1.1 研究目的与意义

反向散射技术是一种近年来兴起的微瓦级低能耗无线通信技术，物联网在很多场景下要求低功耗，对传输速率要求不高^[1]，而反向散射技术刚好能在有效保证低功耗甚至零功耗的同时提供低速率的通信，可以较好地满足物联网对终端节点的需求，受到科学界广泛关注。但目前仍存在如下方面的难点：①无线能量采集。对于物联网，为了提升其信息处理能力和传输能力，未来有一部分节点需要能源供给。若采用电池等存储式能源进行供电，其携带的有限能量难以保证节点在网络中长时间持续工作^[2]，并且更换电池在很多恶劣环境下并不可行。②通信功耗问题。新型反向散射技术利用现有系统的无线信号来获取能量并进行通信，如果采用WiFi、蓝牙等通信方式，其较高的功耗会要求能量收集电路能供给更大的电量，这在传感器能量受限的条件下十分困难^[3]。③通信安全问题。在物联网系统中，各种物联网设备在配对和数据传输的过程中很容易受到主动攻击，如欺骗攻击（spoofing attack）^[4]和拒绝服务（DOS）攻击^[5]等，物联网接入节点（AP）的安全问题已经成为制约物联网乃至智慧城市快速发展的关键因素通信的主要矛盾。将反射散射技术实际运用在传感器节点上，并针对节点能源问题、信号检测问题和信号传输问题这三方面进行研究并提出解决方案，成为物联网乃至智慧城市快速发展所需要的重要助推力。

1.2 国内外的研究现状分析

第一篇关于反向散射技术的学术论文发表于1948年^[6]。随后，反向散射技术和相应的一些RFID产品开始面世，当时的应用主要集中于商品识别和供应方面，电子不停车收费系统（ETC, electronic toll collection）就是典型的应用案例^[7]。这些传统反向散射技术缺点是：受限于距离且需要一个专用的射频信号。因为它要求读写器产生并发送一个射频信号，并要求标签接收并反射回读写器，在这一发一回的过程中，无线信号会经历一个往返的路径衰落。因此，路径损耗大，有效通信距离短^[8]。

为克服这些缺点，学术界近些年提出了各种新型的反向散射技术：双站反向散射（bistatic back-scatter）^[9]、环境反向散射（ambient backscatter）^[10]。 文献^[10]提出了环境反向散射并根据此原理，采取平均接收信号能量的方式设计电路，并给出原型样机，实现了2个无源标签之间利用环境反向散射技术相互通信。文献^[11]在此基础上，设计出物理电路和通信协议，使无源标签和商用的Wi-Fi设备相互通信。但是该原型样机通信速率相对较低。文献^[12]进一步提出根据信道参数改变的信号检测算法，并搭建了物理电路平台，实现了具有较高传输速率且较大通信范围的无线通信装置。

基于全双工的反向散射技术^[13]是将Wi-Fi网关加载读写器的功能，Wi-Fi网关利用全双工技术克服自身的干扰后能将标签或传感器的信息恢复出来；转型反向散射技术（inter-technology backscat-ter）^[14]能把蓝牙信号转换为Wi-Fi信号或ZigBee信号。

可以看到，新型的反向散射技术不仅可以用于RFID系统，而且适用于传感器和物联网^[15]。然而这些新型的反向散射技术在实际的应用场景中仍存在着许多问题，主要有无线能量采集、通信功耗问题、通信安全问题这三大难点。针对无线能量采集问题，本系统采用能量收集（EH, energy harvesting）技术，从射频（RF, radio-frequency）信号中获取能量并供给整个电路工作；在通信方面本系统使用反射RF信号来进行通信，其基本原理为：标签通过反射和不反射收到的无线信号来表示0和1这2种状态，读写器根据反射和不反射信号2种情况下接收信号的差别和特点，采取一定的信号处理方式来检测出这2种状态，这种通信方式的功耗仅为几毫瓦；在通信安全方面，由于反向散射标签的通信是基于弹射环境中的无线信号^[16]，那么由此可以产生一个良好的细粒度多径现象特征，通过对其进行特征提取，则可以运用算法甄别攻击者和合法用户。

本系统在新型反向散射技术的基础上进行改良和硬件设计，利用无线信号获得能量并进行通信，可以让传感器摆脱电池的束缚同时降低通信的功耗，避免频繁的人工维护操作，这具有重大的应用价值。

2. 研究的基本内容与方案

主要研究内容有以下几个方面：

1. 深入了解反向散射技术的基本原理与基本方法；