[논문 리뷰] BEH: Indoor Batteryless BLE Beacons using RF Energy Harvesting for Internet of Things

Qingzhi Liu, Wieger IJntema외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 08.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 35인용 수 4

한 줄 요약

BEH는 무선 전력 수확 기반으로 작동하는 배터리가 없는 실내 블루투스 저전력(BLE) 비콘 시스템을 제안한다. 충돌 기반 비콘, 수동으로 일어나는 기상, 근접 기반 활성화, 이중 파동 비콘 전송 방식을 통해 에너지 소비를 최소화한다. 16 m² 실내 환경에서 99퍼센트 이상의 패킷 수신률을 기록하며 지속적인 운영을 달성한다.

ABSTRACT

Indoor beacon system is a cornerstone of internet of things. Until now, most of the research effort has focused on achieving various applications based on beacon communication. However, the power consumption on beacon devices becomes the bottleneck for the large-scale deployments of indoor networks. On one hand, the size of beacon devices is required to be small enough for easy deployment, which further limits the size of battery. On the other hand, replacing the batteries of the beacon devices could lead to high maintenance costs. It is important to provide them with full energy autonomy. To tackle this problem we propose BEH: an indoor beacon system aimed at operating perpetually without batteries. Our contributions are twofold. Firstly, we propose four methods to increase the utilization efficiency of harvested RF energy in the beacon system, by which the energy consumption level becomes low enough to fit within the energy harvesting budget. Secondly, we implement BEH using Bluetooth Low Energy (BLE) and Radio Frequency (RF) energy harvesting devices, and test BEH extensively in a laboratory environment. Our test results show that BEH can enable perpetual lifetime operation of mobile and static BLE beacon devices in a (16 m$^{ ext{2}}$) room. The average value of packet reception rate achieves more than 99% in the best case.

연구 동기 및 목표

• 대규모 실내 BLE 비콘 배포에서 높은 유지보수 비용과 배터리 교체의 비현실성에 도전한다.
• 에너지 수확과 통신 에너지 수요를 일치시켜 배터리가 없는 BLE 비콘 장치의 지속적인 운영을 가능하게 한다.
• 배터리나 시야 확보의 제약 없이 이동형 및 정적 비콘 노드를 모두 지원하는 시스템을 설계한다.
• 수확한 RF 에너지만으로도 신뢰성 있는 양방향 비콘 통신과 근접도 감지 기능을 실현한다.
• 지능적인 기상, 전송 스케줄링 및 충돌 관리 기반의 에너지 활용 최적화를 수행한다.

제안 방법

• 충격 효과와 수직 코드를 활용한 충돌 기반 비콘 메커니즘을 구현하여 메시지 수신 시 에너지 소비를 감소시킨다.
• 표준 RF 송신기를 사용해 정적 비콘 노드에서 수동 기상 기능을 구현함으로써 무단 수신 전력 소비를 최소화한다.
• RF 에너지 수준을 기반으로 이동형 노드의 근접도를 추정하고, 근접한 정적 비콘들만 선택적으로 기상시켜 불필요한 전송을 줄인다.
• 에너지 부담을 재분배하기 위해 이중 파동 비콘 전송 방식을 도입하여 에너지 수확 능력이 높은 에너지 수확 에이전트(EHAs)가 조기에 전송하도록 유도한다.
• 즉시 구현 가능하고 실제 적용에 적합하기 위해 표준 BLE 모듈과 RF 에너지 수확 장치를 통합한다.
• 에너지 가용성과 노드 간 거리에 따라 동적으로 비콘 전송을 조정함으로써 에너지 효율성을 향상시키는 시스템을 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RF 에너지 수확 기술이 배터리가 없는 실내 장치에서 지속적인 양방향 BLE 비콘 통신을 지원할 수 있는가?
• RQ2 충돌 기반 수신 방식을 활용할 경우 이동형 BLE 비콘 장치에서 메시지 수신 시 에너지 소비를 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ3 수동 RF 기상 기능을 통해 정적 비콘 노드에서 무단 수신과 불필요한 기상을 줄일 수 있는 기법은 무엇인가?
• RQ4 정적 비콘의 근접 기반 활성화 방식이 에너지 효율성 향상과 간섭 감소에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 비균형적인 에너지 수확 조건 하에서 이중 파동 비콘 전송 방식이 에너지 활용과 시스템 성능 향상에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• BEH는 16 m² 실내 환경에서 수확한 RF 에너지만으로도 이동형 및 정적 BLE 비콘 장치의 지속적인 운영을 달성한다.
• 최적 조건에서 시스템은 99퍼센트를 초과하는 패킷 수신률(PRR)을 유지하여 높은 신뢰성을 입증한다.
• 이중 파동 비콘 접근 방식은 모든 EHAs를 동시에 기상시키는 것과 비교해 에너지 수확 에이전트(EHAs)의 평균 에너지 충전 기간을 약 47퍼센트 감소시킨다.
• 이중 파동 접근 방식은 패킷 충돌 감소로 인해 PRR가 향상되지만, 근접도 감지 정확도(PDA)는 약간 감소한다.
• 시스템은 수직 코드를 사용해 비콘 메시지를 성공적으로 복호화하지만, EHAs 수가 증가할수록 모든 코드를 복호화하는 데 에너지 소모가 급격히 증가한다.
• 실험 결과는 제안된 기법들이 함께 작용하여 배터리나 외부 전원 공급 없이도 에너지 자립형 비콘 통신을 실현할 수 있음을 확인한다.