[論文レビュー] LoRa Backscatter: Enabling The Vision of Ubiquitous Connectivity

Vamsi Talla, Mehrdad Hessar+4 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 22被引用数 29

ひとこと要約

本論文では、市販のLoRaハードウェアを用いて最大2.8 kmの距離で信頼性の高い低消費電力・低コストの通信を実現する、最初の長距離バックスキャター通信システム「LoRa Backscatter」を提案する。LoRaの超低感度（-149 dBm）と干渉耐性の高さを活用することで、印刷バッテリーなどのマイクロワット電源で駆動されるデバイスから受信機へのバックスキャタリングを475 mの距離で実現可能となる。

ABSTRACT

The vision of embedding connectivity into billions of everyday objects runs into the reality of existing communication technologies --- there is no existing wireless technology that can provide reliable and long-range communication at tens of microwatts of power as well as cost less than a dime. While backscatter is low-power and low-cost, it is known to be limited to short ranges. This paper overturns this conventional wisdom about backscatter and presents the first wide-area backscatter system. Our design can successfully backscatter from any location between an RF source and receiver, separated by 475 m, while being compatible with commodity LoRa hardware. Further, when our backscatter device is co-located with the RF source, the receiver can be as far as 2.8 km away. We deploy our system in a 4,800 $ft^{2}$ (446 $m^{2}$) house spread across three floors, a 13,024 $ft^{2}$ (1210 $m^{2}$) office area covering 41 rooms, as well as a one-acre (4046 $m^{2}$) vegetable farm and show that we can achieve reliable coverage, using only a single RF source and receiver. We also build a contact lens prototype as well as a flexible epidermal patch device attached to the human skin. We show that these devices can reliably backscatter data across a 3,328 $ft^{2}$ (309 $m^{2}$) room. Finally, we present a design sketch of a LoRa backscatter IC that shows that it costs less than a dime at scale and consumes only 9.25 $μ$W of power, which is more than 1000x lower power than LoRa radio chipsets.

研究の動機と目的

• バックスキャタ通信の従来の短距離制限を克服し、広域・長距離通信を実現すること。
• 日常的な物のスケールでの信頼性の高い低消費電力・低コスト接続を実現すること。
• LoRaの物理層特性を活用することで、バックスキャタ通信が長距離・高感度通信をサポートできることを示すこと。
• 家庭、オフィス、農場、コンタクトレンズや皮膚パッチなどの体に装着可能なデバイスを含む実世界環境での実用的導入を可能にすること。

提案手法

• バックスキャタデバイスがバックスキャタリングを用いて信号を変調することで、LoRa互換のチープスプレッドスペクトラム（CSS）信号を生成する、連続トーンを送信する単一のRFソースを使用する。
• 市販のLoRa受信機と互換性を持つように設計されたカスタムバックスキャタデバイスを採用し、RF信号を反射することでLoRaパケットを合成する。
• LoRa受信機の高感度（-149 dBm）と、周囲の不要な周波数帯の干渉（最大95 dB高い電力）が存在する中でも信号を復調できる能力を活用する。
• 1台のRFソースと1台の受信機で、大規模な屋内および屋外環境（4,800平方フィートの家、13,024平方フィートのオフィス、1エーカーの農場）を完全カバーする。
• コンタクトレンズのプロトタイプ（1 cm径のループアンテナ）と、RFIDスタイルのステッカー型アンテナを用いたフレキシブルな皮膚パッチセンサの性能を検証する。
• 消費電力がわずか9.25 µWで、大量生産時のコストが1セント未満のLoRaバックスキャタICプロトタイプを設計し、超薄型・フレキシブル・印刷バッテリーへの統合を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バックスキャタ通信は、LoRaなどのアクティブラジオ技術と同等の広域・長距離カバレッジを実現しつつ、超低消費電力と低コストを維持できるか？
• RQ2 強いRFソースからの干渉と環境の減衰が存在する中で、-135 dBm未満の信号レベルでもバックスキャタシステムが信頼性を持って動作できるか？
• RQ3 カスタムまたは高価なハードウェアを必要とせず、市販のLoRa受信機と互換性を持つバックスキャタシステムは実現可能か？
• RQ4 コンタクトレンズや皮膚パッチのような超小型・フレキシブル・生体適合性の高い形態でバックスキャタを医療用途に展開できるか？
• RQ5 印刷バッテリーまたはボタン電池などのマイクロワット電源で駆動されつつ、長距離通信を維持できるバックスキャタシステムは可能か？

主な発見

• LoRa Backscatterは、RFソースと受信機間で475 mの距離で信頼性の高い通信を実現し、バックスキャタ信号が-134 dBmで検出された。
• RFソースと同一位置に配置された場合、受信機は最大2.8 km離れた場所にまで到達可能であり、長距離通信の可能性を示した。
• 1台のRFソースと1台の受信機で、3階建ての4,800平方フィート（446 m²）の家、41室ある13,024平方フィート（1,210 m²）のオフィス、1エーカー（4,046 m²）の野菜畑を完全カバーした。
• コンタクトレンズプロトタイプは、3,328平方フィート（309 m²）のアトリウムをカバーし、RSSIが-130 dBm以上を維持して信頼性の高い接続を実現し、従来のバックスキャタシステムと比べて桁違いの通信距離を達成した。
• フレキシブルな皮膚パッチセンサは、同じ3,328平方フィート（309 m²）のアトリウムでRSSI > -132 dBmを維持し、人体への装着でも性能が保証された。
• LoRaバックスキャタICプロトタイプは、消費電力がわずか9.25 µWで、大量生産時のコストが1セント未満に抑えられ、超薄型・フレキシブル・印刷バッテリーへの統合を可能にした。