面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)的反向散射通信綜述

張曉茜，徐勇軍

（1.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2.數(shù)智化通信新技術(shù)應(yīng)用研究中心，重慶 400065；3.移動通信技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶 400065）

0 引言

2021 年，工業(yè)和信息化部等八部門發(fā)布《物聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)三年行動計劃（2021—2023 年）》，其中指出“我國要加速推進全面感知、泛在連接、安全可信的物聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加快技術(shù)創(chuàng)新，壯大產(chǎn)業(yè)生態(tài)，深化重點領(lǐng)域應(yīng)用，推動物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展，不斷培育經(jīng)濟新增長點，有力支撐制造強國和網(wǎng)絡(luò)強國建設(shè)”。同年12 月，陜西省人民政府辦公廳發(fā)布《“十四五”制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃》，其中強調(diào)“要積極探索物聯(lián)網(wǎng)在智慧城市、智能制造、智慧農(nóng)業(yè)等方面的應(yīng)用創(chuàng)新，大力引導(dǎo)和支持企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能終端研發(fā)成果產(chǎn)業(yè)化”。截止到2022 年8 月，全國有31 個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）相繼推出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展相關(guān)政策，為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展注入催化劑。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對整個國家及區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展使人們的日常生活更加絢麗多彩，例如，智慧停車場可以實現(xiàn)停車位查找、自動停車、分區(qū)信息顯示等功能；智慧物流可以實現(xiàn)車輛跟蹤、物品追溯等功能[1-6]。另外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在智慧城市、智能交通、智慧工廠等眾多的垂直領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，從而對傳感器的尺寸、成本、電池壽命等提出了更高的要求?；诖?，零功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運而生。2022 年4 月，OPPO 研究院提出了業(yè)內(nèi)首個《零功耗通信》白皮書，并指出“零功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的良好互補，從而滿足多層次、多維度的物聯(lián)網(wǎng)通信需求，將是下一代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)之路”[7]。

零功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對實現(xiàn)6G 全場景、全頻譜、全業(yè)務(wù)、立體深度覆蓋有著重要作用[8-21]?；谠摷夹g(shù)的超低功耗、多功能、極簡化結(jié)構(gòu)、靈活部署和極低成本等特點，零功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以滿足多種應(yīng)用場景的需求，例如，在高密度數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹腔坜r(nóng)業(yè)場景中部署零功耗傳感器來收集作物、土壤、環(huán)境等信息；在高流通量的智慧物流場景中部署零功耗標(biāo)簽，對物品進行定位與追蹤甚至溯源。具體而言，零功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有如下優(yōu)勢。

1) 免電池

零功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠收集環(huán)境中的射頻能量，并以低功耗的方式進行反向散射數(shù)據(jù)傳輸。因此，該技術(shù)對功耗需求極低，進而可以實現(xiàn)無源通信。能夠應(yīng)用于如列車軌道監(jiān)測、工業(yè)產(chǎn)線、高寒地帶環(huán)境監(jiān)測（如青海海北高寒草地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)）等物聯(lián)網(wǎng)場景，不需要過多的人力維護。

2) 易部署

在零功耗物聯(lián)網(wǎng)中，通信節(jié)點主要包含反向散射通信模塊和超低功耗電路模塊，能夠做到極簡化的結(jié)構(gòu)設(shè)計。因此，通信節(jié)點能夠以小巧的形態(tài)嵌入服飾，既有裝飾作用又有定位功能；同時，其可嵌入智能家具，滿足用戶需求與提升使用體驗。

3) 全覆蓋

在零功耗物聯(lián)網(wǎng)中，通信節(jié)點利用環(huán)境射頻能量收集來保障數(shù)據(jù)傳輸暢通。通過在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中部署合適的射頻源，就可以滿足大規(guī)模、廣分布的零功耗設(shè)備在全時域、全區(qū)域、全頻域不間斷地進行無線供能與數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

綜上所述，反向散射通信是零功耗物聯(lián)網(wǎng)中的一種核心技術(shù)。在面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)的反向散射通信物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，射頻源廣播發(fā)送射頻能量信號，反向散射節(jié)點（含有射頻能量收集模塊、信息傳輸模塊等）收集環(huán)境中的射頻能量，以天線阻抗匹配的方式調(diào)節(jié)反向散射系數(shù)大小，并將自身信息以反向散射的方式發(fā)送給信號接收設(shè)備；與此同時，通過無線能量收集模塊給設(shè)備本身自供電。典型的零功耗物聯(lián)網(wǎng)反向散射通信場景如圖1 所示。本文內(nèi)容的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 典型的零功耗物聯(lián)網(wǎng)反向散射通信場景

圖2 本文內(nèi)容的邏輯結(jié)構(gòu)

1 零功耗反向散射通信技術(shù)簡介

零功耗反向散射通信技術(shù)是一種通過收集通信節(jié)點周圍的射頻無線電獲得能量以驅(qū)動無源終端工作的新型傳輸模式，在該系統(tǒng)中通信節(jié)點可以同時實現(xiàn)無線能量收集與反向散射通信。另外，無源節(jié)點具有簡單的射頻和基帶電路結(jié)構(gòu)，滿足極簡化結(jié)構(gòu)、極低成本與超低功耗的全場景物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)計的需求[22-30]。零功耗反向散射通信的基本原理如圖3 所示。

