作者：赵小飞
智库 原创
导读
2022年全球Wi-Fi产物出货量为38亿件，到2024年将到达41亿件。WiFi产物在事情和生涯场所已经险些“无处不在”，作为现成的无源物联网射频源和吸收器，WiFi存量市场已为基于WiFi的无源物联网市场打下基础。
无处不在的WiFi装备，成为千亿无源物联网节点的自然基础
反向散射通讯手艺是无源物联网标签和吸收系统之间通讯的主要方式，可以说是无源物联网的焦点手艺。近年来，围绕反向散射通讯手艺的创新延续推进，借助、蓝牙、WiFi、蜂窝网络等信号源作为射频激励信号并完成数据传输是主流探索的方式。其中，RFID是行使反向散射通讯最典型也是最成熟的方式，借助蓝牙的反向散射通讯也最先商用，基于蜂窝网络的反向散射通讯在3GPP阵营的推动下正在紧锣密鼓举行尺度化事情，而WiFi反向散射通讯的商业化的希望似乎对照滞后，没有商用化器件的应用。克日，笔者发现一家名为Haila的加拿大初创企业在WiFi反向散射通讯芯片领域已有响应产物和商业模式推出，为基于WiFi的反向散射通讯落地商用率先举行探索。
反向散射通讯是无源物联网的焦点工具
众所周知，无源物联网传感器和标签所获得的能量支持主要来自于光、热、震惊、射频等环境能量，能够采集的能量异常微弱，一样平常仅有微瓦级，要支持传感器数据的收发，需要全新的无线通讯手艺，使通讯能耗下降至数十微瓦甚至十微瓦以下，反向散射通讯手艺是完成这一义务的主要选择。
反向散射通讯是行使射频信号反向散射原理，设计出极低功耗的调制与传输手艺。反向散射通讯最早起源于第二次天下大战，通过给战机上贴上标签，由雷达发射信号是否返回判断是否自己的战机。1948年美国工程师Stockman提出了反向散射通讯手艺系统，由于射频信号到达物体外面时一部门会被反射，而发送节点根据拟发送信息调整吸收天线和阻抗之间的匹配，增强对入射射频信号的反射，并将自身获取的感知数据调制到该反射信号上，完成对数据的发送。这一历程类似于反光镜，相对于其他通讯手艺，反向散射通讯无需庞大的射频结构，削减功率放大器、高精度晶振、双工器、高精度滤波器等器件使用，也不需要庞大的基带处置，因此在物联网系统中使用时能够大幅降低终端节点成本。
在实践中，RFID是反向散射通讯已经普遍应用的系统，形成大规模商用的案例。其事情原理是吸收机（一样平常为RFID阅读器）发送射频激励信号，激活无源节点（一样平常为RFID电子标签），电子标签行使反向散射通讯将自身信息调制到该射频信号上，阅读器吸收到无源电子标签的反射信号并举行解调，实现信息传输。
传统反向散射通讯系统不外，以RFID为代表的传统反向散射通讯手艺存在多方面的不足，集中显示在：一方面，射频激励信号源和吸收机位于统一装备中，导致发射和吸收自滋扰而限制通讯距离；另一方面，该系统需要专用的射频激励信号泉源，限制了无源物联网部署的区域和场景。因此，业界提出了环境反向散射通讯手艺，即行使周边环境中普遍存在的射频信号，如蜂窝基站、WiFi路由器、电视塔等作为射频信号泉源，向无源节点发送激励信号，连系射频能量采集手艺，无源节点可以从环境射频信号源获取足够能量，完成数据调制并自动向吸收机发送信号。通过这一设计，能够显著降低滋扰和功耗，大幅提升通讯距离。
环境反向散射通讯系统
虽然环境反向散射通讯是无源物联网最为理想的通讯手艺，但仍然存在诸多手艺挑战，限制其大规模应用。这些挑战包罗加倍轻量级的调制和编码手艺、更高效的多址方式、更天真的资源治理方式、更轻量协议栈、更轻量平安治理机制以及简化的网络架构等，每一项挑战都需要投入大量资源举行研发和工程化试验。
WiFi反向散射通讯从理论到工程化
WiFi是现在最为普遍使用的局域通讯手艺之一，人们生产、生涯的种种场所基本上都有WiFi信号，因此WiFi作为无源物联网标签反向散射通讯的射频源具有自然优势，通过无处不在的WiFi信号对无源物联网标签举行激励，将标签所采集的传感器数据传输给吸收器，成为无源物联网低成本落地方式。
正如前文所述，RFID是反向散射通讯最典型的应用场景，其标签成本已异常低廉，对多个行业发生重大影响，但RFID需要专门的收发终端来发送和吸收信号，限制了许多应用场景，无源物联网现在一个主要的生长偏向就是甩掉专用收发终端。WiFi反向散射通讯就是借助尤其是借助已有部署的WiFi路由器作为发射信号和吸收信号的终端，无需举行专门刷新即可部署，降低了庞漂亮和成本，似乎比RFID具有优势。
不外，WiFi反向散射通讯手艺主要还存在于理论研究，现实商用对照少，由于它依然存在一些限制，让其无法形成对RFID的优势。2021年，ACM MobiCom聚会收录的一篇名为《Verification: can wifi backscatter replace RFID?》的论文研究了WiFi反向散射通讯的不足之处，主要包罗：首先，虽然WiFi反向散射通讯标签对电量消耗远低于有源WiFi装备，但其仍高于RFID标签，以是WiFi标签不能仅仅依赖射频能量采集来供能，需要依赖诸如小型太阳能板等其他能量源；其次，WiFi笼罩局限有限，相对于RFID来说，应用场景的扩展有限，因此替换也很有限；另外，一些基于WiFi反向散射通讯信号也会和现有的WiFi装备发生滋扰。因此，与RFID相比，WiFi不能扩张成一张无源物联网广漠的网络。
