Når WiFi er svagt, send støj i stedet for

Da WiFi blev designet, det var beregnet til højhastighedsdatakommunikation. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) sætter standarderne for kommunikation - det er 802.11-protokollen, et velkendt nummer på mange trådløse routere.

Ifølge protokollen, når en enhed ikke er i stand til at sende mindst én megabit pr. sekund (Mbps), det er "uden for rækkevidde". Selvom det var fysisk muligt at sende, sige, en halv megabit i sekundet, protokollen tillader det ikke.

Datalog Neal Patwari fra McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis har arbejdet med en gruppe, der bruger sensorer til løbende at indsamle indendørs luftkvalitetsdata fra frivilliges hjem, i et projekt sponsoreret af National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB).

Men da forskere holdt op med at modtage data, der var ikke en måde at afgøre, om en sensor var blevet afbrudt, eller hvis noget forstyrrede WiFi-signalet. De skulle bare sende et lille ping, en lille smule data, men det var problemet - protokollen tillod det ikke.

"Vi prøvede at finde ud af, kan vi sende data med lavere hastighed fra en WiFi-enhed, selvom det ikke er en del af protokollen, bruger den samme hardware?" sagde Patwari, professor i elektro- og systemteknik og i datalogi og teknik.

Ja, de fandt en vej.

Patwari og teamet præsenterede resultaterne af deres forskning 22. oktober på ACM MobiCom 2019, den 25. internationale konference om mobil computing og netværk.

Til deres undersøgelse af, hvordan indendørs luftkvalitet påvirkede astmafrekvensen, forskerne havde brug for masser af data fra mange hjem med astmatiske børn over en længere periode.

Forskningsdeltagere blev enige om at have luftkvalitetssensorer i deres hjem. Sensorerne transmitterede data til forskerne via WiFi, og forventedes at gøre det i et år.

"Dette er et problem, " sagde Patwari. "Hvis du nogensinde har skullet oprette og vedligeholde et trådløst netværk, du ved, at det kræver noget arbejde en gang i mellem, hvis noget går galt."

Noget vil altid gå galt, og, efter megen kommunikation frem og tilbage med deltagerne for at ordne ting, forskere var bekymrede for, at udfordringerne ville få deltagerne til at droppe ud.

Patwari oplevede selv denne frustration, da han satte en sensor i sit soveværelse, på tværs af huset fra sin trådløse router. Hans egen elev, Philip Lundrigan, også forfatter til undersøgelsen, ringede, da linket gik ned. Da han gik for at tjekke routeren, han måtte flytte en kurv med vasketøj af vejen.

Pludselig, forbindelsen til sensoren blev genoprettet.

"Det var vasketøjskurven, " han sagde, "og det var rent vasketøj!"

Det var ikke det, at vaskeriet havde dannet en uigennemtrængelig væg, og WiFi-signalet blev stoppet i dets spor. Hellere, da sensoren var langt væk fra routeren, enhver lille forstyrrelse sparkede dataoverførselshastigheden under 1 Mbps - den laveste overførselshastighed tilladt af protokollen. Så kommunikationen blev afbrudt.

Den situation, som forskerne forsøgte at løse, krævede ikke så meget data, selvom. De prøvede bare at finde en måde at finde ud af, om forbindelsen var blevet afbrudt, eller hvis sensoren var blevet trukket ud. Til dette formål, i stedet for at behandle senderen som noget, der sendte data, Patwari besluttede at betragte det som noget, der sendte støj.

Moderne hjem er oversvømmet af trådløs støj - fra computere til fjernsyn til stereoanlæg til mobiltelefoner - signalerne er overalt. Holdet, ledet af Phil Lundrigan, assisterende professor ved Brigham Young University, troede, de kunne bruge dette til deres fordel. De programmerede ind i WiFi-sensoren en række 1'ere og 0'ere, i det væsentlige at tænde og slukke for signalet i et bestemt mønster. Routeren var i stand til at skelne dette mønster fra den omgivende trådløse støj.

Så selvom sensorens data ikke blev modtaget, routeren kunne udvælge det mønster i den omgivende støj og vide, at sensoren stadig transmitterede noget.

Processen er ikke helt ligetil; noget støj er højere end anden støj, så holdet var nødt til at udtænke en måde at dæmpe noget af den højeste støj for at få øje på sensorens skjulte besked. Signaler i nærheden - f.eks. fjernsynet ved siden af ​​routeren – blev annulleret. Ved blot at analysere nogle få svagere signaler, det bliver meget nemmere at udvælge det mønster, der sendes af sensoren.

"Hvis adgangspunktet hører denne kode, det siger, "OKAY, Jeg ved, at sensoren stadig er i live og prøver at nå mig, det er lige uden for rækkevidde, "" sagde Patwari. "Det er dybest set at sende en smule information, der siger, at den er i live."

Holdet, som også omfattede Sneha K. Kasera, professor ved University of Utah, viste til sidst, at koden kunne overføres endnu længere end kanten af ​​WiFi-dataområdet - dobbelt så langt væk, faktisk.

"Selv når vasketøjskurven er i vejen, og linket ikke kan sende data med en hastighed på 1 Mbps, den kan stadig sende denne kode, " sagde Patwari, "og din router ved så, at sensoren er i live og sender. Forskeren kan være rolig ved at vide, at sensoren stadig indsamler data, og til sidst vil de få deres luftkvalitetsdata."

Dette er kun begyndelsen på den nye innovation. Det kan muligvis gøre såkaldte "lang rækkevidde" trådløse protokoller endnu længere rækkevidde, ifølge Lundrigan, eller bruges oven på anden trådløs teknologi såsom bluetooth eller mobil.

"Vi kan sende og modtage data, uanset hvad WiFi gør, " sagde Lundrigan. "Alt, vi behøver, er evnen til at transmittere energi og derefter modtage støjmålinger."