圖3 零功耗反向散射通信基本原理

反向散射系統(tǒng)主要包含3 個部分：射頻源、反向散射節(jié)點、信息接收機。從圖3(a)中可以發(fā)現(xiàn)，反向散射節(jié)點的電路結(jié)構(gòu)主要由能量收集器、微型電池、調(diào)制模塊、信息編碼器和開關(guān)組成。該節(jié)點可以收集周圍環(huán)境中的入射信號并以反向散射的方式進行信號傳輸，且將多余的能量存儲于微型電池中。為了更好地體現(xiàn)反向散射通信系統(tǒng)低功耗傳輸特點，表1 總結(jié)了幾種反向散射模式的功耗與速率[26]。

表1 反向散射模式的功耗與速率

反向散射通信的實現(xiàn)過程如下。反向散射主要利用電磁波反向散射耦合方式進行通信，在發(fā)射激勵信號的前提下通過改變天線的阻抗來實現(xiàn)通信。當(dāng)信號到達具有不同阻抗或密度的2 種介質(zhì)之間的邊界時，該信號被反射，反射量通常由阻抗或密度值的差異決定。調(diào)節(jié)天線端口處的阻抗可以調(diào)制入射信號從而使設(shè)備自身信息能夠被反射出去。而實現(xiàn)這一功能主要是靠調(diào)節(jié)天線阻抗和改變天線反射能量的開關(guān)。該開關(guān)由連接在偶極子天線的2 個分支上的晶體管組成，開關(guān)的輸入信號是一組 01 序列。標(biāo)簽（即反射節(jié)點）采用二進制鍵控的方式實現(xiàn)信息傳送。當(dāng)開關(guān)輸入信號為0 時，晶體管關(guān)閉，阻抗匹配，反射信號減少；當(dāng)開關(guān)輸入信號為1 時，晶體管導(dǎo)通，短路天線的2 個分支產(chǎn)生較大的反向散射信號幅度。因此，開關(guān)在反射和吸收狀態(tài)之間進行切換，以將數(shù)據(jù)傳送到信息接收機，從而達到反射通信的目的[27]。

1) 改變振幅。二進制振幅鍵控反向散射調(diào)制原理如圖3(c)所示，從圖3(c)中可以得到反向散射系數(shù)隨阻抗變化的關(guān)系。當(dāng)分別連通b 端和c 端時，得到的反向散射系數(shù)表達式分別為[30]。因此，微控制器就可以通過控制開關(guān)在多個阻抗之間切換，實現(xiàn)對反射信號幅度的調(diào)節(jié)。

2) 改變相位。設(shè)備通過在時域中延遲信號來改變相位。為了在反射信號上引入一個附加的相位Δθ，可以將設(shè)備信息信號延遲。在設(shè)備上產(chǎn)生的Δθ相位偏移會導(dǎo)致反向散射信號偏移Δθ[27]。

3) 改變頻率。設(shè)備只需要改變射頻晶體管的頻率即可實現(xiàn)[27]。

2 6G 零功耗反向散射通信的典型應(yīng)用場景

“綠色泛在”是6G 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要方向，零功耗反向散射通信技術(shù)憑借其自身的免電池、易部署等特點，在6G 網(wǎng)絡(luò)中將發(fā)揮重要作用[7,31-42]。在某些特定情況下，如工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智慧農(nóng)業(yè)、智能交通等大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接場景，僅依靠傳統(tǒng)的有源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)會產(chǎn)生巨大的能量消耗，且受設(shè)備自身復(fù)雜結(jié)構(gòu)限制，無法滿足超低功耗、靈活部署、低成本的需求。下面將闡述6G 零功耗反向散射通信的典型應(yīng)用場景。

2.1 工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

由于工業(yè)環(huán)境的特殊性，感知設(shè)備在其性能、體積、材質(zhì)等方面需要滿足一定的指標(biāo)要求。6G網(wǎng)絡(luò)中工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求大量的傳感節(jié)點具備抗腐蝕性、耐高溫、結(jié)構(gòu)小巧、低成本、靈活部署等特性[38-39]。然而，當(dāng)前的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器功耗較大，并不滿足未來6G 低功耗的需求。因此，將零功耗反向散射通信技術(shù)引入工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可以保障工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器在工業(yè)生產(chǎn)中以低功耗的方式實現(xiàn)信息交互，這將大大降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本與能量成本，如圖4 所示。

圖4 面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2.2 智能交通

在未來6G 網(wǎng)絡(luò)中，智能交通可以解決交通擁堵、道路利用率不高、交通資源浪費、交通設(shè)施成本高等問題，同時能夠減少交通事故的發(fā)生，從而有效地提升城市交通系統(tǒng)運行效率。圖5 給出了面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，將零功耗路側(cè)感知節(jié)點、零功耗壓力傳感器、零功耗視覺感知設(shè)備等廣泛部署于交通沿線，可以對道路車流量、路面狀況、路側(cè)人流量等進行監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)上傳至邊緣智能終端，進而通過數(shù)據(jù)運算對路面通行車輛進行有效疏導(dǎo)，確保整個城市的交通系統(tǒng)高效有序地運轉(zhuǎn)。

