Фоновый модулятор: беспроводная связь из ничего (перевод)

7   Примеры возможного использования

Фоновый модулятор позволяет организовать связь, используя только энергию внешнего радиосигнала. Это позволяет построить новый вид коммуникаций, доступных повсеместно. Устройства могут общаться, используя только внешнее электромагнитное поле без какой-либо дополнительной инфраструктуры. Здесь будут показаны два примера возможного использования, ставших доступными благодаря фоновой модуляции: транспортная карта, с которой можно передать деньги на другую карту где угодно и торговое приложение, в котором этикетка может сообщить, что товар лежит на неправильной полке. Эти примеры являются аналогами существующих RFID устройств, но отличаются прежде недостижимыми деталями: они могут работать везде и без каких-либо затрат на сопровождение. Это только беглый взгляд на открывающиеся возможности, а обсуждение полного потенциала и очевидных проблем, типа безопасности или удобства использования, выходит за рамки этой публикации.

7.1 Приложение "Транспортная карта"

Описанная выше конструкция была использована для проверки идеи, позволяющей пассивным транспортным картам общаться друг с другом в любом месте, в любое время и без использования считывателя. Подобное приложение может использоваться в самых разных ситуациях, например, при передаче денег между банковскими картами, оплате счетов в ресторанах простым прикосновением карты к счёту или реализации технологии электронной бумаги, которая может показывать цифровые данные с помощью электронной бумаги e-ink [39] и передавать их другим устройствам через фоновую модуляцию.

В этой секции будет представлен и разобран простой концепт интеллектуальной карты. В проекте используется описанный ранее прототип, состоящий из фонового трансивера, микроконтроллера MSP430, ёмкостных сенсоров и светодиодов. Когда пользователь касается сенсора, находясь радом с другой картой, он передаёт фразу "Hello World". Приёмник на другой карте принимает и декодирует сообщение, проверяет контрольную сумму и подтверждает успешный приём миганием светодиода. Опыты проводились в трёх точках, включая две самые удалённые от телебашни.

Испытания: Две карты размещались на расстоянии 4in (10см) друг от друга, после чего пользователь касался сенсора. Микроконтроллер реагировал на прикосновение и запускал на скорости 1 kbps передачу пакета "Hello World" длиной 96 бит с четырёхбитной контрольной суммой. Приёмник декодировал пакет и, если контрольная сумма сходилась, кратковременно (на 1 ms) зажигал светодиод для видимого подтверждения. Оба устройства получали питание только от собранной энергии телесигнала. Процедура повторялась с интервалом 3 секунды между прикосновениями. Задержка требовалась накопителю энергии для восполнения заряда, потраченного на свечение светодиода.

Результаты: На рисунке 12 дана разбивка для точек 5 и 6 по числу повторных попыток для 100 полных циклов работы: касание - передача пакета - вспышка светодиода на принимающей стороне. В 94% случаев для получения подтверждения требовалось только одна попытка и даже в худшем случае тратилось не более двух повторов для успешного завершения транзакции. Более того, исключение из процесса человека и перевод системы в автоматический режим снизил число повторов почти до нуля, т.е. проблемы крылись не в способе связи, а в ошибках интерфейса пользователя.

Рисунок 12. Приложение "транспортная карта". Число повторов, необходимых для совершения транзакции. 94% тестов прошло без перезапросов.

7.2 Торговое приложение

Фоновый модулятор можно использовать для сообщения об отсутствующем или переставленном на другую полку товаре. В данной секции описывается использование прототипа в подобной ситуации. Алгоритм прост: каждая этикетка переодически (раз в 5 сек.) передаёт свой номер. Соседи слушают передачу и сохраняют успешно декодированный номер. Каждая этикетка сама решает, находится ли она на правильном месте, сравнивая собственный номер с принятыми. Если разница в как минимум двумя номерами соседей больше пороговой, этикетка решает, что находится на неправильном месте и начинает мигать светодиодом.

Испытания: В десять прототипов (этикеток) были записаны номера 100 и с 201 по 209. Этикетки прикрепили к упаковкам с крупой и поставили товар на полку в порядке возрастания номеров. Пачку с номером 100 поставили на восьмое место. Внешний RFID излучатель передавал инициирующий сигнал и запускал измерение времени до начала мигания светодиода у "неправильно" размещённого упаковки.

