遠程後向散射技術：實現長距離低功耗的物聯網通信

導讀

美國華盛頓大學的研究人員首次利用「遠程後向散射技術」，演示了一種幾乎以零功率運行的設備，它傳輸數據的距離最高可達2.8千米。這項研究突破了長久以來的障礙，有望實現一系列設備互聯。

關鍵字

物聯網、通信、智能設備

背景

對於如今的柔性電子設備和其他的感測器來說，它們都無法採用傳統的、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備通信。這一點就限制了它們在醫療監控、家居感知、智慧城市、精準農業等方面的應用。

為此，筆者曾經介紹過由美國華盛頓大學開發的「interscatter」技術，在這項技術中，一種稱為「後向散射」的通信技術成為了關鍵。這項技術並不是設備自身產生Wi-Fi信號，而是通過鄰近的移動設備，例如智能手錶的藍牙傳輸創建Wi-Fi信號。設備只需要簡單地發射現有信號，就可以交換信息。因為這項技術能夠通過藍牙信號創建Wi-Fi信號，從而實現跨技術協議的通信，所以被稱為「interscatter」。

「interscatter」 技術將智能手機，智能手錶等智能設備中經常使用的藍牙，Wi-Fi 或者 ZigBee等模塊，作為信號的源或者接收端。「Interscatter」 通信的相關應用如下圖所示：（a）隱形眼鏡系統，可以後向散射來自智能手錶的藍牙信號，從而產生可以和手機通信的Wi-Fi信號，（b）植入大腦的介面，可以通過藍牙耳機與智能手機進行通信，（C）信用卡可以通過後向散射來自智能手機的藍牙信號，進行相互通信。

（圖片來源於：華盛頓大學）

創新

今天介紹的創新成果也是與「後向散射」技術相關。美國華盛頓大學的研究人員首次演示了一種幾乎以零功率運行的設備，它傳輸數據的距離最高可達2.8千米。9月13日，描述該系統的相關論文發表於普適計算大會（UbiComp 2017）。

（圖片來源：Dennis Wise / 華盛頓大學）

這項研究突破了長久以來的障礙，有望讓一系列設備互聯，例如各式各樣的柔性電子設備，從捕捉關節炎患者活動範圍的膝蓋貼片，到用汗水來檢測運動員或者士兵疲勞度的貼片，這些設備對於搜集醫學相關的數據有很大的幫助。

技術

相比之下，華盛頓大學的「遠程後向散射」系統使用反射的無線電信號，以極低的功耗和成本傳輸數據，可靠地覆蓋4800平方英尺的房屋、有41個房間的辦公室、一畝蔬菜農場。

Paul G. Allen 計算機科學與工程學院的領導教員和副教授 Shyam Gollakota 表示：

「目前為止，能夠進行長距離通信的設備會消耗很多能量。作為折衷，只消耗微瓦電力的低功耗設備，其通信距離就會很短。現在，我們已經展示出，我們能夠二者兼顧，這將改變許多工業和應用的遊戲規則。」

Jeeva Wireless 的CTO、Allen 學院的博士後研究員、華盛頓大學的電氣工程博士 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備的無線系統。」

例如，研究團隊設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，它成功使用了遠程後向散射技術，在一個3300平方英尺的中庭傳輸信息。這比之前設計的隱形眼鏡3英尺的範圍，要大幾個數量級。

（圖片來源：Dennis Wise / 華盛頓大學）

這個系統有三個組件：一個發出無線電信號的源，一個編碼反射信號信息的感測器和一個昂貴的成品接收器用於解碼信息。當感測器放置在信號源和接收器之間的時候，系統能夠傳輸數據的距離可達475米。當感測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。

使用反射的或者「後向散射」的無線電信號表達信息的好處就在於，感測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境能量源提供，而無需笨重的電池。壞處就是接收器難以區分來自原始信號和其他噪音的極度微弱的反射。Allen 學院的博士生 Mehrdad Hessar 表示：

「這就像是在嘗試傾聽一堵厚牆的另外一邊的談話，你也許會聽到一些微弱的聲音，但是你聽不清楚具體說什麼。通過這項新技術，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，華盛頓大學的團隊為後向散射引入了一種新型調製，也稱為「啁啾擴頻」。通過多個頻率傳播反射信號，讓團隊即使在雜訊之下，也能夠獲取更大的靈敏性，以及在更遠的距離解碼後向散射信號。

價值

團隊最新的遠程後向散射系統可以帶來一種長距離通信的感測器，它消耗的能量是在相似距離傳輸數據的現有技術千分之一不到。對於為數十億的日常設備帶來連接性的物聯網來說，這是一項非常重要和必要的突破性進展。

遠程後向散射系統將由華盛頓大學計算機科學家和電氣工程師創辦的衍生公司 Jeeva Wireless 進行商業化，且預計6個月內進行銷售。

這些感測器非常便宜，預計每件產品的成本約為10到20美分。想要測量土壤溫濕度的農民，可以負擔得起覆蓋整個農田的感測器，從而決定如何進行有效地播種和澆水。其它一些潛在應用還包括：在「智慧」城市中監測污染、噪音、交通狀況的感測器陣列、能夠全天候地無線傳輸心臟病患者信息的醫療設備。

參考資料

【1】http://www.washington.edu/news/2017/09/13/uw-team-shatters-long-range-communication-barrier-for-devices-that-consume-almost-no-power/

【2】http://longrange.cs.washington.edu/files/loRaBackscatter.pdf

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