無處不在的WiFi設備，成為千億無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的天然基礎

作者：趙小飛

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

無處不在的WiFi設備，成為千億無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的天然基礎

反向散射通信技術(shù)是無源物聯(lián)網(wǎng)標簽和接收系統(tǒng)之間通信的主要方式，可以說是無源物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。近年來，圍繞反向散射通信技術(shù)的創(chuàng)新持續(xù)推進，借助RFID、藍牙、WiFi、蜂窩網(wǎng)絡等信號源作為射頻激勵信號并完成數(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，借助藍牙的反向散射通信也開始商用，基于蜂窩網(wǎng)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(yè)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(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域已有相應產(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行探索。

反向散射通信是無源物聯(lián)網(wǎng)的核心工具

眾所周知，無源物聯(lián)網(wǎng)傳感器和標簽所獲得的能量支持主要來自于光、熱、震動、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，要支持傳感器數(shù)據(jù)的收發(fā)，需要全新的無線通信技術(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)是完成這一任務的主要選擇。

反向散射通信是利用射頻信號反向散射原理，設計出極低功耗的調(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)，通過給戰(zhàn)機上貼上標簽，由雷達發(fā)射信號是否返回判斷是否自己的戰(zhàn)機。1948年美國工程師Stockman提出了反向散射通信技術(shù)系統(tǒng)，由于射頻信號到達物體表面時一部分會被反射，而發(fā)送節(jié)點按照擬發(fā)送信息調(diào)整接收天線和阻抗之間的匹配，增強對入射射頻信號的反射，并將自身獲取的感知數(shù)據(jù)調(diào)制到該反射信號上，完成對數(shù)據(jù)的發(fā)送。這一過程類似于反光鏡，相對于其他通信技術(shù)，反向散射通信無需復雜的射頻結(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，也不需要復雜的基帶處理，因此在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用時能夠大幅降低終端節(jié)點成本。

在實踐中，RFID是反向散射通信已經(jīng)廣泛應用的系統(tǒng)，形成大規(guī)模商用的案例。其工作原理是接收機（一般為RFID閱讀器）發(fā)送射頻激勵信號，激活無源節(jié)點（一般為RFID電子標簽），電子標簽利用反向散射通信將自身信息調(diào)制到該射頻信號上，閱讀器接收到無源電子標簽的反射信號并進行解調(diào)，實現(xiàn)信息傳輸。

傳統(tǒng)反向散射通信系統(tǒng)不過，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，射頻激勵信號源和接收機位于同一設備中，導致發(fā)射和接收自干擾而限制通信距離；另一方面，該系統(tǒng)需要專用的射頻激勵信號來源，限制了無源物聯(lián)網(wǎng)部署的區(qū)域和場景。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，如蜂窩基站、WiFi路由器、電視塔等作為射頻信號來源，向無源節(jié)點發(fā)送激勵信號，結(jié)合射頻能量采集技術(shù)，無源節(jié)點可以從環(huán)境射頻信號源獲取足夠能量，完成數(shù)據(jù)調(diào)制并主動向接收機發(fā)送信號。通過這一設計，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)模應用。這些挑戰(zhàn)包括更加輕量級的調(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、更輕量安全管理機制以及簡化的網(wǎng)絡架構(gòu)等，每一項挑戰(zhàn)都需要投入大量資源進行研發(fā)和工程化試驗。

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)、生活的各類場所基本上都有WiFi信號，因此WiFi作為無源物聯(lián)網(wǎng)標簽反向散射通信的射頻源具有天然優(yōu)勢，通過無處不在的WiFi信號對無源物聯(lián)網(wǎng)標簽進行激勵，將標簽所采集的傳感器數(shù)據(jù)傳輸給接收器，成為無源物聯(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用場景，其標簽成本已非常低廉，對多個行業(yè)產(chǎn)生重大影響，但RFID需要專門的收發(fā)終端來發(fā)送和接收信號，限制了很多應用場景，無源物聯(lián)網(wǎng)目前一個重要的發(fā)展方向就是拋棄專用收發(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)射信號和接收信號的終端，無需進行專門改造即可部署，降低了復雜度和成本，似乎比RFID具有優(yōu)勢。

