Фоновый модулятор: беспроводная связь из ничего (перевод)

Vincent Liu, Aaron Parks, Vamsi Talla, Shyamnath Gollakota, David Wetherall, Joshua R. Smith
University of Washington

{liuv, anparks, vamsit, gshyam, djw, jrsjrs}@uw.edu

Перевод teap0t<caxapa.ru> v1.000 20-Apr-2015

Категория и аннотация

C.2.1 [Сетевая архитектура и разработка]: беспроводная связь
[Network Architecture and Design]: Wireless communication

Ключевые слова

переотражение; фоновая модуляция; интернет вещей; накопление энергии; беспроводная связь
Backscatter; Internet of Things; Energy harvesting; Wireless

Разрешается делать цифровые копии и копии на твердом носителе всех частей представленной работы для персонального использования и обучения без отчислений правообладателю при условии, что сделанные копии не используются для получения прибыли или коммерческой выгоды, содержат данное предупреждение и цитируют первую страницу работы без изъятий. Все права, принадлежащие иным лицам и организациям, должны соблюдаться. Аннотирование с упоминанием авторства разрешено. Все иные способы копирования, распространения, размещение на публичных серверах и в списках рассылки требуют предварительного специального разрешения и/или денежных отчислений. За разрешениями обращаться по адресу: permissions@acm.org. SIGCOMM'13, August 12--16, 2013, Hong Kong, China. Copyright 2013 ACM 978-1-4503-2056-6/13/08 ...$15.00.

[* Текст в квадратных скобках, выделенный фоновым цветом аналогично этому фрагменту, содержит примечания переводчика. ]

1   Введение

Небольшие вычислительные устройства всё активнее встраиваются во всевозможные предметы и оборудование, типа термостатов, книг, фурнитуры и даже вживляемых медицинских аппаратов [15, 22, 19]. По мере уменьшения их размеров и роста популяции на первый план выходит проблема питания: провода часто недопустимы, а батареи увеличивают вес, объём, стоимость и требуют перезарядки или замены, что добавляет затраты на обслуживание и становится весьма затруднительным при большом числе устройств [36].

Основной вопрос, на который пытается ответить данная публикация: "Можно ли создать устройство способное устанавливать связь, используя в качестве единственного источника питания фоновые радиосигналы?". В зоне городской застройки есть много сетей беспроводной связи и телепередатчиков (днём и ночью, в помещении и на открытой местности). Недавние исследования показали, что от этих источников можно получить от десятков до сотен микроватт мощности [32, 24]. Таким образом, положительный ответ на поставленный вопрос позволит создать беспрецедентную по объёму и широте охвата систему связи, в том числе в местах, недоступныех прежде.

Разрабатывать подобные системы связи непросто, потому что процесс генерации радиоволн требует гораздо больше мощности, чем можно собрать из фоновых источников [24]. В данной публикации представляется "фоновая модуляция" (ambient backscatter) - новый вид связи, позволяющий устройствам общаться посредством отражения и поглощения фонового излучения. В устройствах, работающих по сходному принципу (например, RFID), передача осуществляется модуляцией отражения пилотного радиосигнала (а не генерацией радиоволн). Таким образом, они более чем на порядок энергоэффективнее систем обычной радиосвязи [11].

Фоновая модуляция отличается от отражения RFID-типа тремя параметрами. Первый: оно использует существующие радиосигналы и, соответственно, не требует развёртывания специальной инфраструктуры, подобной считывателям RFID, которая целенаправленно передаёт близлежащим устройствам мощный (до 1 Вт) сигнал. Это позволяет избавиться от расходов на монтаж и поддержку, делающих подобные системы непрактичными, особенно на открытой местности и больших площадях. Второй: компактность, так как не требуется источник энергии сверх уже имеющейся в окружающем пространстве. Наконец, фоновая модуляция позволяет общаться двум одинаковым устройствам и этим отличается от технологии RFID, в которой пассивная метка может говорить исключительно со считывателем и не способна даже обнаружить факт передачи другой метки.

Для лучшего понимания принципа работы вообразим два близко расположенных прибора Алису, Боба и телевизионную вышку, как источник фонового излучения (см. рис. 1). Предположим, Алиса хочет послать сообщение Бобу. Чтобы сделать это, Алиса модулирует фоновый сигнал в соответствии с последовательностью бит пакета. Разница между единицами и нулями может обозначаться переключение антенны между рассеивающим (отражающим) и поглощающим (принимающим) состояниями. Тем самым Алиса порождает дополнительный путь распространения телевизионного сигнала к Бобу и другим приёмным устройствам в непосредственной близости. Широкополосные телеприёмники и сотовые сети спроектированы так, чтобы компенсировать эффекты многолучевой передачи и могут даже учитывать побочные пути распространения. Боб же может чувствовать неоднородность сигнала, вносимую переотражением, и декодировать сообщение Алисы.

