[論文レビュー] Inter-Technology Backscatter: Towards Internet Connectivity for Implanted Devices

Vikram Iyer, Vamsi Talla+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 23

ひとこと要約

本論文では、安価なデバイスのみを用いてBluetooth送信を標準準拠のWi-FiおよびZigBee信号に変換する、新しいバックスキャター技術「インターレイスキャター通信」を紹介する。FPGAを搭載したプロトタイプを用いてBluetooth広告パケットをバックスキャター化することで、Wi-Fiでは2–11 Mbpsのデータレートを達成し、スマートフォンやスマートウォッチと直接通信可能なインプラント型およびコンタクトレンズ型デバイスの概念実証を示した。

ABSTRACT

We introduce inter-technology backscatter, a novel approach that transforms wireless transmissions from one technology to another, on the air. Specifically, we show for the first time that Bluetooth transmissions can be used to create Wi-Fi and ZigBee-compatible signals using backscatter communication. Since Bluetooth, Wi-Fi and ZigBee radios are widely available, this approach enables a backscatter design that works using only commodity devices. We build prototype backscatter hardware using an FPGA and experiment with various Wi-Fi, Bluetooth and ZigBee devices. Our experiments show we can create 2-11 Mbps Wi-Fi standards-compliant signals by backscattering Bluetooth transmissions. To show the generality of our approach, we also demonstrate generation of standards-complaint ZigBee signals by backscattering Bluetooth transmissions. Finally, we build proof-of-concepts for previously infeasible applications including the first contact lens form-factor antenna prototype and an implantable neural recording interface that communicate directly with commodity devices such as smartphones and watches, thus enabling the vision of Internet connected implanted devices.

研究の動機と目的

• インプラント医療機器とスマートフォンやスマートウォッチなどの一般消費者向けモバイルデバイスとの直接通信を可能にすること。
• Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee信号を送信するための従来のラジオを搭載できないインプラントデバイスの電力制限を克服すること。
• 既存のBluetooth、Wi-Fi、ZigBeeラジオがすでに搭載された消費者向けデバイスを再利用することで、カスタムインfraや専用リーダーの必要性を排除すること。
• バックスキャター通信を用いて、スペクトル効率と既存の無線規格との互換性を保ちながら、2–11 Mbpsの高いデータレートを達成すること。
• コンタクトレンズアンテナや直接インターネット接続が可能なインプラント神経インターフェースなど、従来では実現不可能とされていた応用分野の実現可能性を示すこと。

提案手法

• BluetoothのGFSK変調特性を活用し、1または0の定常ストリームを送信することで、一般消費者向けBluetoothデバイスを用いて単一周波数のキャリア信号を生成する。
• 片側波帯バックスキャター変調を実装し、片側波帯でのみ信号を生成することで、従来の二重側波帯設計と比較してスルーレット帯域幅を50%削減し、スペクトル効率を倍増させる。
• 既存のWi-Fi送信機を活用してOFDMシンボルを送信し、バックスキャター装置に情報を符号化することで、専用リーダーを必要とせず双方向通信を実現する。
• バックスキャター技術を用いてBluetooth信号を802.11bおよびZigBee準拠の信号に変換するFPGAベースのインターレイスキャター装置を設計・プロトタイピングする。
• Bluetooth（1–2 MHz帯域幅、GFSK）およびWi-Fi（22 MHz帯域幅、OFDM）の物理層特性を活用し、信号変換の整合性を確保するとともに、規格準拠を保証する。
• 実世界の環境で、一般流通品のBluetooth、Wi-Fi、ZigBeeデバイスを用いてシステム動作を検証し、相互運用性および性能を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カスタムハードウェアを用いずに、バックスキャター通信を用いてBluetooth送信を標準準拠のWi-Fi信号に変換することは可能か？
• RQ2 スペクトル効率を保ちつつ、重複する側波帯を回避し、2–11 Mbpsの高いデータレートを達成するバックスキャター通信（Bluetoothからのもの）は実現可能か？
• RQ3 インターレイスキャター通信は、インプラント医療機器と一般消費者向けスマートフォンやスマートウォッチとの間で、低消費電力で直接通信を可能にするか？
• RQ4 受信機が標準のWi-FiまたはBluetoothデバイスである場合、情報はどのようにバックスキャター装置に確実に伝達できるか？
• RQ5 同じバックスキャターメカニズムを用いてZigBee準拠の信号を生成することは拡張可能か？

主な発見

• 著者らは、FPGAベースのプロトタイプを用いて、Bluetooth広告パケットをバックスキャター化することで、802.11b準拠のWi-Fi信号を2–11 Mbpsのデータレートで生成することに成功した。
• システムは片側波帯バックスキャター変調を達成し、従来の二重側波帯設計と比較して帯域幅使用量を50%削減し、スペクトル効率を向上させた。
• 本手法により、Bluetooth信号をバックスキャター化して検出可能なWi-Fi信号を生成可能な、初めてのコンタクトレンズ型アンテナプロトタイプが実現された。
• インプラント神経記録インターフェースが、一般消費者向けのBluetoothおよびWi-Fiラジオのみを用いて、スマートフォンおよびスマートウォッチと直接通信可能であることを実証した。
• 一般流通品のBluetooth、Wi-Fi、ZigBeeデバイスを用いてシステムを検証し、複数の無線技術間で相互運用性および規格準拠性が確認された。
• Wi-Fi送信のOFDMシンボルに情報を符号化することで、双方向通信が可能であり、バックスキャター装置が送信中でも受信が可能であることを示した。