導(dǎo)讀

美國(guó)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(zhǎng)久以來(lái)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(duì)于如今的柔性電子設(shè)備和其他的傳感器來(lái)說(shuō)，它們都無(wú)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(wú)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?cè)卺t(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(guò)由美國(guó)華盛頓大學(xué)開(kāi)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(hào)，而是通過(guò)鄰近的移動(dòng)設(shè)備，例如智能手表的藍(lán)牙傳輸創(chuàng)建Wi-Fi信號(hào)。設(shè)備只需要簡(jiǎn)單地發(fā)射現(xiàn)有信號(hào)，就可以交換信息。因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)能夠通過(guò)藍(lán)牙信號(hào)創(chuàng)建Wi-Fi信號(hào)，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(hào)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(lái)自智能手表的藍(lán)牙信號(hào)，從而產(chǎn)生可以和手機(jī)通信的Wi-Fi信號(hào)，（b）植入大腦的接口，可以通過(guò)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(guò)后向散射來(lái)自智能手機(jī)的藍(lán)牙信號(hào)，進(jìn)行相互通信。

（圖片來(lái)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(guó)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(huì)（UbiComp 2017）。

（圖片來(lái)源：Dennis Wise / 華盛頓大學(xué)）

這項(xiàng)研究突破了長(zhǎng)久以來(lái)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(dòng)范圍的膝蓋貼片，到用汗水來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員或者士兵疲勞度的貼片，這些設(shè)備對(duì)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(wú)線電信號(hào)，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(chǎng)。

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(zhǎng)距離通信的設(shè)備會(huì)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(huì)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?cè)S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(lái)，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(wèn)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(wú)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(jí)。

（圖片來(lái)源：Dennis Wise / 華盛頓大學(xué)）

（圖片來(lái)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(wú)線電信號(hào)的源，一個(gè)編碼反射信號(hào)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(hào)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(hào)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(lái)源：Dennis Wise / 華盛頓大學(xué)）

使用反射的或者“后向散射”的無(wú)線電信號(hào)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(wú)需笨重的電池。壞處就是接收器難以區(qū)分來(lái)自原始信號(hào)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(tīng)一堵厚墻的另外一邊的談話，你也許會(huì)聽(tīng)到一些微弱的聲音，但是你聽(tīng)不清楚具體說(shuō)什么。通過(guò)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(tīng)到。”

為了克服這些問(wèn)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(guò)多個(gè)頻率傳播反射信號(hào)，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(hào)。

價(jià)值

團(tuán)隊(duì)最新的遠(yuǎn)程后向散射系統(tǒng)可以帶來(lái)一種長(zhǎng)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(duì)于為數(shù)十億的日常設(shè)備帶來(lái)連接性的物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，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(cè)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(cè)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。