圖5 面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)

2.3 智能家居

智能家居以住宅為平臺，通過物聯(lián)網(wǎng)將室內(nèi)外各種設(shè)備有機連接成一個整體，利用多種智能傳感器、驅(qū)動裝置來實現(xiàn)不同功能，使家居環(huán)境更加安全、便利。在零功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的加持下，未來智能家居系統(tǒng)將更具智能化與低功耗[43-44]。零功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)賦予傳感器、標(biāo)簽等無源設(shè)備靈活部署和易于維護的能力，例如，零功耗反向散射標(biāo)簽或傳感器可以置于室內(nèi)或室外。面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)（如圖6所示）利用部署在室內(nèi)的多個射頻源（如Wi-Fi 路由）為零功耗節(jié)點供能，然后通過反向散射通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芙K端設(shè)備上。因此，零功耗反向散射通信技術(shù)能夠拓展物聯(lián)網(wǎng)在智能家居場景中的應(yīng)用，如信息定位、數(shù)據(jù)監(jiān)測、智能控制等。

圖6 面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)

2.4 智能可穿戴設(shè)備

智能可穿戴設(shè)備是以使用者為中心，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將使用者所佩戴的多種設(shè)備進行無線連接，在健康監(jiān)測、移動感知、智慧生活、精確定位等領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用[45-47]。目前流行的產(chǎn)品形態(tài)有智能眼鏡、智能手表、可背負血壓監(jiān)測儀等，但這些設(shè)備的功耗較高且體積較大。在零功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的加持下，可穿戴設(shè)備的能量供給方式從傳統(tǒng)的充電方式改變?yōu)闊o線供能的方式（即無線能量收集）。因此，未來零功耗穿戴設(shè)備兼具結(jié)構(gòu)簡單、功耗極低、柔性可折疊等特性，從而可以極大地改善用戶體驗。綜上所述，零功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將更好地應(yīng)用于智能可穿戴設(shè)備，如圖7 所示。

圖7 面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)的智能可穿戴設(shè)備

2.5 智能醫(yī)療

智能醫(yī)療以醫(yī)患為重心，在6G 網(wǎng)絡(luò)中要實現(xiàn)患者與醫(yī)務(wù)人員、醫(yī)療機構(gòu)、醫(yī)療設(shè)備之間的良性互動，達到醫(yī)療信息化的目的[48-50]。在醫(yī)院內(nèi)部業(yè)務(wù)場景，可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將醫(yī)院內(nèi)部業(yè)務(wù)信息化，例如，實現(xiàn)對醫(yī)藥物品與患者信息的智能化管理、醫(yī)療流程操作、手術(shù)與醫(yī)療辦公的信息化等。在醫(yī)院外部業(yè)務(wù)場景，主要是利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備對患者身體狀況進行監(jiān)測。但是現(xiàn)有的醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備存在功耗偏高、體積較大等問題。因此，面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)的智能醫(yī)療系統(tǒng)（如圖8 所示）能有效解決上述問題。具體來講，依托零功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)療器件能夠提供極低時延的醫(yī)療數(shù)據(jù)傳輸與信息互聯(lián)共享，滿足極低的能耗和免電池配置需求，體積足夠小巧且可以精準上傳醫(yī)療數(shù)據(jù)。

圖8 面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)的智能醫(yī)療系統(tǒng)

2.6 智慧農(nóng)業(yè)

智慧農(nóng)業(yè)是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)字化、智能化、精準化的重要科技手段，對促進增產(chǎn)增收和改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境具有不可忽視的作用[51-52]。其體現(xiàn)為利用多種物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境數(shù)據(jù)，如土壤營養(yǎng)狀況、環(huán)境狀況、作物生長狀況等，為作物的營養(yǎng)分析和生長調(diào)節(jié)提供數(shù)據(jù)支撐。智慧農(nóng)業(yè)最主要的是實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)，而實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)需要監(jiān)測大量的實時數(shù)據(jù)，從而會增加數(shù)據(jù)采集、能量消耗以及建設(shè)成本。因此，面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)（如圖9 所示）具有重要的發(fā)展?jié)摿?。例如，零功耗物?lián)網(wǎng)傳感器集超低功耗、極低成本、靈活部署、多連接等特點于一身，這恰恰滿足了智慧農(nóng)業(yè)在大規(guī)模數(shù)據(jù)監(jiān)測與無線信息傳輸方面的需求。

圖9 面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)

2.7 智慧服務(wù)

