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“Interscatter” 通信,用我们日常使用的移动设备,产生低功耗Wi-Fi信号。在示例中,来自智能手表的蓝牙信号(左),用于传输来自可以植入患者的大脑的神经设备的数据(右),通过Wi-Fi连接到智能手机。

( 图片来源于: Mark Stone/华盛顿大学)

引言

文章介绍了一种称为“Interscatter”的新技术,使用“后向散射”的方法,实现几种无线通信技术之间的通信,例如将蓝牙信号转化成Wi-Fi,ZigBee兼容的信号。这项新的技术,发表在8月22日于巴西召开的美国计算机学会数据通信方面特殊兴趣小组的年度会议(SIGCOMM 2016)上。

从医疗植入设备的无线连接性说起


可植入设备的无线连接性,可以改变我们管理疾病的方式。例如,智能隐形眼镜,可以监测糖尿病患者泪液中的血糖水平,将信息发送至手机。然而,对于医疗电子植入设备,例如起搏器,脑刺激器等,如果使用Wi-Fi这样的无线通信方式,那么功耗会增大,那么电池电量会很容易耗尽。


( 图片来源于: Mark Stone/华盛顿大学)

然而对于医疗植入设备来说,替换电池是一个很具危险性的操作,通常需要手术,且有可能给病人带来并发症。所以,这就需要一种低功耗的无线通信方法,并且最好可以利用现有的无线通信设备,例如智能手机,智能手表等。

“Interscatter”通信带来新希望

华盛顿大学的工程师创造了一种新通信方式,使得大脑植入物,隐形眼镜,信用卡和小型穿戴设备,可以平时常见的智能手机,智能手表等设备通信。这种新通信方式称为“Interscatter”,它通过“后向散射”的通信技术,将蓝牙信号转换成Wi-Fi信号。使用了“Interscatter”技术的设备,例如智能隐形眼镜,可以将来自智能手表的蓝牙信号,转换成被智能手机接收的Wi-Fi信号。

华盛顿大学的工程师,开发了首个智能隐形眼镜天线,可以直接和智能手表,智能手机等设备通信。

( 图片来源于: Mark Stone/华盛顿大学)

华盛顿大学的电气工程师和计算机科学家,首次展示了使用了“Interscatter”技术的设备,可以和使用Wi-Fi标准的设备进行通信,然而功耗只有产生Wi-Fi信号的传统方法的万分之一。

“interscatter” 通信关键技术解析

一种称为“后向散射”的通信技术成为了关键。这项技术,不是通过自身产生Wi-Fi信号,而是通过邻近移动设备,例如智能手表的蓝牙传输创建Wi-Fi信号。设备只需要简单的发射现有信号,就可以交换信息。因为这项技术能够通过蓝牙信号创建Wi-Fi信号,从而实现跨技术协议的通信,所以被称为“interscatter”。

“interscatter” 通信,将在智能手机,智能手表等智能设备中,经常使用的蓝牙,Wi-Fi 或者 ZigBee等模块,作为信号的源或者接收端。

团队展示的一个案例中,智能手表将蓝牙信号,传输到装有天线的智能隐形眼镜上。为了创造一个可写入新信息的空白状态,华盛顿大学的团队,开发了一种创新方法,将蓝牙传输转变为一个“单频”信号,可以被进一步的处理和转变。隐形眼镜通过后向散射单频信号,对它搜集的健康信息数据进行编码,转换成智能手机,平板或者笔记本电脑可读的标准“Wi-Fi”包。

在“interscatter”通信中,后向散射设备,例如智能眼镜,将来自智能手表设备的蓝牙传输,转化产生可以被手机或者平板电脑读取的Wi-Fi信号。

(图片来源于:华盛顿大学)

此技术所面临的挑战和解决

挑战来自于“后向散射”过程创造了多余的“信号拷贝镜像”,消耗了更多的带宽,同样也产生了干扰。但是,华盛顿大学的团队,开发了一种称为“单边带后向散射”的技术,消除了这种干扰。

应用案例

华盛顿大学网络和移动系统实验室和传感系统实验室的研究人员,创建了三个概念验证的示范案例,如下图所示:

“Interscatter” 通信的潜在应用:(a)隐形眼镜系统,可以后向散射来自智能手表的蓝牙信号,产生可以和手机通信的Wi-Fi信号,(b)植入大脑的接口,可以使用蓝牙耳机和智能手机进行通信,(C)信用卡可以相互之间,通过后向散射来自智能手机的蓝牙信号进行通信。

(图片来源于:华盛顿大学)

“Interscatter” 可以使得Wi-Fi 对于植入设备可用,同时功率只有几十毫瓦。从此,植入设备可以实现无线联网,加入到“物联网”的大家庭中。

除了植入设备,研究人员也展示了其他应用,例如智能卡。该智能卡原型,可以通过反射来自智能手机的蓝牙信号,实现相互之间的直接通信。这样,用户将智能信用卡放到一起,就可以分摊消费费用。

总结

最后,这项研究的为以后一些列研究奠定了基础。首先,“interscatter”技术具有高比特率,让数据可以在更短时间内传输,减少了传输时占用信道的时间,同时减少了设备的功耗。未来的研究,可以提高使用BLE数据包的整体吞吐量,传输速率变得更快。另外,最新的蓝牙标准,增加了这些数据包的最大长度,可以更进一步的提高吞吐量。最后,目前的设计集中于使用“后向散射”产生802.11b传输,未来的工作可以拓展基于OFDM的协议,例如802.11g/n/ac,将比特率提高到另外一个数量级。


参考资料

【1】Vikram Iyer, Vamsi Talla, Bryce Kellogg, Shyamnath Gollakota and Joshua R. Smith,University of Washington, “Inter-Technology Backscatter: Towards

Internet Connectivity for Implanted Devices”,http://interscatter.cs.washington.edu/files/interscatter.pdf

【2】http://interscatter.cs.washington.edu/#yin


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