導(dǎo)讀

美國華盛頓大學(xué)的研究人員首次利用“遠程后向散射技術(shù)”，演示了一種幾乎以零功率運行的設(shè)備，它傳輸數(shù)據(jù)的距離最高可達2.8千米。這項研究突破了長久以來的障礙，有望實現(xiàn)一系列設(shè)備互聯(lián)。

關(guān)鍵字

物聯(lián)網(wǎng)、通信、智能設(shè)備

背景

對于如今的柔性電子設(shè)備和其他的傳感器來說，它們都無法采用傳統(tǒng)的、笨重的電池，又需要以非常低的功耗運行，因此無法與幾英尺或者幾米以外的其他設(shè)備通信。這一點就限制了它們在醫(yī)療監(jiān)控、家居感知、智慧城市、精準農(nóng)業(yè)等方面的應(yīng)用。

為此，筆者曾經(jīng)介紹過由美國華盛頓大學(xué)開發(fā)的“interscatter”技術(shù)，在這項技術(shù)中，一種稱為“后向散射”的通信技術(shù)成為了關(guān)鍵。這項技術(shù)并不是設(shè)備自身產(chǎn)生Wi-Fi信號，而是通過鄰近的移動設(shè)備，例如智能手表的藍牙傳輸創(chuàng)建Wi-Fi信號。設(shè)備只需要簡單地發(fā)射現(xiàn)有信號，就可以交換信息。因為這項技術(shù)能夠通過藍牙信號創(chuàng)建Wi-Fi信號，從而實現(xiàn)跨技術(shù)協(xié)議的通信，所以被稱為“interscatter”。

“interscatter” 技術(shù)將智能手機，智能手表等智能設(shè)備中經(jīng)常使用的藍牙，Wi-Fi 或者 ZigBee等模塊，作為信號的源或者接收端。“Interscatter” 通信的相關(guān)應(yīng)用如下圖所示：（a）隱形眼鏡系統(tǒng)，可以后向散射來自智能手表的藍牙信號，從而產(chǎn)生可以和手機通信的Wi-Fi信號，（b）植入大腦的接口，可以通過藍牙耳機與智能手機進行通信，（C）信用卡可以通過后向散射來自智能手機的藍牙信號，進行相互通信。

（圖片來源于：華盛頓大學(xué)）

創(chuàng)新

今天介紹的創(chuàng)新成果也是與“后向散射”技術(shù)相關(guān)。美國華盛頓大學(xué)的研究人員首次演示了一種幾乎以零功率運行的設(shè)備，它傳輸數(shù)據(jù)的距離最高可達2.8千米。9月13日，描述該系統(tǒng)的相關(guān)論文發(fā)表于普適計算大會（UbiComp 2017）。

（圖片來源：Dennis Wise / 華盛頓大學(xué)）

這項研究突破了長久以來的障礙，有望讓一系列設(shè)備互聯(lián)，例如各式各樣的柔性電子設(shè)備，從捕捉關(guān)節(jié)炎患者活動范圍的膝蓋貼片，到用汗水來檢測運動員或者士兵疲勞度的貼片，這些設(shè)備對于搜集醫(yī)學(xué)相關(guān)的數(shù)據(jù)有很大的幫助。

技術(shù)

相比之下，華盛頓大學(xué)的“遠程后向散射”系統(tǒng)使用反射的無線電信號，以極低的功耗和成本傳輸數(shù)據(jù)，可靠地覆蓋4800平方英尺的房屋、有41個房間的辦公室、一畝蔬菜農(nóng)場。

Paul G. Allen 計算機科學(xué)與工程學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)教員和副教授 Shyam Gollakota 表示：

“目前為止，能夠進行長距離通信的設(shè)備會消耗很多能量。作為折衷，只消耗微瓦電力的低功耗設(shè)備，其通信距離就會很短。現(xiàn)在，我們已經(jīng)展示出，我們能夠二者兼顧，這將改變許多工業(yè)和應(yīng)用的游戲規(guī)則。”

Jeeva Wireless 的CTO、Allen 學(xué)院的博士后研究員、華盛頓大學(xué)的電氣工程博士 Vamsi Talla 表示：

“好多年來，人們一直在討論將連接性嵌入到日常的設(shè)備中去，例如洗衣粉、紙巾和咖啡杯。但是 ，問題是成本和功耗難以達到要求。這是首個能夠以最低成本將連接性嵌入到日常設(shè)備的無線系統(tǒng)。”

例如，研究團隊設(shè)計了一種隱形眼鏡的原型，以及一個柔性的表皮貼片，它可以貼在人類皮膚上，它成功使用了遠程后向散射技術(shù)，在一個3300平方英尺的中庭傳輸信息。這比之前設(shè)計的隱形眼鏡3英尺的范圍，要大幾個數(shù)量級。

（圖片來源：Dennis Wise / 華盛頓大學(xué)）

（圖片來源：Dennis Wise / 華盛頓大學(xué)）

這個系統(tǒng)有三個組件：一個發(fā)出無線電信號的源，一個編碼反射信號信息的傳感器和一個昂貴的成品接收器用于解碼信息。當(dāng)傳感器放置在信號源和接收器之間的時候，系統(tǒng)能夠傳輸數(shù)據(jù)的距離可達475米。當(dāng)傳感器靠近信號源放置時，接收器可以在2.8千米之外的地方解碼信息。

（圖片來源：Dennis Wise / 華盛頓大學(xué)）

使用反射的或者“后向散射”的無線電信號表達信息的好處就在于，傳感器可以在極低的功耗下運行，其能量可以由廉價、超薄、可印刷的電池或者從環(huán)境能量源提供，而無需笨重的電池。壞處就是接收器難以區(qū)分來自原始信號和其他噪音的極度微弱的反射。Allen 學(xué)院的博士生 Mehrdad Hessar 表示：

“這就像是在嘗試傾聽一堵厚墻的另外一邊的談話，你也許會聽到一些微弱的聲音，但是你聽不清楚具體說什么。通過這項新技術(shù)，我們能夠基本上解碼這些單詞，即使談話本身很難聽到。”

為了克服這些問題，華盛頓大學(xué)的團隊為后向散射引入了一種新型調(diào)制，也稱為“ 啁啾擴頻”。通過多個頻率傳播反射信號，讓團隊 即使在噪聲之下，也能夠獲取更大的靈敏性，以及在更遠的距離解碼后向散射信號。

價值

團隊最新的遠程后向散射系統(tǒng)可以帶來一種長距離通信的傳感器，它消耗的能量是在相似距離傳輸數(shù)據(jù)的現(xiàn)有技術(shù)千分之一不到。對于為數(shù)十億的日常設(shè)備帶來連接性的物聯(lián)網(wǎng)來說，這是一項非常重要和必要的突破性進展。

遠程后向散射系統(tǒng)將由華盛頓大學(xué)計算機科學(xué)家和電氣工程師創(chuàng)辦的衍生公司 Jeeva Wireless 進行商業(yè)化，且預(yù)計6個月內(nèi)進行銷售。

這些傳感器非常便宜，預(yù)計每件產(chǎn)品的成本約為10到20美分。想要測量土壤溫濕度的農(nóng)民，可以負擔(dān)得起覆蓋整個農(nóng)田的傳感器，從而決定如何進行有效地播種和澆水。其它一些潛在應(yīng)用還包括：在“智慧”城市中監(jiān)測污染、噪音、交通狀況的傳感器陣列、能夠全天候地?zé)o線傳輸心臟病患者信息的醫(yī)療設(shè)備。