Результаты: График на рисунке 13 показывает, что почти в половине из 40 опытов перепутанная этикетка начинала мигать менее чем через 20 секунд. В худшем случае мигание начиналось через 190 секунд. Отметим, что данный результат далёк от оптимального и лишь демонстрирует одно из возможных применений.

Рисунок 13. Торговое приложение. График среднего времени, проходящего до зажигания информационного светодиода.



8   Работы по сходной тематике

Все ранее написанные работы можно разбить на две большие группы: беспроводная связь (a) и сбор энергии (b).

(a) Беспроводная связь. Сегодня беспроводная связь ограничивается двумя основными направлениями: радиосвязь и переотражение. Для обычной радиосвязи нужны устройства, излучающие радиосигнал. Здесь основной проблемой является потребляемая мощность, т.к. используются прожорливые аналоговые компоненты: ЦАПы, смесители, генераторы, усилители мощности в передающем тракте [30, 16] и малошумящие усилители, смесители, генераторы и АЦП в приёмном [30, 16], и большая часть работ уделяет основное внимание снижению потребляемой отдельными узлами мощности [23, 10, 6, 28, 13]. Связь посредством модуляции фона на два порядка экономичнее, чем самые совершенные классические трансиверы [25, 35, 11], и больше подходят безбатарейным устройствам [31, 38].

В отличие от классической радиосвязи, переотражение (например, RFID) нуждается в устройстве с постоянным питанием, называемым считывателем, чтобы создавать постоянный довольно мощный сигнал, который безбатарейные модули возвращают обратно считывателю. Без активного считывателя модули бесполезны, а значит нуждаются в дорогой и не везде доступной инфраструктуре.

Данная статья представляет фоновый модулятор - новое решение проблем связи, при котором устройства могут общаться без излучения радиосигналов (как в классической радиосвязи) и без отражения специального сигнала (как в традиционных отражающих схемах). Фоновый модулятор избавляет от необходимости иметь специальную инфраструктуру передачи энергии и таким образом открывает новую форму повсеместно доступной связи с ранее недостижимым охватом и масштабом.

Ближе всего к данной работе лежит публикация [20], описывающая прямую связь двух RFID модулей, находящихся на расстоянии 25мм друг от друга. Но такое общение подразумевает наличие излучателя сигнала постоянной мощности. Предлагаемый подход принципиально отличается от [20] тем, что позволяет устанавливать связь, используя внешние фоновые радиволны, а будучи использованным в стандартных RFID метках, позволит им общаться на дистанциях гораздо больших 25мм.

(b) Сбор энергии. В этой группе данная работа относится к направлению беспроводного питания и сбора энергии радиоволн. Беспроводное питание позволяет заряжать целевые устройства дистанционной передачей энергии из специального источника [32]. Фоновый модулятор использует такой же подход, но обращает основное внимание на использование сторонних радиоволн в качестве единственного источника энергии.

Сходные публикации показывают методы сбора достаточной для использования мощности из телевизионного сигнала [32] и сигнала сотовой связи [24]. Эти работы явились катализатором и источником идей для написания данной статьи.



9   Заключение

Несколько последних десятилетий своего существования компьютеры были жёстко связаны со своим окружением. Привязанные шнуром питания к розетке, они становились бесполезными в отсутствие внешнего питания. Беспроводная связь и мощные батареи позволили работать и общаться какое то время в относительной свободе.

В даннй статье представлен фоновый модулятор - новая форма связи, дающая возможность общения между компьютерами посредством свойств окружения. Новая форма связи использует теле- и радиосигналы в качестве источника энергии и одновременно среды передачи. Фоновый модулятор не требует сложных в обслуживании батарей и специализированной инфраструктуры подвода мощности, как другие виды маломощной связи (RFID и NFC) и открывает широкий простор для новых способов использования, невозможных или непрактичных прежде. Хочется верить, что фоновая модуляция станет основной составной частью будущих дешёвых, не требующих обслуживания устройств работоспособных везде, где есть внешние радиоволны.

Благодарности: Хотим поблагодарить Михаила Бютнера (Michael Buettner), Даниэла Гальперина (Daniel Halperin), Дину Катаби (Dina Katabi), членов группы сетей и беспроводной связи Университета Вашингтона, нашего руководителя Кун Тэн (Kun Tan) и анонимных участников SIGCOMM, давших ценные советы. Мы благодарим Броди Мэхони (Brody Mahoney) за помощь в редактировании видеоролика. Исследование велось на средства Google Faculty Research Award, NSF Center for Sensorimotor Neural Engineering (EEC-1028725) и Университета Вашингтона.

