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ABC:我的钥匙不见了,谁能给它“打个电话”?

远在几千年前,无线通信就存在了。当时,通信仅用在军事上(现代许多通信技术也是先从军事用途开始发展),但有一个特权份子,为了讨女生开心,滥用通信技术,弄得很多人不开心,最后甚至导致了国家的灭亡。

那位特权份子叫周幽王,那项通信技术叫做烽火台。

之后,虽然西周被灭亡了,但烽火台利用可见光的通信精神却传承下去,水手在大海中靠着光传送摩斯密码,甚至现代交通信号的红绿灯,以及最近真的很热门的LED光通信,都属于“可见光通信”的一部分。

事实上,推理小说里还有另一种可见光通信:

下午,耀眼的太阳将整座城市洒上一层金粉。坐在窗边发呆的ABC,突然注意到几条街外的阁楼窗口,有一道光芒规律地闪烁著。不寻常的规律性令他起疑,他数着明暗变化。短、短、短、长、长、长、短、短、短,刚好是摩斯密码的“SOS”。拿起手边的望远镜一看,镜头里出现一位年轻女孩,用镜子反射阳光,向外界发送求救讯号。

这段故事里,撇开ABC有偷窥癖好的嫌疑不提外,还有两个重点。

别软禁懂摩斯密码的女孩子,至少别给她镜子。

跟前两项光通信技术的不同之处在于,不需要准备柴火点燃烽火台,也不需要手摇发电机启动探照灯,女孩“借用”太阳光,完成了通信。

今年八月,华盛顿大学在著名的国际研讨会SIGDOC (Special Interest Group on the Design of Communication)上发表了一项无线通信技术,瞬间占领了各大科技媒体的版面。这项突破性的技术概念很简单,跟故事中被关在阁楼的女孩一样:

不须消耗能量产生无线电波,仅靠着反射周围无线电波,即可传输资料。

这项不需要电源的无线通信技术叫做——环境电波反射通信(Ambient Backscatter Communication)。缩写是ABC,跟前面故事里的主角一样。

基本简介

一般电视塔的数位无线电波可传递到100英里外,在众多建筑物阻隔的市区内,涵盖范围也有45英里。以美国四大电视台为例,在全美市区的覆盖率高达97%。如此高的覆盖率,搭配3G/4G基地台电磁波,我们生活周遭充满了电磁波信号,就像故事里阳光普照的下午,只等着工程师设计出“镜子”,来反射电磁波。

ABC技术就是这片镜子。

这项技术运用了两组天线,目前原型(prototype)的天线还很大,像传统电视的兔耳朵天线。透过这两支天线,传输端即可“吸收周围电磁波”与“反射周围电磁波”,实现了数位通信的最基本需求:传输两种信号,代表二进位的’1’与’0’。

接收端部分,则扮演故事中的主角ABC,侦测环境电磁波的变化,解出传输资料。

“If a device nearby is absorbing more efficiently, another will feel [the signals] a bit less; if not, then it will feel more.”-ABC计划成员,华盛顿大学助理教授Shyam Gollakota

技术面介绍

ABC不仅在概念上创新,技术面上也有许多难题有待克服。

好比说,环境电磁波相当杂乱随机,接收端该如何从紊乱的环境电磁波中察觉“反射”和“吸收”的变化呢?

以方才的故事比喻,大概就是将场景从户外换到夜店,被困在包厢里的女孩用化妆镜,试图反射舞池里快速闪烁的灯光。对此,华盛顿大学提出的解决方案如下:

