反向散射感知：迈向无处不在感知的新思路

中国计算机学会

摘要—无源反向散射标签无须自己产生信号，通过反向散射环境中的无线信号进行通信，极大降低了标签的能量开销、复杂度、成本和物理尺寸。通过大规模部署无源反向散射标签的信号，可以实现对标签的定位追踪，以及对周边环境、人和物体的感知等。

王继良（清华大学）
侯博镡（清华大学）
关键词 ：无源感知 无源反向散射标签

        在尼尔·斯蒂芬森（Neal Stephenson）1992年的科幻小说《雪崩》（Snow Crash）中，一个极为超前的虚拟世界被描绘得栩栩如生。小说中的主人公是一名进入虚拟世界中的自由职业者，在虚拟世界中完成各种任务。在后来的电影《头号玩家》中，玩家能进一步在虚拟世界中与其他玩家或是非玩家角色进行更多交互。最近苹果公司发布了头戴显示设备Apple Vision Pro，并将其定义为全新的下一代计算平台，进一步将虚拟和现实结合到一起的计算平台推向世界。而无处不在的感知是实现这种愿景的重要支撑手段，是物联网发展的一个重要目标，也是未来大规模物联网应用的重要基础。

       实现无处不在的感知是物联网的重要目标，然而基于专用传感器的感知带来了大量的部署和维护开销。无线感知为物联网感知提供了新的思路，其利用环境中的无线信号，通过测量无线信号的变化实现对环境的感知，从而不需要部署专门的传感器，被视为实现普适物联网感知的一个重要手段。近年来，无源反向散射通信技术的出现和发展为无线感知提供了新的思路。在无源反向散射通信场景中，反向散射标签无须主动产生无线信号，而是通过吸收环境中的电磁波或者太阳能等能量，并反向散射环境中的无线信号（激励信号）进行通信[1]。这样的设计极大地降低了设备的能量开销、设计复杂度、制造成本和设备大小，为无处不在的连接提供了重要基础。无源反向散射标签被视为万物互联重要的解决方案之一，其体积小、成本低和易部署等特点，使小到空中飞舞的蜜蜂，大到路上行驶的汽车，都可通过无源反向散射标签互相连接在一起。无源感知基于无源反向散射标签的信号，可以实现对标签的定位追踪，以及对周边环境的感知等，为无处不在的感知提供重要基础条件。

无源反向散射通信

       常见的无源反向散射标签主要有三种工作模式：

       1.标签调频型。此模式下无源反向散射通信的思路是改变环境中激励信号的频率[2]。例如当标签收到环境中的激励信号时，标签通过高频开关产生单频信号将反向散射信号的频率搬移至f+fshift。这样就避免了反向散射信号与环境中原有的激励信号之间的干扰，实现标签自己的通信功能。

       2.标签调幅型。此模式下无源反向散射通信的思路为，通过改变反向散射信号的振幅调制信号[1]。例如标签可以通过选择反射或不反射信号来编码数据，当标签反射信号时，其编码比特信息1；当标签不反射信号时，其编码比特信息0。这样的工作模式不依赖原始激励信号的编码方法，可以扩展到各类信号上。如图1所示，无论激励信号源是Wi-Fi信号、5G信号，还是其他信号，标签都可以通过选择反射或不反射信号编码数据。

       3.标签自调制型。在上面两种模式的基础上，标签可以通过改变反射系数将任意信号f(t)加入到接收的激励信号F(t)中，将激励信号改变为F(t)×f(t)。

反向散射感知基本模式

       通过对收到的标签信号进行分析，可以实现对标签本身甚至是周边环境的有效感知[3]。

       通过分析无源标签反射出来的信号，我们能够对标签的位置、朝向、动态等进行追踪。在实际使用中，我们可以提取信号中的信道状态信息（Channel State Information，CSI），该信息表征了信号在特定频段、特定环境信道传播过程中经历的变化，如图2所示。通过提取信道状态信息，我们可以反向推理出环境的相关情况。具体来说，我们可以将信号变化总结为振幅衰减与相位变化两大特征。例如，在接收端测得信号的CSI为h = aejφ，其中a代表振幅衰减，表示信号从发送标签到接收端振幅的变化，ejφ代表相位变化，表示信号在对应信道传播后发生的相位改变。从CSI中我们可以分析出信号的飞行时间、到达角度和信号指纹等多种信息，用于无源反向散射感知。无线信号在信道中每传播一个波长的距离时，其相位会经历一个周期2π的变换。例如，915 MHz频段的无线信号波长约为32 cm，这意味着对CSI的相位分析可以转换为对标签分米级的精确感知。在家庭环境中，我们给每个物品贴上小巧的无源反向散射标签，通过对标签信号进行分析，就能精确测得每个物体的实时位置和运动轨迹等。

