shuō)是無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。近年來(lái)，圍繞反向散射通信技術(shù)的創(chuàng)新持續(xù)推進(jìn)，借助RFID、藍(lán)牙、WiFi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等信號(hào)源作為射頻激勵(lì)信號(hào)并完成數(shù)據(jù)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(lán)牙的反向散射通信也開(kāi)始商用，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的反向散射通信在3GPP陣營(yíng)的推動(dòng)下正在緊鑼密鼓進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作，而WiFi反向散射通信的商業(yè)化的進(jìn)展似乎比較滯后，沒(méi)有商用化器件的應(yīng)用。近日，筆者發(fā)現(xiàn)一家名為Haila的加拿大初創(chuàng)企業(yè)在WiFi反向散射通信芯片領(lǐng)域已有相應(yīng)產(chǎn)品和商業(yè)模式推出，為基于WiFi的反向散射通信落地商用率先進(jìn)行探索。

反向散射通信是無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的核心工具

眾所周知，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)傳感器和標(biāo)簽所獲得的能量支持主要來(lái)自于光、熱、震動(dòng)、射頻等環(huán)境能量，能夠采集的能量非常微弱，一般僅有微瓦級(jí)，要支持傳感器數(shù)據(jù)的收發(fā)，需要全新的無(wú)線通信技術(shù)，使通信能耗下降至數(shù)十微瓦甚至十微瓦以下，反向散射通信技術(shù)是完成這一任務(wù)的主要選擇。

反向散射通信是利用射頻信號(hào)反向散射原理，設(shè)計(jì)出極低功耗的調(diào)制與傳輸技術(shù)。反向散射通信最早起源于第二次世界大戰(zhàn)，通過(guò)給戰(zhàn)機(jī)上貼上標(biāo)簽，由雷達(dá)發(fā)射信號(hào)是否返回判斷是否自己的戰(zhàn)機(jī)。1948年美國(guó)工程師Stockman提出了反向散射通信技術(shù)系統(tǒng)，由于射頻信號(hào)到達(dá)物體表面時(shí)一部分會(huì)被反射，而發(fā)送節(jié)點(diǎn)按照擬發(fā)送信息調(diào)整接收天線和阻抗之間的匹配，增強(qiáng)對(duì)入射射頻信號(hào)的反射，并將自身獲取的感知數(shù)據(jù)調(diào)制到該反射信號(hào)上，完成對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送。這一過(guò)程類(lèi)似于反光鏡，相對(duì)于其他通信技術(shù)，反向散射通信無(wú)需復(fù)雜的射頻結(jié)構(gòu)，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(fù)雜的基帶處理，因此在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用時(shí)能夠大幅降低終端節(jié)點(diǎn)成本。

在實(shí)踐中，RFID是反向散射通信已經(jīng)廣泛應(yīng)用的系統(tǒng)，形成大規(guī)模商用的案例。其工作原理是接收機(jī)（一般為RFID閱讀器）發(fā)送射頻激勵(lì)信號(hào)，激活無(wú)源節(jié)點(diǎn)（一般為RFID電子標(biāo)簽），電子標(biāo)簽利用反向散射通信將自身信息調(diào)制到該射頻信號(hào)上，閱讀器接收到無(wú)源電子標(biāo)簽的反射信號(hào)并進(jìn)行解調(diào)，實(shí)現(xiàn)信息傳輸。

傳統(tǒng)反向散射通信系統(tǒng)不過(guò)，以RFID為代表的傳統(tǒng)反向散射通信技術(shù)存在多方面的不足，集中表現(xiàn)在：一方面，射頻激勵(lì)信號(hào)源和接收機(jī)位于同一設(shè)備中，導(dǎo)致發(fā)射和接收自干擾而限制通信距離；另一方面，該系統(tǒng)需要專(zhuān)用的射頻激勵(lì)信號(hào)來(lái)源，限制了無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)部署的區(qū)域和場(chǎng)景。因此，業(yè)界提出了環(huán)境反向散射通信技術(shù)，即利用周邊環(huán)境中廣泛存在的射頻信號(hào)，如蜂窩基站、WiFi路由器、電視塔等作為射頻信號(hào)來(lái)源，向無(wú)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送激勵(lì)信號(hào)，結(jié)合射頻能量采集技術(shù)，無(wú)源節(jié)點(diǎn)可以從環(huán)境射頻信號(hào)源獲取足夠能量，完成數(shù)據(jù)調(diào)制并主動(dòng)向接收機(jī)發(fā)送信號(hào)。通過(guò)這一設(shè)計(jì)，能夠顯著降低干擾和功耗，大幅提升通信距離。