不過，WiFi反向散射通信技術(shù)主要還存在于理論研究，實際商用比較少，因為它依然存在一些限制，讓其無法形成對RFID的優(yōu)勢。2021年，ACM MobiCom會議收錄的一篇名為《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反向散射通信標簽對電量消耗遠低于有源WiFi設備，但其仍高于RFID標簽，所以WiFi標簽不能僅僅依靠射頻能量采集來供能，需要依賴諸如小型太陽能板等其他能量源；其次，WiFi覆蓋范圍有限，相對于RFID來說，應用場景的擴展有限，因此替代也很有限；另外，一些基于WiFi反向散射通信信號也會和現(xiàn)有的WiFi設備產(chǎn)生干擾。因此，與RFID相比，WiFi不能擴張成一張無源物聯(lián)網(wǎng)廣闊的網(wǎng)絡。

不過，WiFi反向散射通信依然是無源物聯(lián)網(wǎng)的一個重要方向。一般WiFi反向散射系統(tǒng)包括兩個WiFi終端（AP）和一個標簽，兩個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)是如何將標簽的數(shù)據(jù)嵌入WiFi數(shù)據(jù)包中，同時確保它可以被現(xiàn)有的、沒有專門配置的WiFi設備（AP）來解碼。多個團隊圍繞這一問題進行研究，初步形成多個試商用的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)是華盛頓大學研究團隊在其發(fā)表的一篇《Wi-fi Backscatter: Internet Connectivity for RF-powered Devices》論文中提出的，是業(yè)界首個借助已有的商用WiFi設備設計無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，增加了一個WiFi設備，試圖提升傳輸距離和數(shù)據(jù)量，采用了直接序列擴頻技術(shù)，同時避免WiFi信號自干擾，標簽通過不同信道傳輸信號。

3、FreeRider：該系統(tǒng)是2017年一篇論文中提出的，對HitchHike進行了優(yōu)化和擴展，采用正交頻分復用技術(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)的多個不足之處。該系統(tǒng)依然使用使用2個WiFi設備，使無源物聯(lián)網(wǎng)標簽能夠使用開放或加密的802.11n和802.11ac網(wǎng)絡進行符合標準的通信，且無需修改WiFi設備。

實際上，也有部分研究團隊對WiFi設備進行一定程度上的修改，獲得了較好的效果。例如，美國華盛頓大學電子工程學院的研究人員在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，當附近WiFi路由器發(fā)射功率相對較高的射頻信號后，無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點吸收射頻信號并調(diào)制天線反射系數(shù)，將傳感器信息傳遞出去。Passive WiFi無源節(jié)點傳輸速率為1Mbps和11Mbps的數(shù)據(jù)時，所消耗的電量分別僅為14.5μW和59.2μW，這只有正常WiFi節(jié)點電量消耗的萬分之一，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)品已問世，商用進展加速

近日，加拿大初創(chuàng)公司Haila開始對外披露其在WiFi反向散射通信領域的進展。該公司是一家低功耗芯片廠商，近期已開始向業(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，整個產(chǎn)品中包括一個反向散射模塊、一個電源管理單元以及一個專門的Haila核，為WiFi反向散射通信提供賦能，讓無源物聯(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，可以無需對現(xiàn)存的商用WiFi進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，里面有專門的MCU。

實際上，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參考設計，包括了溫度、濕度和壓力傳感器，并進行有效測試，達到了預期目標。

由于對WiFi反向散射技術(shù)的深入研究，Haila在2019年獲得諾基亞公開挑戰(zhàn)賽的獲勝者，得到10萬歐元獎金以及諾基亞和貝爾實驗室的支持；2020年5月獲得500萬美元種子輪投資，領投方包括斯坦福大學，并于2021年8月獲得加拿大可持續(xù)發(fā)展技術(shù)部300萬加元的支持。

雖然Haila公司的WiFi反向散射通信技術(shù)主要還是IP授權(quán)形式開展服務，其技術(shù)能力在各類場景下還未進行規(guī)模驗證，但至少該公司已推出了初步商用的產(chǎn)品，這給一直處于學術(shù)研究、商用緩慢的WiFi反向散射通信帶來一絲希望。

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