[논문 리뷰] Inter-Technology Backscatter: Towards Internet Connectivity for Implanted Devices

Vikram Iyer, Vamsi Talla외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 15.

Energy Harvesting in Wireless Networks인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 기존 기기들만을 사용하여 블루투스 전송을 표준 준수 Wi-Fi 및 지그비 신호로 변환하는 새로운 백스캐터 기술인 인터스캐터 커뮤니케이션을 소개한다. 현행 FPGA 기반 프로토타입을 통해 블루투스 광고 패킷을 백스캐터링하여 Wi-Fi에서 2–11 Mbps의 데이터 전송 속도를 달성했으며, 스마트폰과 시계와 직접 통신하는 임플란트 및 콘택트 렌즈 기반 장치의 개념 증명을 수행하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 임플란트 의료 기기와 스마트폰, 스마트워치와 같은 기성 이동 기기 간의 직접 통신을 가능하게 한다.
• Wi-Fi, 블루투스, 지그비 신호를 전송하기 위해 일반 라디오를 사용할 수 없는 임플란트 기기의 전력 제약을 극복한다.
• 기존의 전용 리더나 전용 인fra구조가 필요 없도록 하여 소비자 기기 내부에 이미 존재하는 블루투스, Wi-Fi, 지그비 라디오를 재사용한다.
• 백스캐터링 통신을 통해 스펙트럼 효율성과 기존 무선 표준 호환성을 유지하면서도 높은 데이터 전송 속도(2–11 Mbps)를 달성한다.
• 기존에는 불가능시였던 응용 분야, 예를 들어 블루투스 신호를 백스캐터링해 감지 가능한 Wi-Fi 신호를 생성할 수 있는 콘택트 렌즈 안테나 및 직접 인터넷 연결이 가능한 임플란트 신경 인터페이스의 실현 가능성을 입증한다.

제안 방법

• 블루투스의 GFSK 변조 특성을 활용하여, 일정한 1 또는 0 스트림을 전송함으로써 기성 블루투스 기기에서 단일 주파수 신호를 생성한다.
• 단일 옆대역 백스캐터링 변조를 구현하여, 이전의 이중 옆대역 설계 대비 스펙트럼 중복을 방지하고 스펙트럼 효율을 두 배로 향상시킨다.
• 백스캐터링 장치에 정보를 인코딩하기 위해 기존의 Wi-Fi 송신기를 활용하여 OFDM 심볼을 전송함으로써, 전용 리더가 필요 없이 양방향 통신을 가능하게 한다.
• 백스캐터링 기법을 사용하여 블루투스 신호를 표준 준수 802.11b 및 지그비 신호로 변환하는 FPGA 기반 인터스캐터 장치를 설계 및 프로토타입화한다.
• 블루투스(1–2 MHz 대역폭, GFSK)와 Wi-Fi(22 MHz 대역폭, OFDM)의 물리 계층 특성을 활용하여 신호 변환 과정을 정렬하고 표준 준수를 확보한다.
• 기성 블루투스, Wi-Fi, 지그비 기기를 사용하여 실제 환경에서 시스템 작동을 검증함으로써 상호운용성과 성능을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 맞춤형 하드웨어 없이 백스캐터링 통신을 통해 블루투스 전송을 표준 준수 Wi-Fi 신호로 변환할 수 있는가?
• RQ2 스펙트럼 효율성을 유지하고 중복된 옆대역을 피하면서도, 블루투스에서의 백스캐터링을 통해 고속 데이터 전송(예: 2–11 Mbps)을 달성하는 것이 가능한가?
• RQ3 인터스캐터 커뮤니케이션은 임플란트 의료 기기와 기성 스마트폰 또는 스마트워치 간의 직접적이고 저전력 통신을 가능하게 하는가?
• RQ4 수신기가 표준 Wi-Fi 또는 블루투스 기기일 경우, 정보를 백스캐터링 장치에 안정적으로 전달하는 방법은 무엇인가?
• RQ5 동일한 백스캐터링 메커니즘을 사용하여 지그비 호환 신호를 생성하는 데에 응용할 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 프로토타입 FPGA 기반 장치를 사용하여 블루투스 광고 패킷을 백스캐터링함으로써 802.11b 준수 Wi-Fi 신호를 2–11 Mbps의 데이터 전송 속도로 성공적으로 생성하였다.
• 시스템은 단일 옆대역 백스캐터링 변조를 구현하여 이전의 이중 옆대역 설계 대비 대역폭 사용을 50% 감소시켰고, 스펙트럼 효율성을 향상시켰다.
• 이 방법을 통해 블루투스 신호를 백스캐터링하여 감지 가능한 Wi-Fi 신호를 생성할 수 있는 첫 번째 콘택트 렌즈 형상 안테나 프로토타입을 실현하였다.
• 임플란트 신경 기록 인터페이스가 기성 블루투스 및 Wi-Fi 라디오만을 사용하여 스마트폰과 스마트워치와 직접 통신하는 데 성공하였다.
• 기성 블루투스, Wi-Fi, 지그비 기기를 사용하여 시스템을 검증함으로써, 여러 무선 기술 간의 상호운용성과 표준 준수를 확인하였다.
• Wi-Fi 전송의 OFDM 심볼에 정보를 인코딩함으로써 양방향 통신을 지원하여, 백스캐터링 장치가 전송 중일 동안 수신 데이터를 받을 수 있도록 하였다.