[논문 리뷰] FM Backscatter: Enabling Connected Cities and Smart Fabrics

Anran Wang, Vikram Iyer외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 22.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 17인용 수 63

한 줄 요약

이 논문은 자동차, 스마트폰, 스마트 패브릭과의 야외 통신을 가능하게 하기 위해 주변 FM 라디오 신호를 백스캐터 소스로 사용하는 시스템을 소개합니다. 5–60피트 거리에서 초저전력 소모(~11 µW)로 최대 3.2 kbps의 데이터 전송 속도를 달성합니다.

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.

연구 동기 및 목표

• 주변 FM 신호가 야외 연결성을 위한 보편적 백스캐터 소스로 작용할 수 있는지 탐구한다.
• FM 수신기가 해독할 수 있는 가산 오디오 신호로 백스캐터를 변환하는 변조 방식을 설계한다.
• 야외 환경에서 오디오 및 데이터 전송을 가능하게 하기 위한 오버레이 백스캐터, 스테레오 백스캐터, 협력 백스캐터를 시연한다.
• 스마트 패브릭과 포스터에서의 프로토타입 하드웨어 및 개념 증명 응용 사례를 검증해 실시 가능성을 입증한다.

제안 방법

• 주변 FM 전송을 백스캐터의 RF 소스로 활용한다.
• FM 수신기 오디오 도메인에서 백스캐터를 곱셈적 RF 연산에서 가산 연산으로 변환한다.
• 주변 FM에서 임의의 오디오를 전송하고 FM 채널에서 데이터를 전송하기 위한 오버레이 백스캐터를 구현한다.
• 점유되지 않은 스테레오 대역과 파일럿 톤을 이용해 정보를 전달하는 스테레오 백스캐터를 활용한다.
• 두 대의 휴대폰과 함께 협력 백스캐터를 사용하여 MIMO 유사 간섭 제거 체계를 모의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주변 FM 신호가 자동차나 스마트폰에 탑재된 표준 FM 수신기로 신뢰할 수 있는 백스캐터 해독을 지원할 수 있는가?
• RQ2 새로운 라디오를 요구하지 않고 주변 FM에 오디오와 디지털 데이터를 오버레이하는 데 어떤 변조 전략이 가능하는가?
• RQ3 스테레오 및 협력 백스캐터가 야외 환경에서 데이터 속도와 내구성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 현장 환경에서 FM 백스캐터로 달성 가능한 실용적인 데이터 속도, 거리, 전력 소모는 무엇인가?

주요 결과

• 3.2 kbps까지의 데이터 속도와 5–60 feet의 통신 거리 달성.
• 스마트폰과 자동차 FM 수신기에서 백스캐터 신호 해독 시연.
• 다양한 시나리오를 위한 오버레이, 스테레오 및 협력 백스캐터 기법의 검증.
• 프로토타입 하드웨어의 소비 전력은 최대 11.07 µW.
• 제작된 스마트 패브릭과 포스터가 야외 FM 백스캐스터에 대한 실용적 개념 증명을 보여준다.
• 도시 환경에서 측정된 FM 신호 강도가 백스캐터에 충분한 주변 전력을 시사한다.