調頻後向散射技術：將日常物品變為無線電台！

導讀

雖然物聯網技術使得萬物變得互聯，但是功耗仍然是其中一項核心挑戰。最近，美國華盛頓大學的科研人員發明了一項「調頻後向散射技術」，將我們生活中日常物品變為無線電台，能夠與手機或者汽車通信交換數據，且功耗遠低於藍牙、WiFi等無線通信技術。

未來生活暢想

未來生活中，我們可以暢想如下的場景。

例如，你的汽車正在等待行駛，突然有一張你期待已久的音樂會海報映入你的眼球，你會不會想到將自己的汽車變成一個無線電台，立即收聽這個樂隊的音樂？

或者，也許你看到街道另一邊的公交車站上的一張音樂會海報，你會不會想讓自己的手機收到打折門票或者會場的導航信息？

還有，如果你正在戶外跑步，你會不想到自己的T恤可以感知汗水，並且將你的生命體征數據直接發送至手機。

創新技術

夢想變成現實需要技術創新。最近，美國華盛頓大學的工程師開創了一項的新技術，它使得「智能」海報或者衣服，能夠直接和汽車中的無線電設備或者智能手機進行通信，而且重要的是耗電極低。

(圖片來源於：華盛頓大學)

這項技術可以帶來許多應用，例如，公交站台的廣告牌，能夠發送當地好玩的數字內容；道路路標能夠發送十字路口的名字，或者提示過馬路是否安全，惠及殘疾人出行；另外，集成感測器的智能衣服也可以檢測穿戴者的生命體征，並且將有關信息發送至手機。

這項研究的領頭人、華盛頓大學計算機科學和工程系的助理教授 Shyam Gollakota 這麼說：

「我們想要做的是，讓「智慧城市」和「智能織物」依靠戶外環境中的日常物品中實現，無論是一個廣告海報或者是一個路標，甚至是你日常所穿的T恤，都可以通過向你的手機或者汽車發送信息，與你交流。」

傳統無線通信技術的劣勢

也許你會說，現今的物聯網通信中有許多技術可以實現這一功能，例如藍牙，WiFi 等等。對此，論文的合著者、華盛頓大學電氣工程專業的博士生 Vikram Iyer 說道：

「無線電通信技術例如WiFi、藍牙以及傳統調頻廣播，依靠一個紐扣電池進行傳輸時，持續時間不到半天，這是目前的挑戰所在。所以，我們開發了一種新型通信方式，通過反射周圍環境空氣中已存在的無線電信號，發送數據信息，這樣使用的電力幾乎為零。」

」調頻後向散射「技術

華盛頓大學的科研團隊首次演示了這種稱為「後向散射」的技術，演示中介紹了它是如何應用於戶外的調頻廣播信號。新系統對於城市環境中無處不在的調頻廣播信號中的音頻和數據，進行發射和編碼，並且不影響原來的無線電通信。

這項研究成果，將在3月份于波士頓召開的第十四屆高等計算機系統協會關於網路系統設計和實現的研討會上，以論文的形式進行發表。

技術演示

「會唱歌」的海報

團隊展示了一張放置在公交站台上的「Simply Three」樂隊的「會唱歌的海報」，其背面嵌入了銅帶製成的天線。它可以將樂隊音樂中的片段以及樂隊的廣告，發送至12英尺以外的智能手機或者60英尺以外的汽車。他們對於本地公共廣播電台的新聞信號上的音頻和數據信號的進行覆蓋。

(圖片來源於：華盛頓大學)

論文的合著者、華盛頓大學計算機科學和工程系的博士研究生 Anran Wang 說：

「調頻廣播信號無處不在。你可以在汽車內聽音樂或者新聞，這對於我們來說是獲取信息的常用方法。所以，我們需要做的基本上是讓日常生活中遇到的物品變成迷你的調頻電台，並且耗電幾乎為零。」

「會說話」的衣服

這種無處不在的低功耗連接性，也能夠應用於智能織物例如集成感測器的服裝，檢測跑步者的步法和生命體征，且將信息直接傳輸到用戶的手機上。

在第二個演示中，華盛頓大學網路和移動系統實驗室的研究人員使用導電線，將天線縫進純棉T恤中，它能夠使用周圍環境中的無線電信號，以達3200比特每秒的速率，向智能手機傳輸數據。

(圖片來源於：華盛頓大學)

原理和效果

該系統利用了「城市無線電塔廣播的調頻信號」。「智能」海報或者T恤，使用低功耗的反射器控制信號，在調頻廣播的基礎上編碼所需要的音頻或者數據，並且以一個空閑的調頻廣播頻段，向智能手機接收器發送「信息」。

也許有的朋友會問，這種技術是否會干擾現有的調頻廣播？對此，文章的合著者之一，華盛頓大學計算機和工程系以及電氣工程系的副教授 Joshua Smith 說：

「我們的系統並不干擾現有的調頻廣播頻率。我們使用了一個無人使用的鄰近頻段發送信息，所以我們在向你推送新聞和音樂頻道的同時，並不影響原始的傳輸。」

團隊一共展示了使用「調頻後向散射」技術發送音頻信號和數據的「三種方法」：

簡單地在現有信號基礎上覆蓋新的信息；

利用立體聲調頻廣播中未經使用的部分；

利用兩個智能手機之間的合作解碼消息；

論文的合著者、華盛頓大學計算機科學和工程專業的博士後研究員 Vamsi Talla 說：

「因為調頻廣播信號的獨特結構，將原有的信號疊加以後向散射信號，實際上製造了附加的頻率改變。這些頻率改變，可以被汽車和智能手機內置的普通的調頻接收器解碼為音頻。」

在團隊的演示中，後向散射系統的總體功耗達11微瓦，可以簡單的通過一個紐扣電池供電達幾年之久，或者也可以使用微型太陽能電池供電。

參考資料

【1】https://news.utexas.edu/2017/02/28/goodenough-introduces-new-battery-technology