[* Переводчик выражает благодарность Скрипачу<caxapa.ru> за предложенный термин "фоновая модуляция"]



10   Ссылки

[0] Оригинальная публикация и страничка переводчика.

[1] 41 dBu service contours around ASRN 1226015, FCC TV query database.

[2] 8VSB vs. COFDM. http://www.axcera.com/downloads/technotes-whitepapers/technote_4.pdf.

[3] ADG902 RF switch.

[4] Average U.S. home now receives a record 118.6 TV channels, according to Nielsen.

[5] DiBEG the launching country.

[6] The encounternet project.

[7] New policies for part 15 devices, FCC, TCBC workshop, 2005.

[8] TS881 datasheet, STMicroelectronics, july 2012.

[9] ATSC digital television standard. ATSC Standard A/53, 1995.

[10] J. Bohorquez, A. Chandrakasan, and J. Dawson. A 350µW CMOS MSK transmitter and 400µW OOK super-regenerative receiver for medical implant communications. Solid-State Circuits, IEEE Journal of, 44(4):1248 --1259, april 2009.

[11] M. Buettner. Backscatter Protocols and Energy-Efficient Computing for RF-Powered Devices. PhD thesis, University of Washington, Seattle, 2012.

[12] D. Duc, H. Lee, and K. Kim. Enhancing security of EPCglobal Gen-2 RFID against traceability and cloning. Auto-ID Labs Information and Communication University, White Paper, 2006.

[13] M. Gorlatova, P. Kinget, I. Kymissis, D. Rubenstein, X. Wang, and G. Zussman. Energy-harvesting active networked tags (EnHANTs) for ubiquitous object networking. IEEE Wireless Commun., 2010.

[14] L. Kleinrock and F. Tobagi. Packet switching in radio channels: Part I--carrier sense multiple-access modes and their throughput-delay characteristics. Communications, IEEE Trans. on, 23(12):1400--1416, 1975.

[15] A. Lazarus. Remote, wireless, ambulatory monitoring of implantable pacemakers, cardioverter defibrillators, and cardiac resynchronization therapy systems: analysis of a worldwide database. Pacing and clinical electrophysiology, 30:S2--S12, 2007.

[16] T. Lee. The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits. Cambridge University Press, 1998.

[17] Y. Liu, C. Huang, H. Min, G. Li, and Y. Han. Digital correlation demodulator design for RFID reader receiver. In Wireless Communications and Networking Conference 2007, pages 1664--1668. IEEE.

[18] B. Mace. Wave reflection and transmission in beams. Journal of Sound and Vibration, 97(2):237--246, 1984.

[19] J. Mastrototaro. The MiniMed continuous glucose monitoring system. Diabetes technology & therapeutics, 2(1, Supplement 1):13--18, 2000.

[20] P. Nikitin, S. Ramamurthy, R. Martinez, and K. Rao. Passive tag-to-tag communication. In RFID, 2012.

[21] P. Nikitin and K. Rao. Theory and measurement of backscattering from RFID tags. Antennas and Propagation Magazine, IEEE, 2006.

[22] I. Obeid and P. Wolf. Evaluation of spike-detection algorithms for a brain-machine interface application. Biomedical Engineering, IEEE Transactions on, 51(6):905 --911, june 2004.

[23] J. Pandey and B. Otis. A sub-100µW MICS/ISM band transmitter based on injection-locking and frequency multiplication. Solid-State Circuits, IEEE Journal of, 46(5):1049 --1058, may 2011.

[24] A. N. Parks, A. P. Sample, Y. Zhao, and J. R. Smith. A wireless sensing platform utilizing ambient RF energy. In IEEE Topical Meeting on Wireless Sensors and Sensor Networks (WiSNet 2013), January 2013.

[25] V. Pillai, H. Heinrich, D. Dieska, P. Nikitin, R. Martinez, and K. Rao. An ultra-low-power long range battery/passive RFID tag for UHF and microwave bands with a current consumption of 700 nA at 1.5 V . IEEE Circuits and Systems Trans. on, 54(7):1500--1512, 2007.

