零功耗的無線黑科技，物聯網的救星？|半導體行業觀察

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隨著物聯網的發展，感測器會越來越多地分布到日常生活中。感測器分布在各個角落，通常需要保證至少能不跟換電池使用一年以上（尤其是對於植入人體的感測器更是如此，因此更換電池需要做手術成本和安全性都有問題）；而且，出於感測器成本和尺寸的考慮，感測器內置電池的電量不可能太大。

另一方面，為了能傳遞感測器收集到的信息，感測器通常需要使用無線連接來與中心節點通信。然而，傳統射頻集成電路的功耗都不低，會過快消耗電池電量。因此，為了進一步普及物聯網感測器，需要設計新的超低功耗射頻電路。

信號傳遞真的需要發射射頻信號嗎？

如何設計超低功耗射頻電路？我們不妨分析物聯網射頻電路中的功耗。首先，作為物聯網中的感測器節點，以發送信息為主，接受端主要是一些控制信息，因此發射端的使用頻率更頻繁；其次，目前的主流無線協議至少要求發射功率達到0dBm，即1 mW，考慮到發射機整體10%左右的效率，即需要至少10mW的整體功耗，這樣的功耗在物聯網感測器應用中就太大了，必須想辦法減小。

那麼，如何降低發射端的功耗呢？除了常規的電路優化提升效率之外，有沒有辦法可以降低功耗呢？我們不妨先看看信息傳遞的物理基礎。根據資訊理論和物理學，傳遞一比特信息需要消耗的能量是kTln2，在常溫下大約為2.75*10-21焦耳，遠小於無線傳輸中每比特數據傳輸消耗大約1*10-12焦耳能量的數字。因此，限制我們的並非物理學基本定律，而是工程學上信號傳遞方式的設計。

我們不妨再想一想，無線傳遞信號，真的需要感測器端發射射頻信號嗎？在日常生活中，確實存在著不需要自己消耗能量就傳遞信號的方法。例如，用在航海和野外探險中的日光信號鏡，就是通過不同角度的反射太陽光來傳遞信息。在這裡，信號的載體是太陽光，但是太陽光能量並非傳遞信號的人發射的，而是作為第三方的太陽提供的。所以，我們完全可以實現由第三方提供能量來實現信號傳輸。

陽光信息鏡，使用第三方（太陽）提供的能量作為信息載體，傳遞信息的人本身無需提供信息傳輸能量

無源WiFi-接近零功耗實現無線傳輸

之前提到了使用太陽光可以無需提供能量就傳輸信號的例子。事實上，太陽光和我們常規無線通訊使用的都是電磁波，因此我們完全可以把陽光反射鏡移植到無線通訊中。

最早這種方法使用在了衛星通訊中。由於衛星通訊中衛星和地面基站距離很遠，信號衰減很大，因此需要非常強的信號發射功率，顯然在地面發射大功率會比在衛星發射大功率要簡單一些。因此，工程師們的解決辦法就是在衛星上安裝可以調製反射光的發射器（retro-reflector），而由地面來發射大功率信號（照射信號）。該發射器可以通過改變反射器角度來調製反射信號來傳遞信息。舉例來說，當衛星完全反射地面發出的信號時表示1，而當完全沒有反射時表示0，這樣就可以實現衛星不發射無線信號的無線傳輸。在這裡，地面的發射站就相當於日光反射鏡例子里的太陽，而衛星上的反射器則相當於鏡子。

隨著物聯網的普及，使用反射來傳遞信號的方法也開始進入了感測器領域。美國華盛頓大學計算機科學與工程系的教授Shyam GollakotaJoshua和R. Smith提出了Interscatter的概念，並將結果發表在了SIGCOMM上。Interscatter的思路與之前提到的陽光信息鏡以及衛星反射通信相同，也是通過反射來傳遞信息。一個典型的應用例子如下圖，Interscatter晶元是植入體內的感測器或類似RFID的需要超低功耗的晶元，外界的設備（如手錶，藍牙耳機）發射射頻信號（照射信號），Interscatter晶元通過改變天線的阻抗來調製反射信號，該反射信號由手機接收並解調得到Interscatter晶元傳遞的信息。在整個過程中，Interscatter晶元並不發射射頻信號，需要做的僅僅是將比特流轉換為對於天線阻抗的調製，因此功耗可以極低。

Interscatter晶元使用場景示意圖，由外界設備發射射頻信號而Interscatter晶元通過改變天線阻抗來調製反射信號完成信息傳遞。整個過程中Interscatter晶元並不產生射頻信號。

在Interscatter之後，華盛頓大學的研究組更是將此概念擴展到了WiFi上，提出了無源WiFi，通過WiFi路由器來發射射頻信號，而無源WiFi晶元只需要負責調製天線阻抗就能通過WiFi協議與路由器通信。由於省去了發射射頻信號這一環節。晶元的功耗主要來源於頻率綜合器以及天線調製模塊（見下圖）。這樣，無源WiFi可以實現高達11Mbps的通信速率，而其功耗僅僅只有50uW。

無源WiFi

在電路系統設計上，passive wifi的基本過程是中心射頻源（路由器等）發射射頻信號至passive wifi晶元，因此需要精確控制波束方向，否則如果多個passive wifi晶元同時反射的話會造成互相干擾，因此在射頻源的部分需要用到波束成形技術。 然而，由於波束不可能每次都對得非常准，於是另一個passive wifi系統的挑戰是多路反射和環境反射。為了解決這個問題，UCLA電子工程系Frank Chang教授帶領的實驗室與NASA／JPL合作完成了一款晶元。這個項目實現了基於反射概念數據率高達54Mbps的晶元組（包括發射端和反射端）外，該晶元組同時還能使用equalization技術解決多路反射的問題。由此可見，無源WiFi不僅能實現低功耗通訊，在數據率方面與傳統WiFi也不遑多讓。 具體論文「A 5.8 GHz 54 Mb/s Backscatter Modulator for WLAN with Symbol Pre-Distortion and Transmit Pulse Shaping」發表在了IEEE Microwave Wireless Component Letters上。

UCLA與JPL合作實現的晶元組，包括發射端和反射端兩部分晶元

當然，無源WiFi也存在自己的局限性。目前，無源WiFi最適合的場景是點對點通信，這樣即可最大化照射信號的利用效率，也能減小不同無源WiFi反射的互相干擾。因此，在需要多節點同時通訊的場合下，無源WiFi並不是最好的選擇 。另外，無源WiFi並不能減小接收機的功耗。綜上所述，無源WiFi最適合的應用場景還是發射端站最主要部分，且無需節點之間通信的物聯網感測器。在未來，為了能讓多個節點同時通信，可以使用類似CDMA的技術。

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