不需要电源的 RFID 通信
作者按：从今天起，本博客将陆续推出一系列文章，走进即将举行的通信领域顶级学术会议 SIGCOMM 2013，看看世界各地的 Wireless & Networking 研究者们都在做什么。尽管这些看起来很 fancy 的设计在生产环境中有可能完全不 work，但它们至少给我们提出了一些可能的方向。
Ambient Backscatter: Wireless Communication Out of Thin Air
从空间吸收能量并用作电源，这听起来是不是很疯狂？华盛顿大学研究团队制作了不需要电源的 RFID 卡，可以从每个城市都有的 TV Tower 获取能量用于支持传感器和单片机工作，并反射 TV Tower 射频信号的能量，实现两个相距不超过 50~75 厘米的 RFID 卡之间的自主通信，通信速度可达 1kbps。套用一句广告词，就是 “我们不生产信号，我们只是电视信号的搬运工”。
How RFID works
RFID (Radio Frequency Identification) 是能够存储少量信息并通过射频通信读取的技术。我们平时刷的饭卡、公交卡都是 RFID。这些卡里没有电源，是怎么把数据传送给读卡器的呢？
芯片工作的电源：天线收到读卡器的信号，就会电磁感应形成电流，这个微弱的电流足以驱动芯片工作了。
承载信息的射频信号：天线会反射收到的射频信号，在反射信号上进行幅度调制即可。有两种技术：inductive modulation（用于低频）和 **backscatter modulation **（用于高频，有效距离较远）。本文中我们关注 backscatter。
backscatter 是通过改变天线的阻抗实现的。当电磁波到达阻抗不同的介质界面时，一部分波会被反射，而反射能量的比例与阻抗的差值有关。射频卡中的芯片通过改变天线的阻抗，就能把信息调制在反射波上。
至于阻抗是怎么调整的？看到上面照片上的两个“小辫子”了吗？一个晶体管搭在两根天线之间，0 就是关闭晶体管，天线阻抗匹配，反射波很微弱；1 则是导通晶体管，两根天线短路，有一定的反射波。
事实上，目前商用的 RFID 分为 active（主动）、semi-passive（半被动）和 passive（被动）三种。
- 主动 RFID 有电源，每隔一段时间就主动发送自己的 ID，有效距离 100m 以上。由于发送射频信号需要较多能量，电池寿命较短。
- 被动 RFID 没有电源，有效距离 1m 左右，成本很低，寿命无理论限制。我们常用的饭卡、公交卡都是被动 RFID。采用上面说的 backscatter modulation 传输信息给读卡器。由于没有持续的电源，不能支持时钟、传感器等。
- 半被动 RFID 结合了以上两者的优点。半被动 RFID 也有电源，用于维持芯片和（可能有的）传感器工作。射频信号使用 backscatter modulation，不需要使用电池的能量，因此电池寿命可达10年。由于不需要用电磁感应的电流维持芯片运行，天线就可以为 backscatter 专门优化，从而有效距离可达 10m 左右。
Challenges
TV Tower 是个稳定的信号源和能量源，听起来不错。但真正用起来，还有两个问题：
- 传统 backscatter 技术中，读卡器发送的是 constant signal，这样读卡器就能从微弱的反射信号中检测出微小的变化，复原所调制的信息。然而电视信号本身就是已经调制了信息的 noisy signal。（见上图）
- 相比临近的读卡器来说，电视信号强度还是太弱了。传统的 backscatter 技术需要晶振、模数转换器、数字信号处理逻辑等，单凭电视信号这点能量是工作不起来的。
此外，从网络拓扑上，读卡器是一个中心控制器，可以进行 FDMA (Frequency Division Multiple Access) 协调各 RFID 卡的通信。现在没有了中心，射频卡上就得拥有一套分布式的 CSMA (Carrier Sense Multiple Access) 协议。（当然，如果有人用最原始的 ALOHA，我不反对）
Challenge #1: Noisy Signal
首先要解决的是电视信号不是 constant signal 的问题。论文提出，如果 backscatter 调制的频率远远低于背景信号（载波）的频率，则可以将这两个信号分开。从直觉上解释，只要对若干个临近的 sample 取平均值，背景信号就会趋于相同（大数定律嘛），而 backscatter 调制的信号就会凸显出来。
