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间散射通信让设备之间通过Wi-Fi“交谈” 让植入式设备能“说话”

2016年08月25日 解决方案 ⁄ 阅读 523 次
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 研究人员开发了一种他们称之为“间散射(interscatter)通信”的技术,能为功率受限的设备例如医疗植入设备带来与其他设备透过标准Wi-Fi通信“交谈”的能力。

美国华盛顿大学(University of Washington)的研究人员开发了一种他们称之为“间散射(interscatter)通信”的技术,反向散射(backscatter)或反射 (reflect)像是空气中的蓝牙等现存信号,将无线传输由某种技术转变成另一种;华盛顿大学的电子工程与计算机科学系团队,还首度展示了蓝牙传输如何能被用来建立兼容Wi-Fi与ZigBee的信号。

也就是说,这种技术能为功率受限的设备例如医疗植入设备带来与其他设备透过标准Wi-Fi通信“交谈”的能力。上述论文共同作者、华盛顿大学电子工程系博士 生Vikram Iyer表示,可以想象一下例如智能隐形眼镜、大脑植入设备或是信用卡等尺寸微小的设备:“它们无法使用蓝牙或是Wi-Fi芯片,因为会消耗太多功率在 产生它们自己的无线电信号上。”

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而 所谓的“间散射通信”并不需要产生自己的无线电信号,那些间散射设备能把邻近设备例如智能手表所传输的无线信号“回收再利用”;Iyer解释:“我们让像是智能手表、智能手机等设备来做耗电量较大的产生无线电信号工作,然后低功率的隐形眼镜、植入设备或是信用卡等,就能以一种将它们自己的数据编码的方法 来反射该信号。”

Iyer 补充指出,这种间散射组件的传输并不是正常的无线电,只是一个链接到天线的开关(switch):“开启与关闭这个开关,让我们能改变天线反射能量的方 式;只要透过切换开关到正确的速率(rate),我们的间散射组件就能反射由像是智能手表等设备产生的蓝牙信号,让它看起来就像是能用手机接收的Wi- Fi封包。”

例如该团队示范利用智能手表把一个蓝牙信号传输到配备了天线的智能隐形眼镜,为了制作一块能写入新信息的“白板”,华盛顿大学团队开发了一种方法把蓝牙传输变成能被进一步操纵与转换的“单频(single tone)”信号。透过反向散射该单频信号,隐形眼镜能将数据编码(例如所收集的健康信息)到智能手机、平板设备或笔记本电脑可阅读的标准Wi-Fi封 包。

对植入式医疗设备来说,维持电池续航力至关重要;“如果你的植入设备内有无线电会很快消耗电池电力,可能得动手术才能换电池;”lyer表示:“而像是隐形 眼镜那么小的东西,若配备微型电池甚至恐怕不足以供应一般Wi-Fi或蓝牙芯片所需电力。”他指出,间散射能让那些植入设备拥有Wi-Fi功能,而且所需 电力是那些普通Wi-Fi芯片的万分之一。

让植入设备能“说话”

许多植入设备到目前为止都无法传送信息,因为它们的尺寸以及被装在人体内,无法利用Wi-Fi将数据传输到智能手机或其他移动设备上;Iyer表示,赋予 植入式设备与其他设备沟通的能力:“可以改变我们管理慢性疾病的方式;举例来说,隐形眼镜能被用来透过泪液监测糖尿病患者的血糖值,并在血糖值降低时发送 通知到手机上。”

在 被问到为何该团队选择反射蓝牙信号时,Iyer的回答是:“因为蓝牙被移动设备广泛采用,其移频键控(frequency shift keying)通信协议,使其能容易利用我们的技术转换成Wi-Fi;”他补充指出:“我们认为把蓝牙变成Wi-Fi很酷,因为后者的数据传输速率很高。 我们也证实能用同样的技术把蓝牙变成ZigBee,甚至是另一个不同的蓝牙封包。”

克服挑战

在 开发这种通信技术的过程中,华盛顿大学团队也遭遇了一些挑战;包括后向散射的过程会产生不需要的信号镜像复制,因此消耗更多带宽,以及与镜像复制Wi- Fi信道网络之间的干扰。不过该团队开发了一种叫做“单边带后向散射(single sideband backscatter)”的技术,避免那些不想要的副产品出现。

论文共同作者、华盛顿大学电子工程博士生Bryce Kellogg表示:“那意味着我们能只用跟Wi-Fi网络一样的带宽,而且仍然可以让其他Wi-Fi网络运作、不会产生干扰。”研究团队为先前不可行的应用建立了三个概念验证范例,包括能直接与智能手机、智能手表的沟通的智能隐形眼镜、植入式神经纪录设备(implantable neural recording device)。

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