導(dǎo)讀

美國華盛頓大學(xué)的研究人員首次利用“遠(yuǎn)程后向散射技術(shù)”，演示了一種幾乎以零功率運(yùn)行的設(shè)備，它傳輸數(shù)據(jù)的距離最高可達(dá)2.8千米。這項(xiàng)研究突破了長久以來的障礙，有望實(shí)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(yùn)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(diǎn)就限制了它們在醫(yī)療監(jiān)控、家居感知、智慧城市、精準(zhǔn)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(xiàng)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(xiàng)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(lán)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?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)能夠通過藍(lán)牙信號創(chuàng)建Wi-Fi信號，從而實(shí)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(jī)，智能手表等智能設(shè)備中經(jīng)常使用的藍(lán)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(lán)牙信號，從而產(chǎn)生可以和手機(jī)通信的Wi-Fi信號，（b）植入大腦的接口，可以通過藍(lán)牙耳機(jī)與智能手機(jī)進(jìn)行通信，（C）信用卡可以通過后向散射來自智能手機(jī)的藍(lán)牙信號，進(jìn)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(yùn)行的設(shè)備，它傳輸數(shù)據(jù)的距離最高可達(dá)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(jì)算大會（UbiComp 2017）。

（圖片來源：Dennis Wise / 華盛頓大學(xué)）

這項(xiàng)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(yùn)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(yuǎn)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(gè)房間的辦公室、一畝蔬菜農(nóng)場。

Paul G. Allen 計(jì)算機(jī)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(jìn)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(dá)到要求。這是首個(gè)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種隱形眼鏡的原型，以及一個(gè)柔性的表皮貼片，它可以貼在人類皮膚上，它成功使用了遠(yuǎn)程后向散射技術(shù)，在一個(gè)3300平方英尺的中庭傳輸信息。這比之前設(shè)計(jì)的隱形眼鏡3英尺的范圍，要大幾個(gè)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(gè)系統(tǒng)有三個(gè)組件：一個(gè)發(fā)出無線電信號的源，一個(gè)編碼反射信號信息的傳感器和一個(gè)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(shí)候，系統(tǒng)能夠傳輸數(shù)據(jù)的距離可達(dá)475米。當(dāng)傳感器靠近信號源放置時(shí)，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(dá)信息的好處就在于，傳感器可以在極低的功耗下運(yùn)行，其能量可以由廉價(jià)、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(xiàng)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(tuán)隊(duì)為后向散射引入了一種新型調(diào)制，也稱為“ 啁啾擴(kuò)頻”。通過多個(gè)頻率傳播反射信號，讓團(tuán)隊(duì) 即使在噪聲之下，也能夠獲取更大的靈敏性，以及在更遠(yuǎn)的距離解碼后向散射信號。

價(jià)值

團(tuán)隊(duì)最新的遠(yuǎn)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(xiàng)非常重要和必要的突破性進(jìn)展。

遠(yuǎn)程后向散射系統(tǒng)將由華盛頓大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家和電氣工程師創(chuàng)辦的衍生公司 Jeeva Wireless 進(jìn)行商業(yè)化，且預(yù)計(jì)6個(gè)月內(nèi)進(jìn)行銷售。

這些傳感器非常便宜，預(yù)計(jì)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(fù)擔(dān)得起覆蓋整個(gè)農(nóng)田的傳感器，從而決定如何進(jìn)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。