智慧服務(wù)旨在利用先進的科學(xué)技術(shù)為人們打造智能化、全面化、便捷化的生活，涉及物流、超市、圖書館等多個領(lǐng)域，全面涵蓋日常生活的所有需求。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的加持下，可實現(xiàn)服務(wù)信息的采集與識別、智能化管理運作、自主或半自主服務(wù)等。但與此同時，隨著服務(wù)需求與服務(wù)質(zhì)量的提升，需要部署大量的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點與傳感器，這使服務(wù)成本與功耗需求劇增。零功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有低功耗與低成本、穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)奶攸c，可以大大降低服務(wù)成本，實現(xiàn)人與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間實時性更高的數(shù)據(jù)交互，使服務(wù)更加透明化、高效化、精準化。因此，零功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是智慧服務(wù)行業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)引擎，如圖10 所示。

圖10 面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)的智慧服務(wù)系統(tǒng)

3 零功耗物聯(lián)網(wǎng)反向散射通信體系架構(gòu)

3.1 零功耗物聯(lián)網(wǎng)通信體系架構(gòu)

零功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及多個領(lǐng)域，在不同的行業(yè)通常具有不同的應(yīng)用需求和技術(shù)形態(tài)。為此，需要設(shè)計不同的體系架構(gòu)以滿足不同場景中各節(jié)點與設(shè)備間的互聯(lián)互通、互操作的通信需求。零功耗物聯(lián)網(wǎng)通信體系架構(gòu)主要包含集中式體系架構(gòu)、分布式體系架構(gòu)以及分散式體系架構(gòu)，如圖11 所示。

1) 集中式體系架構(gòu)

集中式體系架構(gòu)是指物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中存在一個集中信息管理與資源調(diào)度的信息接入點或物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，通過全局信息調(diào)度（如頻譜、信道等）來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)高性能傳輸，如圖11(a)所示。在該體系架構(gòu)中，所有的資源分配與性能評估都是基于全局信息，也就是說需要搜集各個反向散射節(jié)點的距離、空間位置、傳輸能力、能源狀態(tài)等，實現(xiàn)全網(wǎng)信息集中式管理與優(yōu)化。該架構(gòu)的主要優(yōu)勢是可以掌握全局信息，改善邊緣節(jié)點傳輸性能，能夠適用于稀疏或密集型傳感器通信場景，基于全局信息的掌控能有效提升系統(tǒng)維護與運營的效率。與此同時，該架構(gòu)存在接入點緩存壓力大、計算任務(wù)調(diào)度復(fù)雜、資源配置難以均衡等問題，且反射節(jié)點與接入點頻繁的信息交互會導(dǎo)致時延增大。

圖11 零功耗物聯(lián)網(wǎng)通信體系架構(gòu)

2) 分布式體系架構(gòu)

分布式體系架構(gòu)是指物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，無集中信息管理節(jié)點或控制單元，即通過去中心化思想來實現(xiàn)各節(jié)點的有效通信，如圖11(b)所示。該體系架構(gòu)具有網(wǎng)絡(luò)抗毀性優(yōu)勢，當(dāng)某一節(jié)點毀壞或通信中斷，原物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)拓撲自適應(yīng)技術(shù)重新建立通信連接，這是與集中式體系架構(gòu)最大的區(qū)別，即當(dāng)集中式節(jié)點被毀壞時，整個網(wǎng)絡(luò)將癱瘓。分布式體系架構(gòu)能夠減小網(wǎng)絡(luò)傳輸時延，通過節(jié)點對周圍環(huán)境與業(yè)務(wù)（即局部信息）的感知，而無須獲取與估計全局信息，提高了網(wǎng)絡(luò)調(diào)度與資源利用率的性能。此外，該體系架構(gòu)不高度依賴于網(wǎng)管中心，從而可以有效拓展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。

3) 分散式體系架構(gòu)

分散式體系架構(gòu)是上述2 種體系架構(gòu)的一種融合形式，即多個物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點通過分簇的形式形成多個子網(wǎng)絡(luò)，每個子網(wǎng)絡(luò)由一個中心節(jié)點進行集中式通信與網(wǎng)絡(luò)控制，而多個分簇中心節(jié)點間可通過分布式方式實現(xiàn)通信，如圖11(c)所示。

3.2 零功耗通信傳輸系統(tǒng)

針對不同的應(yīng)用場景，面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的反向散射通信網(wǎng)絡(luò)所展現(xiàn)的傳輸模式和通信系統(tǒng)存在較大差異，如智能反射表面（RIS,reconfigurable intelligent surface）輔助通信、無人機（UAV,unmanned aerial vehicle）通信、認知無線電等技術(shù)的引入會改變當(dāng)前零功耗通信網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)并提升系統(tǒng)性能。因此，本節(jié)主要從通用型反向散射通信系統(tǒng)、反向散射協(xié)作通信系統(tǒng)、RIS 輔助的反向散射通信系統(tǒng)、UAV 輔助的反向散射通信系統(tǒng)、認知反向散射通信系統(tǒng)5 個方面進行概述。

1) 通用型反向散射通信系統(tǒng)

