[논문 리뷰] Simplifying Backscatter Deployment: Full-Duplex LoRa Backscatter

Mohamad Katanbaf, Anthony Weinand외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 08.

Full-Duplex Wireless CommunicationsEngineering참고 문헌 61인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 소비자용 LoRa 칩셋과 마이크로컨트롤러, 수동 부품을 사용하여 78 dB의 자기간섭 제거를 달성한 최초의 저비용, 장거리, 이중방향 LoRa 백스캐터 리더를 제시한다. 두 단계의 가변 임피던스 네트워크와 하이브리드 코어플러를 활용함으로써 공통된 위치에서 송신 및 수신이 가능하게 하여, 300피트의 시야 내 거리 및 4,000 평방피트 규모의 사무실 내 벽과 칸막이를 뛰어넘는 통신을 지원한다. 또한 스마트폰 크기의 형상과 드론에의 통합에 성공하여 정밀 농업용 응용에 기여한다.

ABSTRACT

Due to the practical challenges in the deployment of existing half-duplex systems, the promise of ubiquitous backscatter connectivity has eluded us. To address this, we design the first long-range full-duplex LoRa backscatter reader. We leverage existing LoRa chipsets as transceivers and use a microcontroller in combination with inexpensive passive elements including a hybrid coupler, inductors, tunable capacitors, and resistors to achieve 78 dB of self-interference cancellation and build a low-cost, long-range, and small-form-factor Full-Duplex LoRa Backscatter reader. We evaluate our system in various deployments and show that we can successfully communicate with a backscatter tag at distances of up to 300 ft in line of sight, and through obstacles, such as walls and cubicles, in a 4,000 ft$^2$ office area. We reconfigure our reader to conform to the size and power requirements of a smartphone, and demonstrate communication with a contact-lens-form-factor prototype device. Finally, we attach our reader to a drone and demonstrate backscatter sensing for precision agriculture with an instantaneous coverage of 7,850 ft$^2$.

연구 동기 및 목표

• 물리적으로 분離된 송신기와 수신기가 필요로 하는 반이중방향 백스캐터 시스템의 구현 과제를 해결하기 위해.
• 기존의 이중방향 RFID 및 백스캐터 시스템은 크기가 크고, 복잡하며, 비싸며, 범위가 제한되어 있다는 한계를 극복하기 위해.
• 소비자용 LoRa 칩셋과 수동 부품을 활용하여 실용적이고 저비용이며 장거리 백스캐터 통신을 가능하게 하기 위해.
• 비용이 많이 들거나 크기가 큰 활성 부품 또는 SDR를 사용하지 않고도 수동 소자와 마이크로컨트롤러만으로도 깊은 자기간섭 제거(78 dB)를 달성하기 위해.
• 스마트폰 크기의 리더, 접촉 렌즈 형상의 장치, 드론 기반 센싱에의 통합을 통해 실생활 적용 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 동일한 RF 포트에 송신기와 수신기를 연결하기 위해 단일 안테나 및 하이브리드 코어플러 기반 아키텍처를 사용한다.
• 안테나 임피던스 변화에 대응하여 자기간섭을 동적으로 추적하고 제거하기 위해 새로운 두 단계의 가변 임피던스 네트워크를 구현한다.
• 마이크로컨트롤러를 활용해 실시간으로 임피던스 네트워크를 적응적으로 조정함으로써 IQ 샘플이 필요 없이 간섭을 최소화한다.
• 코ils, 커패시터, 저항, 다이오드 등 수동 부품만을 사용하여 78 dB의 자기간섭 제거를 달성함으로써 부피가 크거나 비싼 활성 RF 부품을 피한다.
• 소비자용 LoRa 수신기의 내재된 기저대역 필터링 기능을 활용하여 오프셋 주파수에서 잔여 간섭을 억제한다.
• LoRa 송수신기와 마이크로컨트롤러를 통합하여 작고, 저전력이며, 저비용인 이중방향 리더를 구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소비자용 LoRa 칩셋과 수동 부품만으로 저비용, 이중방향 백스캐터 시스템을 구축할 수 있는가?
• RQ2 활성 보정 회로 없이 두 단계의 가변 임피던스 네트워크를 사용해 78 dB의 자기간섭 제거를 달성하는 것이 가능한가?
• RQ3 이러한 시스템은 벽과 칸막이 등 장애물이 있는 실생활 환경에서 최대 300피트의 장거리 통신을 지원할 수 있는가?
• RQ4 성능을 유지하면서도 스마트폰이나 접촉 렌즈 형상의 장치에 통합될 수 있도록 리더를 소형화할 수 있는가?
• RQ5 드론에 장착했을 때 정밀 농업을 위한 광역 백스캐터 센싱을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 수동 부품과 마이크로컨트롤러만을 사용하여 78 dB의 자기간섭 제거를 달성하여 단일 LoRa 칩셋에서 이중방향 동작이 가능하다.
• 시스템은 4,000 평방피트 규모의 사무실 환경에서 시야 내 거리 및 벽과 칸막이를 뛰어넘어 최대 300피트 거리의 백스캐터 태그와 성공적으로 통신을 수행한다.
• 리더는 스마트폰 크기의 형상으로 재구성되어 모바일 및 웨어러블 장치에의 통합 가능성에 대한 타당성을 입증한다.
• 접촉 렌즈 형상의 프로토타입 장치와도 성공적으로 통신이 이루어져 의료 및 웨어러블 응용 분야의 잠재력을 입증한다.
• 드론에 장착된 시스템은 순간적으로 7,850 평방피트의 커버리지 영역을 확보하여 정밀 농업에서의 유용성을 입증한다.
• SDR나 비싼 활성 부품이 필요 없이도, 구현의 단순성 측면에서 기존 반이중방향 백스캐터 시스템을 초월하고, 비용, 크기, 범위 측면에서 기존 이중방향 시스템을 능가한다.