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。