       无源标签的信号经过周围物体和环境反射后，会携带它们对应的信号，因此通过无源标签可以感知周边物体和环境信息。在标签反向散射信号到接收端的过程中，信号受不同环境的影响携带了不同环境信息，例如周边物体或者人的反射会影响信号，我们可以通过分析反向散射标签信号实现对周边环境的感知。例如前面说到的部署在家庭环境中的标签，当环境中出现额外的反射物体时，这些物体也会影响反向散射标签的信号。利用反向散射标签信号，可以分析周边环境如人的状态等。

       以无源标签定位感知为例，我们可以实现如下标签定位、追踪和角度计算：

       1.计算标签的位置和位置变化，对标签进行实时追踪。在接收端对标签感知时，得到的标签反向散射信号是从发送端激励源到标签，再从标签到接收端的。所以我们计算得到的距离是发送端到标签以及标签到接收端的距离之和。结合几何知识，此时我们能够得到以收发端为焦点的一个椭圆，而标签就位于该椭圆上。如图3所示，通过部署多个收发端可得到多个椭圆，不同椭圆的交点即为标签位置。基于此我们可以实现对标签的位置感知和追踪等[4]。

       2.计算标签角度：在接收端我们可以使用天线阵列接收标签信号，由于标签信号在不同天线上的相位不同，天线间的相位差表征了标签信号的到达角度，即相位差。其中λ为信号波长，d为天线间距（通常为半波长），θ为标签信号的到达角度。在接收端计算得到标签角度后，可以确认标签在对应射线上。如图4所示，在多个接收端的基础上，可以计算多条射线，多个射线的交点即为标签位置。

面临的挑战

       无源反向散射感知具备很好的应用前景，但也面临着一系列挑战。

反射信号弱

       标签反射信号的能量较弱。现有硬件设备反射系数受限，即标签在接收到激励信号并反向散射出去后，反向散射信号的能量会比激励信号的能量低很多。根据平方反比定律，无线信号强度随着距离的增加而迅速减小。收发端之间的障碍物也会通过吸收、反射、散射和绕射等方式衰减信号，甚至会阻断信号。较弱的反射信号限制了感知的范围和精度。如何在极弱的反向散射信号下，实现有效的通信和感知，是无源反向散射感知的重要目标。现有的标签感知范围通常是10米以内的级别，如何突破这一距离限制，是反向散射感知走向实际大规模应用需要解决的挑战。

       为此需要不断提高标签反射信号的强度和信噪比。我们在对标签进行设计和探索时观察到，由于标签成本低，硬件设计简单，通过调频形式产生的单频信号并不是完美的单频信号。标签会使用频率为fshift的方波信号代替单频信号，而方波信号可以看作是一系列不同系数的单频信号之和，因此反向散射信号会存在不同频率的谐波。我们可以设计方法将不同的谐波能量聚集起来，进而提高标签信号能量，降低噪声的干扰。

传播路径多

       在无线信号传播中，接收端除了收到从发送端沿直线传播过来的直视路径信号外，还会收到从环境反射而来的多径信号。接收端收到的是多径信号混叠在一起的结果。如图5所示，无源反向散射场景情况更加复杂，标签信号同时受到发送端到标签以及标签到接收端这两部分多径的共同影响，例如图5的例子中，信号的传播路径有2×2 =4种不同的情况。

