美國華盛頓大學(University of Washington)的研究人員開發了一種他們稱之為「間散射(interscatter)通訊」的技術,反向散射(backscatter)或反射(reflect)像是空氣中的藍牙等現存訊號,將無線傳輸由某種技術轉變成另一種;華盛頓大學的電子工程與電腦科學系團隊,還首度展示了藍牙傳輸如何能被用來建立相容Wi-Fi與ZigBee的訊號。

也就是說,這種技術能為功率受限的設備例如醫療植入裝置帶來與其他裝置透過標準Wi-Fi通訊「交談」的能力。上述論文共同作者、華盛頓大學電子工程系博士生Vikram Iyer表示,可以想像一下例如智慧型隱形眼鏡、大腦植入裝置或是信用卡等尺寸微小的裝置:「它們無法使用藍牙或是Wi-Fi晶片,因為會消耗太多功率在產生它們自己的無線電訊號上。」

而所謂的「間散射通訊」並不需要產生自己的無線電訊號,那些間散射裝置能把鄰近裝置例如智慧手錶所傳輸的無線訊號「回收再利用」;Iyer解釋:「我們讓像是智慧手錶、智慧型手機等裝置來做耗電量較大的產生無線電訊號工作,然後低功率的隱形眼鏡、植入裝置或是信用卡等,就能以一種將它們自己的資料編碼的方法來反射該訊號。」

Iyer補充指出,這種間散射元件的傳輸並不是正常的無線電,只是一個連結到天線的開關(switch):「開啟與關閉這個開關,讓我們能改變天線反射能量的方式;只要透過切換開關到正確的速率(rate),我們的間散射元件就能反射由像是智慧手錶等裝置產生的藍牙訊號,讓它看起來就像是能用手機接收的Wi-Fi封包。」

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「間散射」通訊能利用日常所見行動裝置產生低功耗Wi-Fi傳輸;例如圖中來自智慧手錶(左)的藍牙訊號,能為大腦植入裝置(右)透過Wi-Fi傳輸資料到智慧型手機
(來源:Mark Stone,華盛頓大學)

例如該團隊示範利用智慧手錶把一個藍牙訊號傳輸到配備了天線的智慧隱形眼鏡,為了製作一塊能寫入新訊息的「白板」,華盛頓大學團隊開發了一種方法把藍牙傳輸變成能被進一步操縱與轉換的「單頻(single tone)」訊號。透過反向散射該單頻訊號,隱形眼鏡能將資料編碼(例如所收集的健康資訊)到智慧型手機、平板裝置或筆記型電腦可閱讀的標準Wi-Fi封包。

對植入式醫療裝置來說,維持電池續航力至關重要;「如果你的植入裝置內有無線電會很快消耗電池電力,可能得動手術才能換電池;」lyer表示:「而像是隱形眼鏡那麼小的東西,若配備微型電池甚至恐怕不足以供應一般Wi-Fi或藍牙晶片所需電力。」他指出,間散射能讓那些植入裝置擁有Wi-Fi功能,而且所需電力是那些普通Wi-Fi晶片的萬分之一。

讓植入裝置能「說話」

許多植入裝置到目前為止都無法傳送訊息,因為它們的尺寸以及被裝在人體內,無法利用Wi-Fi將資料傳輸到智慧型手機或其他行動裝置上;Iyer表示,賦予植入式裝置與其他裝置溝通的能力:「可以改變我們管理慢性疾病的方式;舉例來說,隱形眼鏡能被用來透過淚液監測糖尿病患者的血糖值,並在血糖值降低時發送通知到手機上。」

在被問到為何該團隊選擇反射藍牙訊號時,Iyer的回答是:「因為藍牙被行動裝置廣泛採用,其移頻鍵控(frequency shift keying)通訊協議,使其能容易利用我們的技術轉換成Wi-Fi;」他補充指出:「我們認為把藍牙變成Wi-Fi很酷,因為後者的資料傳輸速率很高。我們也證實能用同樣的技術把藍牙變成ZigBee,甚至是另一個不同的藍牙封包。」

克服挑戰

在開發這種通訊技術的過程中,華盛頓大學團隊也遭遇了一些挑戰;包括後向散射的過程會產生不需要的訊號鏡像複製,因此消耗更多頻寬,以及與鏡像複製Wi-Fi通道網路之間的干擾。不過該團隊開發了一種叫做「單邊帶後向散射(single sideband backscatter)」的技術,避免那些不想要的副產品出現。

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華盛頓大學的「間散射」通訊技術研發團隊成員,分別為電子工程系博士生Bryce Kellogg (左)、電子工程系博士生Vikram Iyer (右),以及電腦科學既工程研究助理 Vamsi Talla (中);還有另兩位成員Shyam Gollakota與Joshua Smith (未出現在照片中)
(來源:Mark Stone,華盛頓大學)

論文共同作者、華盛頓大學電子工程博士生Bryce Kellogg表示:「那意味著我們能只用跟Wi-Fi網路一樣的頻寬,而且仍然可以讓其他Wi-Fi網路運作、不會產生干擾。」研究團隊為先前不可行的應用建立了三個概念驗證範例,包括能直接與智慧型手機、智慧手錶的溝通的智慧隱形眼鏡、植入式神經紀錄裝置(implantable neural recording device)。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: ‘Interscatter’ Tech Lets Implants Talk Wi-Fi,by Junko Yoshida)