[論文レビュー] FM Backscatter: Enabling Connected Cities and Smart Fabrics

Anran Wang, Vikram Iyer+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 17被引用数 63

ひとこと要約

本論文は、環境FM信号をバックキャスタ源として利用し、車両・スマートフォン・スマートファブリックとの屋外通信を可能にするシステムを提案する。5–60 feetの範囲で、超低消費電力（約11 µW）で最大3.2 kbps のデータ伝送速度を達成する。

ABSTRACT

This paper enables connectivity on everyday objects by transforming them into FM radio stations. To do this, we show for the first time that ambient FM radio signals can be used as a signal source for backscatter communication. Our design creates backscatter transmissions that can be decoded on any FM receiver including those in cars and smartphones. This enables us to achieve a previously infeasible capability: backscattering information to cars and smartphones in outdoor environments. Our key innovation is a modulation technique that transforms backscatter, which is a multiplication operation on RF signals, into an addition operation on the audio signals output by FM receivers. This enables us to embed both digital data as well as arbitrary audio into ambient analog FM radio signals. We build prototype hardware of our design and successfully embed audio transmissions over ambient FM signals. Further, we achieve data rates of up to 3.2 kbps and ranges of 5-60 feet, while consuming as little as 11.07μW of power. To demonstrate the potential of our design, we also fabricate our prototype on a cotton t-shirt by machine sewing patterns of a conductive thread to create a smart fabric that can transmit data to a smartphone. We also embed FM antennas into posters and billboards and show that they can communicate with FM receivers in cars and smartphones.

研究の動機と目的

• 環境FM信号が屋外接続の普遍的なバックキャスタ源となり得るかを検討する。
• FM受信機でデコード可能な加法的音声信号へバックキャスタを変換する変調方式を設計する。
• 屋外環境での音声およびデータ伝送を実現するためのオーバーレイ、ステレオ、および協調バックキャストを実証する。
• スマートファブリックとポスター上の試作ハードウェアと概念実証アプリケーションを検証可能性を確認する。

提案手法

• バックキャスタのRF源として環境FM伝送を活用する。
• FM受信機のオーディオ領域において、乗算的RF動作のバックキャスタを加法的な動作へ変換する。
• オーバーレイバックキャスタを実装し、環境FM上で任意の音声を伝送し、FMチャネル上でデータを伝送する。
• 未占有のステレオ帯域とパイロットトーンを利用して情報を運ぶステレオバックキャストを活用する。
• 2台のスマートフォンによる協調バックキャストを用いてMIMO風の干渉キャンセル方式を模倣する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 環境FM信号は車両やスマートフォンに搭載された標準FM受信機で信頼性のあるバックキャスタデコードをサポートできるか？
• RQ2 新しい無線機を必要とせず、環境FM上に音声とデジタルデータをオーバーレイするための変調戦略は何か？
• RQ3 ステレオと協調バックキャストは屋外環境でデータレートと耐障害性をどのように向上させるか？
• RQ4 実世界の設定でFMバックキャスタによって達成可能な実用的なデータレート、範囲、電力消費はどの程度か？

主な発見

• 3.2 kbpsまでのデータレートと5–60 feetの通信距離を達成。
• スマートフォンと車載FM受信機でのバックキャスト信号のデコードを実証。
• 多様なシナリオに対するオーバーレイ、ステレオ、協調バックキャスト技術を検証。
• 試作ハードウェアの消費電力は最大で11.07 µW程度。
• 製作したスマートファブリックとポスターは屋外FMバックキャスタの実用的な概念実証を示す。
• 都市環境で測定されたFM信号強度はバックキャスタに十分な環境電力を示している。