电视信号的带宽一般是 6MHz，因此 backscatter 只要在比 6MHz 更长的时域上调制就能区分出来。
Challenge #2: Ultra-low Power
上面的方法需要模数转换器 (ADC)，但在如此低功耗的无源射频卡上无法实现。论文设计了一种等效的模拟电路。
接收器有两个阶段：
- Average Envelope Stage: 由二极管、C1、R1、R2 构成。输入信号电压高于电容电压时，二极管导通，电容充电；低于电容电压时，二极管不导通，电阻缓慢消耗电容释放的电能。通过调整 R1 和 R2 的阻值，上述电路相当于一个低通滤波器，滤掉了电视信号中的高频部分，留下了低频的 backscatter 信号。
- Compute-Threshold Stage: 由 R1、R2 和 C2 组成 RC 回路，再通过比较器。上边一条线是第1阶段的输出，下面一条线是阈值，由 C2 对信号作进一步平均产生。这样，当信号高于阈值时输出1，当信号低于阈值时输出0，这样就实现了模数转换。
Network Stack
由于接收射频卡的位置可能发生变化，反射的信号或者跟电视信号干涉增强，或者跟电视信号干涉减弱，从而收到的“0”和“1”随时可能翻转。因此，物理层采用 FM0 编码，用两个 0/1 symbol 表示 1bit 信息，两个 symbol 相同表示0，两个 symbol 不同表示1。在每个 2-symbol 的周期前对 symbol 进行翻转，以保证 0/1 symbol 数目相同。
下面是 link layer 的 packet structure：
Challenge #3: Carrier Sense
Carrier Sense 是非中心无线网络中避免冲突的重要手段。一个待发送者在发送之前，首先监听信道，如果发现有其他人在发送，就暂缓一会儿。如果没有这个机制，随机冲突会导致信道利用率很低。
在 Wifi 中，Carrier Sense 是通过比较信号平均强度和当前信号强度实现的，如果当前信号强度超过平均强度一定的阈值，就认为正在传输 packet。然而，由于本论文中的接收器没有 ADC，无法检测信号强度。
容易发现，对于背景信号，由于经过了第一阶段的低通滤波器，在第二阶段的比较器前，上下两条线的电压应该没有明显差别，因此比较器或者输出一长串0，或者输出一长串1。注意到 FM0 编码中 0/1 符号个数相等，故只要统计收到的 0/1 符号个数，就能知道现在有没有临近的其他 backscatter 设备在传送。
有效传输距离
按照 RFID 卡在室内还是室外，以及离电视信号发射塔远还是近，以及传输比特率，测量出了传输错误的比例：（测试环境的具体配置请看论文）
不出所料，离电视塔更近的效果更好，户外比室内效果更好（反射和干涉少），传输越慢越好。即使在最差的情况下，也能在 50 厘米的距离上实现 1kbps 传输。
为什么距离远了会有问题呢？前面提到的接收器的第二个阶段中有个比较器，比较器能够区分的电压差值是有限的。如果信号太弱，传入比较器的电压差值太小，比较器就无法正确判断哪边高哪边低。
应用1：智能卡间通信
用户触摸“电容触摸传感器”，如果检测到另一张卡存在，就会发送 “Hello world”。接收器收到 “Hello world” 后，就会闪烁 LED 灯。智能卡使用的是 MSP430 单片机。
在相距 10cm 的两个智能卡之间进行上述通信，有 94% 的概率一次成功。
应用2：检查货物摆放位置
每个货物盒子里装一个射频卡，射频卡的ID按照货物的排列顺序递增，这样每个射频卡周围的其他射频卡ID应该跟自己的ID相差不远。每个射频卡每5秒钟广播一次自己的ID。临近的射频卡接收并存储收到的ID。如果射频卡接收到两个跟自己ID相差超过阈值的ID，就会闪烁LED。
论文中给出的测试结果是，在 50% 的情况下，只要 20 秒就能检测出摆放错误的情况；即使是最差的一次，摆错位置的射频卡在 190 秒后也开始闪烁了。
评论
这篇论文描述了一个美妙的前景：不用电源，就能进行射频通信。可惜，由于电视信号强度太弱，它的有效通信距离不到1米，这大大限制了它的应用范围。这么近，为什么不搞个有源的读卡器？成本低、免除更换电池的麻烦，也许是它的优势吧。