[26] J. Proakis. Digital Communications. Communications and signal processing. McGraw-Hill, 1995.

[27] X. Qing and N. Yang. A folded dipole antenna for RFID. In Antennas and Propagation Society International Symposium, 2004. IEEE, volume 1, pages 97--100. IEEE, 2004.

[28] J. Rabaey, J. Ammer, T. Karalar, S. Li, B. Otis, M. Sheets, and T. Tuan. PicoRadios for wireless sensor networks: the next challenge in ultra-low power design. In Solid-State Circuits Conference, 2002. Digest of Technical Papers. ISSCC. 2002 IEEE International, volume 1, pages 200 --201 vol.1, 2002.

[29] K. Rao, P. Nikitin, and S. Lam. Antenna design for UHF RFID tags: A review and a practical application. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, 53(12):3870--3876, 2005 .

[30] B. Razavi. RF microelectronics. Prentice-Hall, Inc., Upper Saddle River, NJ, USA, 1998 .

[31] S. Roy, V. Jandhyala, J. Smith, D. Wetherall, B. Otis, R. Chakraborty, M. Buettner, D. Yeager, Y.-C. Ko, and A. Sample. RFID: From supply chains to sensor nets. Proceedings of the IEEE, 2010 .

[32] A. Sample and J. Smith. Experimental results with two wireless power transfer systems. In Radio and Wireless Symposium, 2009 .

[33] A. Sample, D. Yeager, P. Powledge, A. Mamishev, and J. Smith. Design of an RFID-based battery-free programmable sensing platform. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2008 .

[34] G. Seigneuret, E. Bergeret, and P. Pannier. Auto-tuning in passive UHF RFID tags. In NEWCAS Conference (NEWCAS), 2010 8th IEEE International, pages 181--184, 2010.

[35] S. Thomas and M. Reynolds. A 96 Mbit/sec, 15.5 pJ/bit 16-QAM modulator for UHF backscatter communication. In RFID (RFID), 2012 IEEE International Conference on, pages 185 --190, april 2012 .

[36] M. Tubaishat and S. Madria. Sensor networks: an overview. Potentials, IEEE, 22(2):20--23, 2003 .

[37] R. Walden. Analog-to-digital converter survey and analysis. Selected Areas in Communications, IEEE Journal on, 17(4):539 --550, apr 1999 .

[38] E. Welbourne, L. Battle, G. Cole, K. Gould, K. Rector, S. Raymer, M. Balazinska, and G. Borriello. Building the internet of things using RFID: The RFID ecosystem experience. Internet Computing, IEEE, 13(3):48--55, may-june 2009 .

[39] J. Zalesky and A. Wakefield. Integrating segmented electronic paper displays into consumer electronic devices. In Consumer Electronics (ICCE), 2011 IEEE International Conference on, pages 531 --532, jan. 2011.



11. Примечания

(*1) В конструкции использовались обычные дискретные компоненты. Интегрированные коммерческие решения могут достичь лучших результатов, занимать меньшую площадь и размещаться в корпусе произвольной формы.

(*2) На таких расстояниях доминируют эффекты ближней зоны антенны телеприёмника.

(*3) Чтобы дополнительно уменьшить энергопотребление, можно переводить микроконтроллер в состояние сна на время ожидания освобождения канала, если используется невытесняющая CSMA связь [14].

(*4) Для работы в большей полосе частот можно придумать систему с автоподстройкой частоты, подобную двухчастотной RFID метке [34], которая будет самостоятельно подстраивать схему сбора энергии, выбирая доступные каналы.

(*5) Большая доля энергии, потребляемая цифровой частью (микроконтроллером), является следствием реализации. Микросхемы общего применения обычно в коммерческие малопотребляющие устройства не ставят. Вместо них используются заказные кристаллы, которые могут тратить в разы меньше мощность [25, 33]. В таких схемах аналоговые компоненты часто доминируют в энергопотреблении над цифровой частью [10].

(*6) При длине пакета 96 бит и использовании простых кодов с повторами допустимый уровень BER составляет 10⁻² [26].

(*7) Эксперементы в других местах показали, что при более сильном сигнале телеприёмники устойчивее к помехам, и на дистанциях более 1in (2,5см) какие-либо визуальные эффекты редки, а дальше 3in (7,5см) отсутствуют полностью.