[论文解读] 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 23

一句话总结

本文提出了一种新型背散射技术——interscatter通信，仅使用现成设备即可将蓝牙传输转换为符合标准的Wi-Fi和ZigBee信号。通过使用基于FPGA的原型设备对蓝牙广告数据包进行背散射，作者在Wi-Fi上实现了2–11 Mbps的数据速率，并展示了可植入式设备和隐形眼镜设备的原理验证，这些设备可直接与智能手机和智能手表通信。

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.

研究动机与目标

• 实现可植入医疗设备与智能手机、智能手表等现成移动设备之间的直接通信。
• 克服可植入设备的功耗限制，使其无法使用传统无线电发送Wi-Fi、蓝牙或ZigBee信号。
• 通过复用消费类设备中已有的蓝牙、Wi-Fi和ZigBee无线电，消除对定制基础设施或专用读取器的需求。
• 在保持频谱效率和与现有无线标准兼容性的前提下，利用背散射通信实现高达2–11 Mbps的数据速率。
• 展示此前不可行的应用的可行性，例如可植入神经接口和隐形眼镜天线，实现直接的互联网连接。

提出的方法

• 利用现成的蓝牙设备通过持续发送1或0的比特流生成单音载波信号，利用蓝牙的GFSK调制特性。
• 实现单边带背散射调制，仅在一个边带生成Wi-Fi信号，避免频谱冗余，相比以往的双边带设计，频谱效率提高一倍。
• 利用现有的Wi-Fi发射器发送编码信息的OFDM符号，使背散射设备能够接收信息，实现无需专用读取器的双向通信。
• 设计并构建基于FPGA的interscatter设备原型，利用背散射技术将蓝牙信号调制为符合标准的802.11b和ZigBee信号。
• 利用蓝牙的物理层特性（1–2 MHz带宽，GFSK）和Wi-Fi的物理层特性（22 MHz带宽，OFDM）对齐信号转换，确保符合标准。
• 使用现成的蓝牙、Wi-Fi和ZigBee设备在真实环境中验证系统运行，确认互操作性和性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以仅使用背散射通信技术，无需定制硬件，将蓝牙传输转换为符合标准的Wi-Fi信号？
• RQ2 在保持频谱效率并避免冗余边带的前提下，是否可行通过蓝牙背散射实现高数据速率（例如2–11 Mbps）？
• RQ3 interscatter通信是否能够实现可植入医疗设备与现成智能手机或智能手表之间的直接、低功耗通信？
• RQ4 当接收端为标准Wi-Fi或蓝牙设备时，如何可靠地将信息传递给背散射设备？
• RQ5 该方法是否可以扩展至使用相同背散射机制生成与ZigBee兼容的信号？

主要发现

• 作者通过基于FPGA的原型设备对蓝牙广告数据包进行背散射，成功生成了符合802.11b标准的Wi-Fi信号，数据速率达2–11 Mbps。
• 系统实现了单边带背散射调制，相比以往的双边带设计，带宽使用减少50%，频谱效率显著提升。
• 该方法实现了首个隐形眼镜外形天线原型，可背散射蓝牙信号以生成可检测的Wi-Fi信号。
• 演示了可植入神经记录接口可仅通过现成的蓝牙和Wi-Fi无线电直接与智能手机和智能手表通信。
• 系统使用现成的蓝牙、Wi-Fi和ZigBee设备进行了验证，确认在多种无线技术之间具备互操作性和标准合规性。
• 该方法通过在Wi-Fi传输的OFDM符号中编码信息，支持双向通信，使背散射设备在发送的同时也能接收数据。