低電力ワイヤレス通信用のRFテクノロジー: Ambient Backscatter

私は家族の再会が好きですが、私の拡大家族は40人もいるため、これはかなりの大事になります。カードで遊んだり、水泳をしたり、または夕食のテーブルなどどこでも、常に誰かが冗談を言ったり、話を始めたりします。実際に、ほとんどの人々が話を始めるため、皆に聞いてもらうには叫ばなくてはならないこともあります。電磁スペクトルの中での通信も、このように困難な場合があります。デバイスは多くの場合、データを伝送するために、空中に自分の信号を「叫ぶ」必要があります。この伝送には電子機器とエネルギーが必要で、一部のデバイスでは容積やバッテリー駆動時間の関係で実現できません。ワシントン大学の研究グループは、Ambient Backscatterによる通信を使用して、これらの問題点の解決を試みています。この方法により、データの伝送に必要な回路と電力が何桁も減少する可能性があります。Ambient Backscatterがワイヤレスネットワークへ実際に使用可能なら、大規模なモノのインターネットのセンサーネットワークに極めて有用となるでしょう。

Ambient Backscatter

技術者は、周囲の世界が電磁気信号に満ちており、その多くは人間の設計するデバイスにより生成されることを熟知しています。これらの伝送は他のデバイスにより検出可能で、さらに発電にも使用可能です。これらは意図しない受信機と干渉する可能性もあるため、FCCは放射放出について厳しい規制を行っています。しかし、これらの研究員たちは、空中の周囲の信号を逆に利用して、デバイス間で情報を伝達する方法を発見しました。

IoTセンサーとデバイスのバッテリーを環境発電システムに置き替えることについては、最近多くの議論が行われています。一部の人々は、テレビ局の送信など高エネルギーのRF信号を電力に変え、デバイスに供給することさえも想定しています。このアイディアはいくつかの理由から完全に実用的ではありません。しかし、この主な理由の1つは、単に電力が十分ではないということです。最低でもマイクロプロセッサー、センサー、ワイヤレス回路に電力を供給し、多くの場合はメモリにも電力を供給可能な必要があります。低消費電力のプロセッサー、センサー、メモリは存在しますが、ワイヤレス接続には代償が伴います。ただし、Ambient Backscatterを使用すれば話は別です。

Ambient Backscatterは、従来のワイヤレスモジュールよりも大幅に少ないエネルギーで信号の伝送を可能にします。これは、空中に既に存在するRF信号を変調してデータを伝送する方法です。Ambient Backscatter PCBは信号を受信してから応答を作成する代わりに、独自の信号を作成せず、付近の信号を変調して転送するだけで動作します。これによって、多くの電力を消費するワイヤレスチップが不要になり、環境発電によるRFエネルギーを使用してIoTデバイスを動作させる可能性が開けることになります。

Ambient BackscatterはRFIDタグと同様に動作しますが、専用の送信機を必要としません。
 

概念実証

ワシントン大学の研究グループは、このシステムを理論化しただけではなく、実際に構築しました。この目的のため、このグループは環境発電を行い、信号の受信と送信を行える、単純なPCBを設計しました。

Ambient Backscatterを使用するための基本的な要素は、どのRF信号を使用するかの選択です。環境発電のためには電力の大きな信号が望ましいのですが、通信のためには一定であることも要求されます。このため研究者たちは、テレビ局の電波を利用することにしました。これは常に放送され続け、カバー範囲が広く、非常に強力な信号を使用しています。別の重要なポイントは、テレビ送信機と受信機にはマルチパスの歪みが発生することです。信号の後方散乱においては、この信号に意図的な干渉を行います。これらのデバイスは、既存の信号を変調して反射するだけで、実際の「送信」を行わないため、厳密には違法でないと思われます。合法かどうかはともかく、干渉を処理できない信号について、この方法を試みるべきではありません。

つぎに、このデバイスについて調べてみましょう。このデバイスは単一のアンテナを使用して環境発電を行い、送信と受信を行う、効率的な設計です。送信には、アンテナのインピーダンスを変調して、テレビの信号を歪め、反射します。グループは、ADCやオシレーターなど多くの電力を消費するコンポーネントを使用せずに信号を受信することを目指しました。その代わりに、従来型のデジタル受信機が使用され、超低消費電力のアナログ受信機が理論化されました。これらは、反射された信号と元の送信とを、データ速度のチェックにより区別します。変調された信号はテレビ局よりもはるかに低速で伝送されるため、自分たちの信号を絞り込んでデコードできます。これらのコンポーネントを使用することで、研究者たちはAmbient Backscatterデバイス間でデータを伝送できました。すなわち、このテクノロジーによって極度に低消費電力の機械間通信が可能になるということです。

テレビを見ているだけで、デバイスが作業を手助けできるようになりました。
 

応用

このテクノロジーの応用の数は、私の家族の人数よりも多いでしょう。特に興味深い応用分野として、ウェアラブル、IoT、さらには支払い処理などが挙げられます。

• ウェアラブル - 現在は、誰かと歩数を比較するには、デバイスがそれらの歩数をサーバーにアップロードしてから、ダウンロードする必要があります。この種のテクノロジーがあれば、ウェアラブルが直接互いに通信でき、データ伝送についてより有機的な方法が可能になります。

• IoT - モノのインターネットは低消費電力センサーの膨大なネットワークを持つようになり、互いの通信が必要になります。この種類のシステムを利用することで、これらのセンサーの消費電力は大幅に低減し、より効率的で信頼性の高いシステムが実現可能になります。

• 支払い処理 - この最後の例は、研究自体で提案されているものです。研究グループはカードからカードへ現金を直接転送できる「バスカード」を作成しました。これによって、セル信号やWiFiを使用しなくても、電子的な支払いが可能になります。

このテクノロジーは、近い将来に極めて有用となるでしょう。このテクノロジーにより、ワイヤレスモジュールを使用せずデバイス間の通信が可能となるだけでなく、空中から環境発電を行う、バッテリー不要の新世代デバイスが可能になります。ワシントン大学は既に、この実現方法を示しており、Ambient Backscatterを使用するための、さらにエネルギー効率の高い方法について、いくつかの構想も提示しています。IoTからクレジットカードまでのあらゆる機器が、将来的にはこの通信システムを使用することになるでしょう。

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