突破性低功耗技術：高頻背向散射實現工業裝置高效資訊共享

研究人員發現了一種低功耗、低成本的方法，可讓大量裝置，像是工廠裡的機器和實驗室的裝置，透過有效運用尚未充分開發的高頻訊號來共享資訊。這項技術能夠立即在工業環境中實現低成本、高效的即時監控，例如追蹤製造機器人的狀況，或是檢測煉油廠的瓦斯洩漏，而且無需耗電量大的訊號發射器。研究人員表示，經過一些工程改進，這項技術可用於智慧城市和農業等大規模應用。

這項技術是無線系統中傳輸資料裝置的進階版本，也就是一般所稱的標籤。新型標籤能夠運用一種稱為背向散射的技術，支援大型裝置網路的資料傳輸。在此過程中，中央讀取器會傳送訊號給感測器標籤以收集資訊，而標籤會直接將周圍的訊號反射回讀取器。背向散射技術已經應用於智慧支付和大樓門禁卡等簡單系統中，但截至目前，僅能在低頻下運作。

當許多裝置同時嘗試通訊時，低頻限制就會成為問題。因為當引入更多訊號時，它們更容易相互幹擾，導致訊號混亂。傳統的背向散射設計通訊速度也很慢，因為低頻訊號在一次往返傳輸的資訊量上存在限制。

由普林斯頓大學、賴斯大學和布朗大學的研究人員開發的新型標籤，是首個能夠在次太赫茲頻段（無線電頻譜的高頻部分）運用背向散射技術的裝置。這個頻段能夠支援跨寬頻帶的高速資料傳輸。這一發展意味著，使用被動標籤為密集裝置網路的訊號傳輸供電成為可能，與傳統無線系統相比，可節省大量的電力和基礎設施成本。

這是首個能夠在相對未開發的高頻範圍內運用稱為「背向散射」的高效資料共享技術的訊號傳輸裝置。透過在次太赫茲頻段運作，這種低功耗、低成本的技術使大量裝置，如工廠機器和實驗室裝置，能夠透過有效搭載中央發射器傳送的訊號來共享資訊，從而無需在無線系統中使用大量耗電的訊號發射器。（來源：普林斯頓大學/薩米爾・A・汗）

普林斯頓大學電機與電腦工程助理教授、該研究的主要研究員亞薩曼・加森普爾表示：「我相信這項技術將在許多有趣的領域找到應用。這篇論文顯示，儘管有傳統觀唸的限制，但在次太赫茲頻段實現低功耗、可擴充套件的通訊是可行的。」該論文於10月9日發表在《自然通訊》上。

在更高頻率下使用背向散射技術具有挑戰性，因為訊號在傳播過程中更容易衰減，而且要傳播長距離必須非常精準。加森普爾說：「讀取器必須形成一個狹窄的筆形波束，照射到標籤的精確位置，而低功耗標籤也必須在不消耗任何電力的情況下做到這一點。這才是真正的挑戰。」

傳統的背向散射標籤使用簡單的天線將訊號反射回源頭，這些天線通常會向四面八方發射能量，導致只有一部分能量能夠返回到讀取器。雖然一些先進的標籤可以調整訊號方向，但它們的調整能力有限，而且只能在狹窄的頻率範圍內運作。加森普爾表示，要實現次太赫茲背向散射，團隊必須重新思考標籤的整體架構。

她說：「沿用舊的硬體設計並擴大規模是行不通的。」為瞭解決這些限制，研究人員設計出了一種全新的天線結構。新型天線能夠根據頻率的變化自動改變訊號方向。透過這種方式，標籤可以引導訊號，實現更長距離的通訊，並避免受到其他訊號的幹擾。換句話說，每個標籤的幹擾範圍在空間和頻譜領域都受到限制。

加森普爾希望其他人閱讀這篇論文後，能為先進應用找到工程改進方案。例如，透過在系統中以低成本放大訊號的方法，這項技術可以為城市中的感測器網路供電，用於監測空氣品質或交通流量。這些標籤可以安裝在交通標誌上，供自動駕駛汽車檢測，即使在能見度因霧或雪受阻的情況下，它們也能利用無線電波傳達「停車」或「讓行」等資訊。在農業方面，這項技術可以幫助在田地或森林中建立廣泛的土壤感測器網路，提供土壤水分含量或溫度的即時資料。

加森普爾表示，在這類系統中開發低功耗資料調製器是一個活躍的研究領域，而這項創新是降低整個無線系統成本和功耗的一步。除了加森普爾，論文作者還包括阿蘇特塞・克盧澤、純一郎・河野和丹尼爾・M・米特爾曼。