隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳感器會(huì)越來越多地分布到日常生活中。傳感器分布在各個(gè)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(duì)于植入人體的傳感器更是如此，因此更換電池需要做手術(shù)成本和安全性都有問題）；而且，出于傳感器成本和尺寸的考慮，傳感器內(nèi)置電池的電量不可能太大。

  另一方面，為了能傳遞傳感器收集到的信息，傳感器通常需要使用無線連接來與中心節(jié)點(diǎn)通信。然而，傳統(tǒng)射頻集成電路的功耗都不低，會(huì)過快消耗電池電量。因此，為了進(jìn)一步普及物聯(lián)網(wǎng)傳感器，需要設(shè)計(jì)新的超低功耗射頻電路。

信號(hào)傳遞真的需要發(fā)射射頻信號(hào)嗎？

  如何設(shè)計(jì)超低功耗射頻電路？我們不妨分析物聯(lián)網(wǎng)射頻電路中的功耗。首先，作為物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)，以發(fā)送信息為主，接受端主要是一些控制信息，因此發(fā)射端的使用頻率更頻繁；其次，目前的主流無線協(xié)議至少要求發(fā)射功率達(dá)到0dBm，即1 mW，考慮到發(fā)射機(jī)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(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用中就太大了，必須想辦法減小。

  那么，如何降低發(fā)射端的功耗呢？除了常規(guī)的電路優(yōu)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(chǔ)。根據(jù)信息論和物理學(xué)，傳遞一比特信息需要消耗的能量是kTln2，在常溫下大約為2.7510-21焦耳，遠(yuǎn)小于無線傳輸中每比特?cái)?shù)據(jù)傳輸消耗大約110-12焦耳能量的數(shù)字。因此，限制我們的并非物理學(xué)基本定律，而是工程學(xué)上信號(hào)傳遞方式的設(shè)計(jì)。

  我們不妨再想一想，無線傳遞信號(hào)，真的需要傳感器端發(fā)射射頻信號(hào)嗎？在日常生活中，確實(shí)存在著不需要自己消耗能量就傳遞信號(hào)的方法。例如，用在航海和野外探險(xiǎn)中的日光信號(hào)鏡，就是通過不同角度的反射太陽光來傳遞信息。在這里，信號(hào)的載體是太陽光，但是太陽光能量并非傳遞信號(hào)的人發(fā)射的，而是作為第三方的太陽提供的。所以，我們完全可以實(shí)現(xiàn)由第三方提供能量來實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(shí)現(xiàn)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(hào)的例子。事實(shí)上，太陽光和我們常規(guī)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(wèi)星通訊中。由于衛(wèi)星通訊中衛(wèi)星和地面基站距離很遠(yuǎn)，信號(hào)衰減很大，因此需要非常強(qiáng)的信號(hào)發(fā)射功率，顯然在地面發(fā)射大功率會(huì)比在衛(wèi)星發(fā)射大功率要簡單一些。因此，工程師們的解決辦法就是在衛(wèi)星上安裝可以調(diào)制反射光的發(fā)射器（retro-reflector），而由地面來發(fā)射大功率信號(hào)（照射信號(hào)）。該發(fā)射器可以通過改變反射器角度來調(diào)制反射信號(hào)來傳遞信息。舉例來說，當(dāng)衛(wèi)星完全反射地面發(fā)出的信號(hào)時(shí)表示1，而當(dāng)完全沒有反射時(shí)表示0，這樣就可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星不發(fā)射無線信號(hào)的無線傳輸。在這里，地面的發(fā)射站就相當(dāng)于日光反射鏡例子里的太陽，而衛(wèi)星上的反射器則相當(dāng)于鏡子。

  隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及，使用反射來傳遞信號(hào)的方法也開始進(jìn)入了傳感器領(lǐng)域。美國華盛頓大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系的教授Shyam GollakotaJoshua和R. Smith提出了Interscatter的概念，并將結(jié)果發(fā)表在了SIGCOMM上。Interscatter的思路與之前提到的陽光信息鏡以及衛(wèi)星反射通信相同，也是通過反射來傳遞信息。一個(gè)典型的應(yīng)用例子如下圖，Interscatter芯片是植入體內(nèi)的傳感器或類似RFID的需要超低功耗的芯片，外界的設(shè)備（如手表，藍(lán)牙耳機(jī)）發(fā)射射頻信號(hào)（照射信號(hào)），Interscatter芯片通過改變天線的阻抗來調(diào)制反射信號(hào)，該反射信號(hào)由手機(jī)接收并解調(diào)得到Interscatter芯片傳遞的信息。在整個(gè)過程中，Interscatter芯片并不發(fā)射射頻信號(hào)，需要做的僅僅是將比特流轉(zhuǎn)換為對(duì)于天線阻抗的調(diào)制，因此功耗可以極低。

  Interscatter芯片使用場景示意圖，由外界設(shè)備發(fā)射射頻信號(hào)而Interscatter芯片通過改變天線阻抗來調(diào)制反射信號(hào)完成信息傳遞。整個(gè)過程中Interscatter芯片并不產(chǎn)生射頻信號(hào)。

  在Interscatter之后，華盛頓大學(xué)的研究組更是將此概念擴(kuò)展到了WiFi上，提出了無源WiFi，通過WiFi路由器來發(fā)射射頻信號(hào)，而無源WiFi芯片只需要負(fù)責(zé)調(diào)制天線阻抗就能通過WiFi協(xié)議與路由器通信。由于省去了發(fā)射射頻信號(hào)這一環(huán)節(jié)。芯片的功耗主要來源于頻率綜合器以及天線調(diào)制模塊（見下圖）。這樣，無源WiFi可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)11Mbps的通信速率，而其功耗僅僅只有50uW。

無源WiFi

  在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，passive wifi的基本過程是中心射頻源（路由器等）發(fā)射射頻信號(hào)至passive wifi芯片，因此需要精確控制波束方向，否則如果多個(gè)passive wifi芯片同時(shí)反射的話會(huì)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(shù)。然而，由于波束不可能每次都對(duì)得非常準(zhǔn)，于是另一個(gè)passive wifi系統(tǒng)的挑戰(zhàn)是多路反射和環(huán)境反射。為了解決這個(gè)問題，UCLA電子工程系Frank Chang教授帶領(lǐng)的實(shí)驗(yàn)室與NASA／JPL合作完成了一款芯片。這個(gè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了基于反射概念數(shù)據(jù)率高達(dá)54Mbps的芯片組（包括發(fā)射端和反射端）外，該芯片組同時(shí)還能使用equalization技術(shù)解決多路反射的問題。由此可見，無源WiFi不僅能實(shí)現(xiàn)低功耗通訊，在數(shù)據(jù)率方面與傳統(tǒng)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(fā)表在了IEEE Microwave Wireless Component Letters上。

UCLA與JPL合作實(shí)現(xiàn)的芯片組，包括發(fā)射端和反射端兩部分芯片

  當(dāng)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，這樣即可最大化照射信號(hào)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(jié)點(diǎn)同時(shí)通訊的場合下，無源WiFi并不是最好的選擇 。另外，無源WiFi并不能減小接收機(jī)的功耗。綜上所述，無源WiFi最適合的應(yīng)用場景還是發(fā)射端站最主要部分，且無需節(jié)點(diǎn)之間通信的物聯(lián)網(wǎng)傳感器。在未來，為了能讓多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)通信，可以使用類似CDMA的技術(shù)。