通用型反向散射通信系統(tǒng)包含環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)和雙站反向散射通信系統(tǒng)[53-55]，如圖12 所示。具體來講，在環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)中（圖12(a)），零功耗標(biāo)簽（即無源設(shè)備）利用周圍環(huán)境射頻源（如電視信號、Wi-Fi 信號）的電磁波信號，實現(xiàn)無線能量收集的同時將信息以反向散射的方式傳送給信息接收機，如標(biāo)簽信息采集系統(tǒng)。在雙站反向散射通信系統(tǒng)中（圖12(b)）中，零功耗標(biāo)簽利用部署在附近的載波發(fā)射器所產(chǎn)生的已知頻率的載波信號，將標(biāo)簽自身信息加載到載波信號中，并反射給信息接收機，如射頻識別系統(tǒng)。

圖12 通用型反向散射通信系統(tǒng)

2) 反向散射協(xié)作通信系統(tǒng)

反向散射協(xié)作通信系統(tǒng)通過在源端和終端之間部署零功耗中繼節(jié)點，以對抗路損和雙重衰落的影響，從而建立源端到終端的通信，旨在增強信號覆蓋、提高信道容量、降低網(wǎng)絡(luò)能耗等[56-60]。在該系統(tǒng)中主要包含三類典型網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)（如圖13所示）：零功耗網(wǎng)關(guān)中繼通信傳輸系統(tǒng)、混合零功耗中繼通信傳輸系統(tǒng)以及多跳零功耗中繼通信傳輸系統(tǒng)。具體內(nèi)容如下。

圖13 反向散射協(xié)作通信系統(tǒng)

①零功耗網(wǎng)關(guān)中繼通信傳輸系統(tǒng)（圖13(a)）。在該系統(tǒng)中，零功耗網(wǎng)關(guān)收集并存儲周圍環(huán)境中的射頻能量，接收附近節(jié)點的反射信號并解碼其信息，然后以主動傳輸?shù)姆绞较蚧巨D(zhuǎn)發(fā)。該系統(tǒng)適用于室內(nèi)用戶或通信節(jié)點，如智能家居場景。

② 零功耗混合中繼通信傳輸系統(tǒng)（圖13(b)）。在該系統(tǒng)中，零功耗中繼節(jié)點包含無源反向散射中繼節(jié)點（無電量存儲能力）、有源反向散射中繼節(jié)點（有限電量存儲能力）以及模式切換中繼節(jié)點（無源/有源）。在該系統(tǒng)中，反向散射節(jié)點作為中繼節(jié)點通過反向散射通信、收集再轉(zhuǎn)發(fā)通信以及混合通信模式進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與中繼傳輸。與圖13(a)相比，在該系統(tǒng)中，中繼節(jié)點的選擇與零功耗節(jié)點傳輸模式的設(shè)計是很有挑戰(zhàn)的。

③多跳零功耗中繼通信傳輸系統(tǒng)（圖13(c)）。在該系統(tǒng)中，由于物聯(lián)網(wǎng)發(fā)射機和信息接收機之間的距離較遠，無法通過傳統(tǒng)直傳或兩跳的模式實現(xiàn)信息傳輸，因此需要多個中繼節(jié)點進行級聯(lián)通信。該系統(tǒng)可以有效解決終端距離較遠而無法直接通信的問題。

3) RIS 輔助的反向散射通信系統(tǒng)

RIS 輔助的反向散射通信系統(tǒng)（如圖14 所示）利用低成本、低功耗的RIS 來增強零功耗反向散射通信的繞障通信能力、信號增強能力以及傳輸安全能力。具體來講，RIS 是6G 的潛在關(guān)鍵技術(shù)之一，它是一種具有可編程電磁特性的人工電磁表面結(jié)構(gòu)，由大量精心設(shè)計的電磁單元排列組成。通過給電磁單元上的可調(diào)元件施加控制信號，可以動態(tài)地控制這些電磁單元的電磁特性，從而以可編程的方式對空間電磁波進行主動智能調(diào)控，形成幅度、相位、極化和頻率等參數(shù)可控制的電磁波[61]。綜上所述，RIS 可以使接收的電磁波繞開障礙物，有效提高系統(tǒng)信號傳輸?shù)母采w范圍和傳輸效率，可以實現(xiàn)智能、可重構(gòu)的無線環(huán)境[61-68]。基于此，RIS 輔助的反向散射通信將有效提升零功耗物聯(lián)網(wǎng)的通信能力與系統(tǒng)性能，其典型網(wǎng)絡(luò)場景如圖14 所示。具體內(nèi)容如下。

圖14 RIS 輔助的反向散射通信系統(tǒng)

①繞障通信場景（圖14(a)）。在該場景中，RIS 可以解決反向散射節(jié)點與信息接收機之間經(jīng)常受到障礙物（如樹木、建筑等）阻擋而無法實現(xiàn)通信的問題，由于RIS 也是一種低成本、低功耗的器件，因而不會急劇增加原零功耗物聯(lián)網(wǎng)反向散射通信系統(tǒng)的能量消耗與網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，以較小成本提升原系統(tǒng)性能。

②信號增強場景（圖14(b)）。在該場景中，利用超強的電磁調(diào)控能力，RIS 可以解決無線供電設(shè)備信號傳輸能力弱的問題，如M2M/D2D 通信，從而提高信息傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通性。