環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)

雖然環(huán)境反向散射通信是無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)最為理想的通信技術(shù)，但仍然存在諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，限制其大規(guī)模應(yīng)用。這些挑戰(zhàn)包括更加輕量級(jí)的調(diào)制和編碼技術(shù)、更高效的多址方式、更靈活的資源管理方式、更輕量協(xié)議棧、更輕量安全管理機(jī)制以及簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等，每一項(xiàng)挑戰(zhàn)都需要投入大量資源進(jìn)行研發(fā)和工程化試驗(yàn)。

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(shù)之一，人們生產(chǎn)、生活的各類(lèi)場(chǎng)所基本上都有WiFi信號(hào)，因此WiFi作為無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽反向散射通信的射頻源具有天然優(yōu)勢(shì)，通過(guò)無(wú)處不在的WiFi信號(hào)對(duì)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽進(jìn)行激勵(lì)，將標(biāo)簽所采集的傳感器數(shù)據(jù)傳輸給接收器，成為無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)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(yīng)用場(chǎng)景，其標(biāo)簽成本已非常低廉，對(duì)多個(gè)行業(yè)產(chǎn)生重大影響，但RFID需要專(zhuān)門(mén)的收發(fā)終端來(lái)發(fā)送和接收信號(hào)，限制了很多應(yīng)用場(chǎng)景，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)目前一個(gè)重要的發(fā)展方向就是拋棄專(zhuān)用收發(fā)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(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的終端，無(wú)需進(jìn)行專(zhuān)門(mén)改造即可部署，降低了復(fù)雜度和成本，似乎比RFID具有優(yōu)勢(shì)。

不過(guò)，WiFi反向散射通信技術(shù)主要還存在于理論研究，實(shí)際商用比較少，因?yàn)樗廊淮嬖谝恍┫拗?，讓其無(wú)法形成對(duì)RFID的優(yōu)勢(shì)。2021年，ACM MobiCom會(huì)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(biāo)簽對(duì)電量消耗遠(yuǎn)低于有源WiFi設(shè)備，但其仍高于RFID標(biāo)簽，所以WiFi標(biāo)簽不能僅僅依靠射頻能量采集來(lái)供能，需要依賴(lài)諸如小型太陽(yáng)能板等其他能量源；其次，WiFi覆蓋范圍有限，相對(duì)于RFID來(lái)說(shuō)，應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)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(hào)也會(huì)和現(xiàn)有的WiFi設(shè)備產(chǎn)生干擾。因此，與RFID相比，WiFi不能擴(kuò)張成一張無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)廣闊的網(wǎng)絡(luò)。

不過(guò)，WiFi反向散射通信依然是無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要方向。一般WiFi反向散射系統(tǒng)包括兩個(gè)WiFi終端（AP）和一個(gè)標(biāo)簽，兩個(gè)WiFi終端分別作為射頻源和接收器，WiFi反向散射系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)是如何將標(biāo)簽的數(shù)據(jù)嵌入WiFi數(shù)據(jù)包中，同時(shí)確保它可以被現(xiàn)有的、沒(méi)有專(zhuān)門(mén)配置的WiFi設(shè)備（AP）來(lái)解碼。多個(gè)團(tuán)隊(duì)圍繞這一問(wèn)題進(jìn)行研究，初步形成多個(gè)試商用的WiFi反向散射系統(tǒng)，《Verification: can wifi backscatter replace RFID?》研究了主要的系統(tǒng)包括：

1、Wi-Fi Backscatter：這一系統(tǒng)是華盛頓大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在其發(fā)表的一篇《Wi-fi Backscatter: Internet Connectivity for RF-powered Devices》論文中提出的，是業(yè)界首個(gè)借助已有的商用WiFi設(shè)備設(shè)計(jì)無(wú)源反向散射通信系統(tǒng)，然而由于自干擾的原因，這一系統(tǒng)的傳輸距離和數(shù)據(jù)速率非常有限。

2、HitchHike：該系統(tǒng)是在2016年一篇論文中提出的，它吸取了此前研究者教訓(xùn)，增加了一個(gè)WiFi設(shè)備，試圖提升傳輸距離和數(shù)據(jù)量，采用了直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，同時(shí)避免WiFi信號(hào)自干擾，標(biāo)簽通過(guò)不同信道傳輸信號(hào)。