不外，WiFi反向散射通讯依然是无源物联网的一个主要偏向。一样平常WiFi反向散射系统包罗两个WiFi终端（AP）和一个标签，两个WiFi终端划分作为射频源和吸收器，WiFi反向散射系统的主要挑战是若何将标签的数据嵌入WiFi数据包中，同时确保它可以被现有的、没有专门设置的WiFi装备（AP）来解码。多个团队围绕这一问题举行研究，劈头形成多个试商用的WiFi反向散射系统，《Verification: can wifi backscatter replace RFID?》研究了主要的系统包罗：
1、Wi-Fi Backscatter：这一系统是华盛顿大学研究团队在其揭晓的一篇《Wi-fi Backscatter: Internet Connectivity for RF-powered Devices》论文中提出的，是业界首个借助已有的商用WiFi装备设计无源反向散射通讯系统，然而由于自滋扰的缘故原由，这一系统的传输距离和数据速率异常有限。
2、HitchHike：该系统是在2016年一篇论文中提出的，它吸收了此前研究者教训，增添了一个WiFi装备，试图提升传输距离和数据量，接纳了直接序列扩频手艺，同时制止WiFi信号自滋扰，标签通过差异信道传输信号。
3、FreeRider：该系统是2017年一篇论文中提出的，对HitchHike举行了优化和扩展，接纳正交频分复用手艺（OFDM）。
4、MOXcatter：该系统是2018年一篇论文中提出的，基于HitchHike和FreeRider事情的基础上延续优化。
5、WiTAG：这是一套全新的系统，制止了此前系统的多个不足之处。该系统依然使用使用2个WiFi装备，使无源物联网标签能够使用开放或加密的802.11n和802.11ac网络举行相符尺度的通讯，且无需修改WiFi装备。
现实上，也有部门研究团队对WiFi装备举行一定水平上的修改，获得了较好的效果。例如，美国华盛顿大学电子工程学院的研究职员在2016年研发着名为Passive WiFi的系统。该手艺基于反向散射通讯，当四周WiFi路由器发射功率相对较高的射频信号后，无源物联网节点吸收射频信号并调制天线反射系数，将传感器信息通报出去。Passive WiFi无源节点传输速率为1Mbps和11Mbps的数据时，所消耗的电量划分仅为14.5µW和59.2µW，这只有正常WiFi节点电量消耗的万分之一，而且能够实现30米的回传距离，甚至有一定的穿墙能力。
WiFi反向散射通讯产物已问世，商用希望加速
克日，加拿大初创公司Haila最先对外披露其在WiFi反向散射通讯领域的希望。该公司是一家低功耗芯片厂商，近期已最先向业界提供基于WiFi反向散射通讯芯片IP授权和手艺相助。现在，该公司焦点产物为定制化的无源反向散射通讯ASIC产物。
这一产物可以形貌为一款1Mbps、接纳2.4GHz ISM频段的WiFi反向散射通讯前端IP，整个产物中包罗一个反向散射模块、一个电源治理单元以及一个专门的Haila核，为WiFi反向散射通讯提供赋能，让无源物联网系统真正甩掉电池。
Haila WiFi反向散射芯片架构
凭证Haila所述，该公司的这款ASIC芯片在20 pW-30 pW电量下事情，已低于最低功耗的射频SoC产物，可以无需对现存的商用WiFi举行任何刷新情形下事情。现在该公司正在打造一款极低功耗的SoC，内里有专门的MCU。
现实上，早在2021年第二季度，Haila就完成了首款芯片的流片，该芯片搭载了其他器件形成一个参考设计，包罗了温度、湿度和压力传感器，并举行有用测试，到达了预期目的。
由于对WiFi反向散射手艺的深入研究，Haila在2019年获得诺基亚果然挑战赛的获胜者，获得10万欧元奖金以及诺基亚和贝尔实验室的支持；2020年5月获得500万美元种子轮投资，领投方包罗斯坦福大学，并于2021年8月获得加拿大可延续生长手艺部300万加元的支持。
虽然Haila公司的WiFi反向散射通讯手艺主要照样IP授权形式开展服务，其手艺能力在种种场景下还未举行规模验证，但至少该公司已推出了劈头商用的产物，这给一直处于学术研究、商用缓慢的WiFi反向散射通讯带来一丝希望。
市场研究机构IDC公布讲述显示，2022年全球Wi-Fi产物出货量为38亿件，到2024年将到达41亿件。WiFi产物在事情和生涯场所已经险些“无处不在”，作为现成的无源物联网射频源和吸收器，WiFi存量市场已为基于WiFi的无源物联网市场打下基础，期待未来更多基于WiFi的无源物联网的创新企业和产物推出，繁荣无源物联网市场。
原文问题 : 无处不在的WiFi装备，成为千亿无源物联网节点的自然基础