请女孩把化妆镜举久一点,让反射的明暗变化慢一点。隔壁包厢的ABC则计算一段时间内的平均明暗变化,借由平均来抵销快速变化的舞池灯光影响。

下面第一张图是电视塔的电磁波信号,第二张是电视塔的电磁波信号加上环境电磁波反射通信。两张看起来几乎相同,也几乎没有任何规律。

供图/赖以威

第三张是将第二张图里,每一段时间内的电磁波讯号平均。可以很明显地看见这时电磁波讯号有高低之分,对应的即是’0’与’1’。

此外,还有许多难题得克服。例如,接收端没有电池,仅从环境电磁波中擷取些许能量供作接收所需。因此华盛顿大学团队捨弃了数位信号处理,以类比电路实现整个系统。

ABC效能

下面的两张图是ABC技术模拟结果。

左边是室内,右边是室外,x轴表示传输距离,y轴表示错误率,不同颜色的线表示不同传输速率,传输速率越高,越容易出错。可以看见,因为数位电视信号在室内会大幅衰减,因此室内(左边)的性能比较差。以错误率1%、传输速率1kbps(每秒千位元)来说,这项技术目前在室内与室外的有效传输距离大约是50和100公分。

现有技术比较

“啊?只能传50公分,传输速率还只有1kbps?”

有些读者看到这里可能会觉得被骗了。

请别着急,ABC当初设计的目的就不是为了取代4G或WiFi。跟它最相似的现有技术是RF-ID。比起大部分实际运用的RF-ID,也就是各位手中的悠游卡或电子钱包比起来,这样的传输距离跟传输速率(扣钱绝对用不到1kbps)都优异许多。

此外,ABC还有两大优势:

  1. 使用RF-ID时,传输端(读卡机)必须发出约1瓦的能量,但ABC不需要。
  2. 搭载RF-ID的物品不能彼此沟通。好比,没办法互碰两张悠游卡或电子钱包,就将卡内餘额过户给对方。但每一个搭载ABC的物品都能直接彼此沟通。华盛顿大学的成果展示中即有一项是将量贩店的商品全都装上ABC。当商品上架后,商品们便可以互相确认有没有被放在正确的位置。

“嗨,我是品客洋芋片。”

“兄弟,这里每个人都是减肥商品,你肯定站错位置了。”

“真的吗,该死。可以请最靠近柜台的减肥药帮我跟店员说一声吗?”

差不多就是这样的感觉。

结语

无线感应网路(wireless sensor network)是未来一项很重要的技术。

无线感应网路是指在一个区域内撒下许多感应器,再利用感应器搜集资料,监控、进而动态调整环境。例如,将一间办公室的每个座位都布建温度侦测器,即可监控每个座位的温度,动态调整不同出风口的冷气。

无线感应网路的应用相当广泛,跟近年来热门的物联网(Internet of Things, IoT)、机器对机器通信(Machine to Machine, M2M)都有密切关连。无线感应网路如今发展的关键之一就是“无线感应器的供电来源”。因为感应器的数量很大,布建与回收成本高,要是动不动就得换电池,恐怕还不如每位员工在座位上摆温度计,每小时上网填资料比较快(在台湾这种事好像有可能会发生)。

ABC技术受到瞩目的原因在于,它或许可以解决感应器供电这个问题,进而推动众多无线感应网路应用的实现。

想想看,假如太阳眼镜、钥匙,许多东西都装上ABC后,当你出门前发现钥匙不见时,只需对著手表上的ABC说:

“hi,你知道钥匙在哪吗?”

“太阳眼镜在桌上,我问问看它。”

“我这附近没有,我问问看床底下的手表吧。”

“怎么可能在这边,我这边只有几片奇怪的光碟…别担心,只要你不是将钥匙遗落在一个很偏远,周围都没有其他ABC的地方,大伙儿都能帮你找出来的。”

这样的技术,应该只有锁匠不希望看到它实现吧。

编者注:本文作者頼以威为数学博士,现任职台湾中央研究院的EE PhD,擅长用理工思维来观察生活,推广数学教育,现为台湾联合报开设专栏《阅读数学》。为便于阅读,我们在作者原文上做出了部分修改。

感谢:简韵真、张声瑞、周钦华。

本文原载于有物報告,由本文作者授权发表。

The End

发布于2013-12-23, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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賴以威

电子工程博士

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