3、FreeRider：該系統(tǒng)是2017年一篇論文中提出的，對(duì)HitchHike進(jìn)行了優(yōu)化和擴(kuò)展，采用正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）。

4、MOXcatter：該系統(tǒng)是2018年一篇論文中提出的，基于HitchHike和FreeRider工作的基礎(chǔ)上持續(xù)優(yōu)化。

5、WiTAG：這是一套全新的系統(tǒng)，避免了此前系統(tǒng)的多個(gè)不足之處。該系統(tǒng)依然使用使用2個(gè)WiFi設(shè)備，使無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽?zāi)軌蚴褂瞄_(kāi)放或加密的802.11n和802.11ac網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行符合標(biāo)準(zhǔn)的通信，且無(wú)需修改WiFi設(shè)備。

實(shí)際上，也有部分研究團(tuán)隊(duì)對(duì)WiFi設(shè)備進(jìn)行一定程度上的修改，獲得了較好的效果。例如，美國(guó)華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院的研究人員在2016年研發(fā)出名為Passive WiFi的系統(tǒng)。該技術(shù)基于反向散射通信，當(dāng)附近WiFi路由器發(fā)射功率相對(duì)較高的射頻信號(hào)后，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)吸收射頻信號(hào)并調(diào)制天線反射系數(shù)，將傳感器信息傳遞出去。Passive WiFi無(wú)源節(jié)點(diǎn)傳輸速率為1Mbps和11Mbps的數(shù)據(jù)時(shí)，所消耗的電量分別僅為14.5μW和59.2μW，這只有正常WiFi節(jié)點(diǎn)電量消耗的萬(wàn)分之一，而且能夠?qū)崿F(xiàn)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(chǎn)品已問(wèn)世，商用進(jìn)展加速

近日，加拿大初創(chuàng)公司Haila開(kāi)始對(duì)外披露其在WiFi反向散射通信領(lǐng)域的進(jìn)展。該公司是一家低功耗芯片廠商，近期已開(kāi)始向業(yè)界提供基于WiFi反向散射通信芯片IP授權(quán)和技術(shù)合作。目前，該公司核心產(chǎn)品為定制化的無(wú)源反向散射通信ASIC產(chǎn)品。

這一產(chǎn)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(gè)產(chǎn)品中包括一個(gè)反向散射模塊、一個(gè)電源管理單元以及一個(gè)專(zhuān)門(mén)的Haila核，為WiFi反向散射通信提供賦能，讓無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)真正拋棄電池。

Haila WiFi反向散射芯片架構(gòu)

根據(jù)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(chǎn)品，可以無(wú)需對(duì)現(xiàn)存的商用WiFi進(jìn)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(zhuān)門(mén)的MCU。

實(shí)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(gè)參考設(shè)計(jì)，包括了溫度、濕度和壓力傳感器，并進(jìn)行有效測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

由于對(duì)WiFi反向散射技術(shù)的深入研究，Haila在2019年獲得諾基亞公開(kāi)挑戰(zhàn)賽的獲勝者，得到10萬(wàn)歐元獎(jiǎng)金以及諾基亞和貝爾實(shí)驗(yàn)室的支持；2020年5月獲得500萬(wàn)美元種子輪投資，領(lǐng)投方包括斯坦福大學(xué)，并于2021年8月獲得加拿大可持續(xù)發(fā)展技術(shù)部300萬(wàn)加元的支持。

雖然Haila公司的WiFi反向散射通信技術(shù)主要還是IP授權(quán)形式開(kāi)展服務(wù)，其技術(shù)能力在各類(lèi)場(chǎng)景下還未進(jìn)行規(guī)模驗(yàn)證，但至少該公司已推出了初步商用的產(chǎn)品，這給一直處于學(xué)術(shù)研究、商用緩慢的WiFi反向散射通信帶來(lái)一絲希望。

市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IDC發(fā)布報(bào)告顯示，2022年全球Wi-Fi產(chǎn)品出貨量為38億件，到2024年將達(dá)到41億件。WiFi產(chǎn)品在工作和生活場(chǎng)所已經(jīng)幾乎“無(wú)處不在”，作為現(xiàn)成的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)射頻源和接收器，WiFi存量市場(chǎng)已為基于WiFi的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)打下基礎(chǔ)，期待未來(lái)更多基于WiFi的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新企業(yè)和產(chǎn)品推出，繁榮無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。