       为了从混叠信号中分离出我们想要的信号，我们可以让标签反向散射在不同频段上的激励信号，接收端通过将不同频段的信号拼接起来扩大带宽。由于信号时域分辨率与带宽成正比，带宽越大意味着时域分辨率越高。因此在增加带宽的条件下，可以提高信号多径分辨能力，基于不同的到达时间分离不同的多径信号。例如，直视路径信号是沿着最短路径到达接收端的，其到达时间总是最短的。如何推动实际场景反向散射感知的精度从米级别提高到分米、厘米甚至更高级别，是当前迫切需要解决的挑战。

标签不稳定

       无源反向散射标签的硬件设计一般成本较低，功能也较为简单，一方面为大规模部署提供了有利条件，另一方面，低成本的硬件设计也给系统造成了额外的不稳定因素。标签在反射信号和编码数据时会产生相应的误差。例如标签在对反射散射信号进行频率搬移时会产生频率误差，给感知带来了影响。如何消除标签硬件本身带来的误差，是无源反向散射感知需要解决的重要问题。

       我们在实验中观察发现，标签硬件带来的误差在一定时间范围内是相对固定的。因此可以估计标签在一段时间内的误差值，基于估计的误差值对信号进行相应的修正，降低标签硬件不稳定带来的影响。

收发不同步

       在反向散射感知中，激励信号源可以是环境中已经存在的Wi-Fi、5G信号等。而感知信号的接收端和激励信号的发送端以及反向散射标签通常都没有严格同步，这给无源感知带来一系列问题，例如接收端和发送端载波不匹配，当发送端载波频率为915.001 MHz时，接收端载波频率却为914.999 MHz。不匹配的载波会让信道相位计算产生误差，进而影响感知结果。因此，如何有效地降低收发端不同步带来的影响，使得反向散射感知能够适用于不同的信号源，是无源反向散射感知大规模应用需要解决的重要挑战。例如我们在实验中观察到，发送端测量的接收端误差和接收端测量的发送端误差是正好相反的，因此可以让收发端之间交换数据包，从而抵消收发端不同步带来的误差。

并发冲突大

       无源反向散射标签体积小、成本低、易部署，被视为实现普适感知的一个重要手段。在大规模部署时，不同标签信号容易产生冲突，影响感知效果。

       为此我们使不同的标签将反向散射信号的频率搬移至不同的f+fshift处，这样同一个频段内只有一个标签，不存在标签间的干扰。而不同频段之间的标签可以用带通滤波器消除对应的影响，保证感知效果。现有的标签感知通常只能支持几个标签甚至单个标签，如何支持十个、百个甚至更高数量的标签感知，是反向散射感知走向实际应用需要突破的关键挑战。

未来前景

       通过解决上述挑战，无源反向散射感知将逐步走向应用。例如，在工业应用场景中，我们可以给每一个物体（比如冷链运输的货物）附加一个无源反向散射标签，这样能够方便地对物体进行追踪感知。在草原牧场，我们在每头奶牛身上都部署一个无源反向散射标签，标签能把奶牛的体温等传感器数据及时上传到接收端，也能对每个标签进行感知，牧场主通过手机就能实时观测到所有奶牛的位置以及每头奶牛实时的生理特征等。我们甚至可以想象，无源反向散射标签以其成本低、体积小、易部署的优势，以不同形态（如布料等）嵌入到不同物体，比如衣服、茶杯、建筑、设备上等，实现大规模部署，未来我们的环境中，无源反向散射标签将无处不在，就像我们的皮肤一样，实现着无处不在的感知。　■

参考文献：

[1] Jiang J, Xu Z, Dang F, et al. Long-range ambient lora backscatter with parallel decoding[C]// Proceedings of the 27th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking. 2021: 684-696.

[2] Talla V, Hessar M, Kellogg B, et al. Lora backscatter: Enabling the vision of ubiquitous connectivity[J]. Proc. ACM Interact. Mob. Wearable Ubiquitous Technol, 2017, 1(3):1-24.

[3] Peng Y, Shangguan L, Hu Y, et al. Plora: A passive long-range data network from ambient lora transmissions[C]// Proceedings of the 2018 Conference of the ACM Special Interest Group on Data Communication. 2018:147-160.

[4] Jiang J, Wang J, Chen Y, et al. LocRa: Enable practical long-range backscatter localization for low-cost tags[C]// Proceedings of the 21st Annual International Conference on Mobile Systems, Applications and Services (MobiSys '23), 2023:317-329.

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