Рисунок 1. Фоновый модулятор. Связь между двумя безбатарейными устройствами. Одно, Алиса, может внести во внешний сигнал небольшие искажения. Такое воздействие может обнаруживаться находящимся рядом Бобом. Для приёмников, настроенных на приём самого фонового сигнала, подобные действия всего лишь создают ещё один дополнительный путь для его распространения.

При проектировании системы фоновой модуляции необходимо решить как минимум три задачи:

• Степень воздействия очень мала и традиционные системы используют специальный сигнал с постоянной частотой и амплитудой [21], чтобы упростить обнаружение его слабых изменений. Фоновая модуляция использует посторонний сигнал, уже несущий какую-то информацию. Соответственно, нужен иной механизм извлечения данных.

• Обычные приёмники ориентированы на использование генераторов и АЦП - достаточно прожорливых компонентов - и декодируют сигнал с помощью сложных методов цифровой обработки. Такой подход не годится для безбатарейных устройств.

• В сети на основе фоновой модуляции нет центрального устройства, подобного считывателю RFID, координирующего радиообмен. Таким образом, в нём должен использоваться протокол множественного доступа, и необходимы функции, подобные контролю несущей, неактуальные для существующих переотражающих устройств.

Проектирование элементов аппаратуры шло параллельно с разработкой стека сетевого протокола. Основа декодирования - разница скоростей передачи информации через сам фоновый радиосигнал и через его отражения. Такая разница позволяет различать информационные потоки, используя лишь обычные аналоговые компоненты, вроде конденсаторов и компараторов. Используя физические особенности изменённого сигнала, возможно реализовать контроль несущей и пакетную синхронизацию, что, в свою очередь, позволяет создать сетевой протокол для координирования множества подобных устройств.

Для демонстрации возможностей технологии были построены прототипы размером примерно с банковскую карту, показанные на рис. 2. (*1) Конструкция состоит из накопителя энергии телевизионного сигнала и фонового переотражателя, настроенного на центральную частототу UHF TV 533 MHz и полосу 50 MHz. Сборщик энергии обеспечивает питанием сам приёмопередатчик и микроконтроллер. Приложениям доступен светодиод и ёмкостный сенсор.

Рисунок 2. Прототип. Фотография печатной платы устройства, которое может накапливать энергию, передавать и принимать сообщения без дополнительных батарей и считывателей. Конструкция включает ёмкостные сенсоры (кнопки A, B и C), светодиоды (рядом с двумя стрелками), работающие исключительно на накопленной энергии.

В рамках данной работы исследовались два экспериментальных проекта, способных продемонстрировать потенциальные возможности фоновой модуляции. В качестве первого выступает транспортная карта, позволяющая передать деньги на другую карту в любом месте и в любое время. Если одно устройство обнаружило другое, а пользователь прикоснулся к сенсору, то в микроконтроллер на второй карте передаётся текущий баланс. Процесс сопровождается миганием светодиода. В качестве второго проекта выбрано оборудование для торговой точки, позволяющее по ярлыку обнаружить некорректное размещение товара на полке. Для этого опрашиваются все встречающиеся в помещении ярлыки (10 штук) и на размещённом неправильно, если таковой обнаруживается, включается светодиод.

Система проверялась в помещении и на открытой местности на разных расстояниях между передатчиком и приёмником. Чтобы учесть влияние многолучевой передачи, положение приёмника немного менялось от измерения к измерению, и их общее число в итоге достигло 1020 сеансов. В результате выяснилось, что два устройства способны передавать друг другу данные со скоростью 1 kbps на расстояние 1.5ft (0,45м) в помещении и 2.5ft (0,75м) на открытой местности. Кроме того, было обнаружено, что тестовая схема (включающий светодиод, ёмкостной датчик и микроконтроллер) способна устанавливать связь на расстоянии до 6.5mi (8,5км). от передающей вышки. Наконец, была рассмотрена создаваемая фоновой модуляцией интерференция несущего сигнала. Выяснилось, что в наихудшем случае устройство, расположенное дальше 7.2in (0,2м) от антенны бытового телеприемника, не создаёт сколь-нибудь заметных помех передаче. (*2)

Итого, в результате проведённой работы:

• Предложен принцип фоновой модуляции - элемента беспроводной связи, впервые позволившего устройствам общаться, не генерируя радиоволны (как это происходит в обычной радиосвязи) и не отражая специальные пилотные радиосигналы (как в RFID).

• Создан стек сетевого протокола, позволяющий сосуществовать множеству подобных устройств. Показано как обнаруживать уровень излучения, не имея возможности прямого измерения, и обеспечивать тем самым контроль несущей.

• Собранный прототип демонстрирует возможности конструкции, начиная с принципа фоновой модуляции и заканчивая протоколом множественного доступа с помощью простых аналоговых компонентов.

Авторы рассчитывают, что несмотря на скромные параметры прототипа, предложенная техника поможет наполнить реальный мир вспомогательными вычислительными устройствами и позволить им общаться между собой в невиданных доселе масштабах.