物联网后向散射系统平台与应用之探讨

目前最为流行的后向散射系统平台是WISP,其主要软硬件方案已经开源。WISP以射频读取器的射频信号为能量源,将其整流成直流电压,并用一个大电容加以存储,经过1.8V稳压器给超低功耗的MSP430微控制器供电,实现感知和计算(其内部整合了传感器)随后科研工作者在WISP系统的基础上做了很多优化工作,如更换系统载波源、赋予系统全双工能力、在低功耗下实现多天线或不同的编码技术。这些优化不仅提升了系统吞吐量,而且保证了在穿过墙壁等障碍物情况下传输也有很好的表现。

WISP可以看作是可计算的RFID。保持RFID超低功耗的优点同时,赋予其更多的计算能力。其中,值得思考的问题是计算能力与能耗的权衡。强大的计算能力需要复杂的芯片支持,复杂的芯片通常意味着更高的能耗。由于物联网应用场景的多样性,RFID、WISP以及有源的无线节点,它们的计算能力与能耗之间的比例不尽相同,适用范围也不同。这启发研究者针对不同应用场景,定制不同的低功耗节点设计方案。

此外,IEA实现了主动射频无源节点,最低消耗电流小于0.5uA,采用了双阶能量存储结构,实现了能量的自适应调度,支持节点在无获能环境下唤醒,当能量不足时可间断性运行,断电后10分钟内数据和时钟不丢失,为多跳无源网络提供了有效支撑。

后向散射通信系统的节点如果能连接到互联网,则对于其快速广泛地部署具有重要意义。一类有效的探索是利用现有的Wi-Fi基础设施将后向散射节点连接至互联网,其基本原理是利用后向散射技术,对载波源信号反射的同时进行编码调制,使得反射信号与现有的Wi-Fi协议完全兼容。这类工作中通信距离问题亟待解决。利用波束成形技术定向聚集信号能量,有可能成为后向散射系统提升距离的有效手段。在此基础上,利用多跳机制可以进步防止单节点故障造成的通信系统瘫痪,保证远距离和非视距通信的可靠性。

此外,后向散射系统中有一类无须能量捕获模块的系统,即纯无源通信系统。除了前面讲到的金唇窃听器是其典型代表以外,2018年加州大学圣选戈分校(UCSD)通过人体对天线反射的影响实现人机交互,也是纯无源通信系统的另一代表性工作。但是这类系统还有很多问题有待解决:大规模节点工作时,无法给节点加ID以作区别;系统无法实现计算,功能受到一定程度局限。

后向散射系统优异的低功耗特性使得它被广泛应用。如智慧农田、环境保护、工业监测等。随着后向散射系统的热度不断上升,科研人员们脑洞大开,相继实现了各种各样其他有趣又实用的新型应用。

1. 信息安全:NICScatter通过控制设备的无线网卡(NIC)的阻抗反射周围RF信号,在不通过网络的情况下,将主机中的信息通过开关网卡进行编码,从而可以窃取主机中存储的数据。

2. 智慧交通:RWC设计了一种用于共享自行车的无线可充电节点。该节点收集充电桩发出的射频能量储存于车锁中,同时与充电桩进行数据交互。

3. 与3D打印结合:华盛顿大学设计了第一个完全3D打印的基于后向散射技术的无源、无线传感器,可以随时随地传递信息。基于后向散射的3D打印的互联网连接设备具有传感、游戏、跟踪等广泛应用。

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