③安全通信場景（圖14(c)）。在傳統(tǒng)零功耗反向散射通信系統(tǒng)中，由于反射節(jié)點低功耗、低速率的傳輸特點，容易受到外界干擾器或竊聽設(shè)備的嚴重影響，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)存在信息安全隱患。基于此，面向安全通信的RIS 輔助反向散射通信系統(tǒng)可以有效解決上述問題。例如，RIS 可以通過對竊聽設(shè)備發(fā)送干擾信號以降低其接收信號質(zhì)量，或直接增強合法節(jié)點接收信號強度。

4) UAV 輔助的反向散射通信系統(tǒng)

針對零功耗物聯(lián)網(wǎng)中射頻源覆蓋范圍有限、反向散射節(jié)點數(shù)量眾多且受雙重遠近效應(yīng)影響的問題，將UAV 與反向散射通信結(jié)合可以有效解決該問題[69-72]。在UAV 輔助的反向散射通信系統(tǒng)中，主要包含3 種典型通信系統(tǒng)（如圖15 所示）：UAV輔助供能反向散射通信系統(tǒng)、UAV 輔助數(shù)據(jù)采集反向散射通信系統(tǒng)以及UAV 輔助中繼通信反向散射通信系統(tǒng)。具體內(nèi)容如下。

圖15 UAV 輔助的反向散射通信系統(tǒng)

①UAV 輔助供能的反向散射通信系統(tǒng)（圖15(a)）。在該系統(tǒng)中，UAV 通過裝載射頻信號源設(shè)備為地面無源反射節(jié)點供電，節(jié)點以反向散射的方式將數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。因此，該系統(tǒng)可用于地面缺少大型射頻信號源、地面射頻源覆蓋有限以及需要提供視距傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)場景中。

② UAV 輔助數(shù)據(jù)采集的反向散射通信系統(tǒng)（圖15(b)）。在該系統(tǒng)中，UAV 配置信息處理與通信模塊，零功耗物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點利用無人機攜帶的射頻源發(fā)出的射頻信號，經(jīng)反向散射回傳至無人機。因此，無人機可以收集大量分布式零功耗物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的相關(guān)信息，充當(dāng)無線設(shè)備與地面基站的協(xié)作傳輸節(jié)點。

③UAV 輔助中繼通信的反向散射通信系統(tǒng)（圖15(c)）。在該系統(tǒng)中，無人機作為移動中繼將零功耗物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點信息中繼至遠處終端接收機。節(jié)點利用周圍環(huán)境的電磁波，將自身數(shù)據(jù)經(jīng)反向散射傳輸至UAV，UAV 將數(shù)據(jù)中繼至另一基站或其他終端。因此，在節(jié)點分布范圍較廣、與接收機相距較遠等場景中，UAV 可以作為中繼節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)，為地面節(jié)點提供視距鏈路、改善通信質(zhì)量。

5) 認知反向散射通信系統(tǒng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及傳感器數(shù)量的增加，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)頻譜擁擠現(xiàn)象日趨嚴峻，因此，如何在有限的頻譜資源下進一步提升系統(tǒng)容量是一個亟待解決的問題。認知反向散射通信系統(tǒng)能有效解決該問題，傳輸系統(tǒng)如圖16 所示。

圖16 認知反向散射通信系統(tǒng)傳輸架構(gòu)

認知反向散射通信系統(tǒng)由主系統(tǒng)與次系統(tǒng)組成（如圖16(a)所示），主系統(tǒng)是頻譜資源的擁有者，具有較高的頻譜使用權(quán)限，例如Wi-Fi 頻段、蜂窩通信頻段。次系統(tǒng)通常由多個反向散射節(jié)點與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)組成，其通過頻譜感知與接入技術(shù)共享主系統(tǒng)的頻譜資源，并不需要開發(fā)新的頻段（如毫米波、太赫茲），從而以低成本、低開銷的方式解決當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)頻譜效率低的問題。圖16(b)中給出了4 種頻譜共享方式：交替式頻譜共享、下墊式頻譜共享、填充式頻譜共享、混合式頻譜共享[73-78]。不同的頻譜共享模式只會影響次級反向散射節(jié)點功率控制策略的不同，不會影響整個傳輸系統(tǒng)架構(gòu)。

綜上所述，不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)具有不同的傳輸特點與對應(yīng)的應(yīng)用需求，針對現(xiàn)實、具體的零功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，融合各系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)的優(yōu)點能夠形成具有鮮明特點、互補增強的新型體系架構(gòu)，可以豐富零功耗物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)體系、進一步增強邊緣網(wǎng)絡(luò)覆蓋、提高系統(tǒng)頻譜效率、保障系統(tǒng)安全，實現(xiàn)低成本、低功耗、低時延的數(shù)據(jù)通信，進而滿足未來6G 網(wǎng)絡(luò)“萬物智聯(lián)、綠色泛在”的需求。

4 面向6G 零功耗物聯(lián)網(wǎng)的反向散射通信關(guān)鍵技術(shù)探討

6G 以人類需求為根本的“隨時隨地隨心的智慧網(wǎng)絡(luò)”的基礎(chǔ)上進行探索的新一代通信技術(shù)，實現(xiàn)無縫覆蓋和綠色連接，提供全維度、個性化服務(wù)，滿足海量接入、超低時延、低功耗、更高的能效和頻譜利用率的通信需求。為了使零功耗物聯(lián)網(wǎng)在6G各應(yīng)用場景中大放異彩，需要關(guān)注面向6G 零功耗物聯(lián)網(wǎng)的反向散射通信關(guān)鍵技術(shù)。本節(jié)將從太赫茲、通感融合、區(qū)塊鏈3 個維度探討關(guān)鍵技術(shù)與對應(yīng)挑戰(zhàn)問題的關(guān)系，如圖17 所示。

圖17 關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)性問題的關(guān)系

4.1 太赫茲技術(shù)

太赫茲作為6G 中最具突破性的技術(shù)，是解決未來網(wǎng)絡(luò)頻譜擁擠問題、滿足高容量通信需求的關(guān)鍵[79-80]。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與傳感節(jié)點數(shù)量的激增，使零功耗物聯(lián)網(wǎng)頻譜擁擠問題更加嚴峻、高容量系統(tǒng)優(yōu)化更加復(fù)雜。雖然當(dāng)前認知無線電技術(shù)可以解決頻譜空洞的檢測與發(fā)現(xiàn)主用戶的活動情況，但該技術(shù)也增加了零功耗物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的頻譜感知所帶來的功耗劇增與復(fù)雜的信號處理等問題，使其無法在超低功耗物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中進行應(yīng)用（如心電監(jiān)測、核環(huán)境監(jiān)測等）。因此，迫切需要一種不增加反向散射收發(fā)機開銷，且能提供更多頻譜資源的先進技術(shù)。而太赫茲技術(shù)具備超寬頻帶特點，可將其應(yīng)用于零功耗物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，有望實現(xiàn)上述目標(biāo)。例如，利用太赫茲射頻源可以給低功耗反射節(jié)點提供更多的頻譜資源與更強的能量密度，從而提升反向散射節(jié)點接收的能量強度并提供更多的頻譜資源。

4.2 通感融合技術(shù)

現(xiàn)有零功耗物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通信和感知是相互獨立、相互平行的。要么利用節(jié)點的反向散射通信能力實現(xiàn)無線信息傳輸，要么將反射節(jié)點作為感知節(jié)點來實現(xiàn)環(huán)境感知、監(jiān)測的能力，通信與感知層沒有進行一體化設(shè)計。在零功耗物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)感知業(yè)務(wù)需求的激增和通信業(yè)務(wù)向著綠色、高效方向發(fā)展的總體趨勢下，面向該系統(tǒng)的通感融合一體化設(shè)計顯得尤為重要[81-82]。在零功耗物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計之初，考慮在不增加網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和建設(shè)成本的情況下，利用感知輔助通信和通信增強感知的手段來提升系統(tǒng)整體性能。因此，面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)的反向散射通感融合技術(shù)可以有效提升通信傳輸質(zhì)量與環(huán)境感知精度實現(xiàn)感知/通信的高效性，且具備低功耗、低成本、結(jié)構(gòu)簡單、靈活部署等優(yōu)點，可有效促進“雙碳”政策的落地。

4.3 區(qū)塊鏈技術(shù)

當(dāng)前，零功耗物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性設(shè)計主要是從物理層安全技術(shù)與傳統(tǒng)加密技術(shù)來實現(xiàn)的，隨著網(wǎng)絡(luò)攻擊、大規(guī)模節(jié)點接入以及偽基站的存在，使當(dāng)前零功耗物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全性有待進一步加強。為此，將區(qū)塊鏈技術(shù)[83-84]與零功耗物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合能有效解決上述問題。例如，一方面，在反射節(jié)點計算能力有限的場景中，可以將區(qū)塊鏈技術(shù)很好地融入物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中，通過構(gòu)建一個基于資源交易流程的區(qū)塊鏈，用來記錄無線資源的交互信息，采用智能合約避免竊聽節(jié)點或偽節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)，從而增強系統(tǒng)安全性；另一方面，隨著芯片技術(shù)和制造工藝的發(fā)展，未來的反射節(jié)點將具有較強的計算能力，此時，可以在反射節(jié)點處融入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)來提升數(shù)據(jù)上行傳輸?shù)陌踩浴４送?，對于移動邊緣計算輔助的反向散射通信系統(tǒng)，在邊緣服務(wù)器處設(shè)計基于區(qū)塊鏈的加密算法，可以提升系統(tǒng)安全性。綜上所述，基于區(qū)塊鏈的零功耗物聯(lián)網(wǎng)反向散射通信系統(tǒng)利用區(qū)塊鏈去中心化的加密方法應(yīng)用于反射節(jié)點、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等設(shè)備中，從而提升信息數(shù)據(jù)的安全性。

5 零功耗物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)挑戰(zhàn)與未來研究方向

綜上所述，面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)的反向散射通信技術(shù)得到了快速發(fā)展，但依然存在較多具有挑戰(zhàn)性的問題。本節(jié)從零功耗反向散射通信的高性能與低功耗權(quán)衡的極簡收發(fā)機設(shè)計、無線能量收集效率、海量接入與頻譜擁擠3 個維度對面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)的反向散射通信所存在的技術(shù)挑戰(zhàn)與未來研究方向進行探討。

5.1 高性能與低功耗權(quán)衡的極簡收發(fā)機設(shè)計

在面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)的反向散射通信系統(tǒng)中，雖然低功耗是該系統(tǒng)的一個關(guān)鍵特征，但在未來技術(shù)發(fā)展趨勢中，高吞吐量與極致系統(tǒng)性能也需要得到重點關(guān)注，如虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實。然而，在無線通信系統(tǒng)中，高吞吐量性能往往是通過較高的傳輸功率得到的，較低的同頻干擾與中斷概率可以由功率調(diào)節(jié)來實現(xiàn)，因此，低功耗與高性能之間的權(quán)衡在未來技術(shù)發(fā)展中顯得更加重要。如何設(shè)計極簡反向散射收發(fā)機，如低功耗振蕩器、低功耗微處理器等，對該技術(shù)在該方向的突破具有重要意義。

5.2 無線能量收集效率

在6G 零功耗物聯(lián)網(wǎng)場景中（如智慧城市、智慧農(nóng)場等）需要部署大量反向散射通信節(jié)點用于數(shù)據(jù)采集與信息傳輸。然而，當(dāng)前的半導(dǎo)體、相關(guān)元器件和硬件電路設(shè)計等并不能支持更高的能量收集效率，加之不合理的射頻源部署導(dǎo)致節(jié)點供能不足問題的出現(xiàn)，從而導(dǎo)致節(jié)點傳輸中斷與節(jié)點失能。

為解決該問題，可從網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和射頻源部署2 個方面進行探究。在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方面，當(dāng)前大部分研究都采用固定的反向散射系數(shù)，使無線能量收集效率并不高，因此可以基于動態(tài)的頻譜空間和信道資源實現(xiàn)節(jié)點反向散射系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而確保高效的能量收集。在射頻源部署策略方面，未來需要更具智能化的射頻源，能夠根據(jù)所在場景、時段、業(yè)務(wù)類型自適應(yīng)地調(diào)整功率大小，動態(tài)控制射頻覆蓋范圍，從而能夠結(jié)合業(yè)務(wù)需求自主激活相應(yīng)的工作狀態(tài)。此外，在射頻源部署方面，通過多個射頻源協(xié)同供能與空間位置優(yōu)化，可以有效提升射頻覆蓋范圍、覆蓋時段以及節(jié)點附近的射頻信號強度，進而提高零功耗物聯(lián)網(wǎng)能量收集效率。

5.3 海量接入與頻譜擁擠

隨著日常生活的不斷豐富，信息交互與共享越來越頻繁，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點接入密度也隨之呈指數(shù)級增長，使零功耗物聯(lián)網(wǎng)通信朝著大規(guī)模連接、多場景應(yīng)用以及更加高效通信的方向發(fā)展。由此使海量接入與頻譜擁擠的矛盾日益凸顯。6G 太赫茲技術(shù)的出現(xiàn)使上述矛盾有所緩解，憑借超寬頻帶特性能給大量接入節(jié)點更多的可接入頻段來緩解頻譜擁擠，但是當(dāng)前反向散射通信技術(shù)無法適配太赫茲物聯(lián)網(wǎng)，并且需要探索合適的接入方式（如非正交多址接入）與設(shè)計新的節(jié)點接入?yún)f(xié)議，以滿足大量物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的接入需求，降低各密集節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌犯蓴_，保證互聯(lián)互通。

6 結(jié)束語

面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)的反向散射通信由于具有低功耗、低成本、無線能量收集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c，必將成為下一代物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)之一。本文根據(jù)零功耗反向散射通信特性與當(dāng)前研究現(xiàn)狀，對反向散射通信技術(shù)的基本定義、通信原理、應(yīng)用場景與發(fā)展現(xiàn)狀進行了總結(jié)與概括，分別從零功耗工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能交通、智能家居、智能可穿戴設(shè)備、智能醫(yī)療、智慧農(nóng)業(yè)、智慧服務(wù)7 個方面對現(xiàn)有典型垂直應(yīng)用場景進行了分類與總結(jié)。在此基礎(chǔ)上，提出了集中式、分布式、分散式3 種零功耗物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，與通用型網(wǎng)絡(luò)、協(xié)作式網(wǎng)絡(luò)、RIS輔助網(wǎng)絡(luò)、無人機輔助網(wǎng)絡(luò)、認知網(wǎng)絡(luò)5 種網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，并對網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與傳輸原理進行了分類總結(jié)。然后，對6G 零功耗物聯(lián)網(wǎng)反向散射通信中太赫茲、通感融合、區(qū)塊鏈等潛在關(guān)鍵技術(shù)進行闡述。最后，從收發(fā)機設(shè)計、能量收集效率、海量接入頻譜擁擠3 個角度對面向零功耗物聯(lián)網(wǎng)反向散射通信的未來研究方向進行了展望，滿足智簡、高效的通信需求。