[논문 리뷰] LoRa Backscatter: Enabling The Vision of Ubiquitous Connectivity

Vamsi Talla, Mehrdad Hessar외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 16.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 22인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 일반적인 LoRa 하드웨어를 사용하여 최대 2.8km 거리까지 신뢰성 있고 저전력, 저비용의 연결성을 구현하는 첫 번째 장거리 백스캐터 커뮤니케이션 시스템인 LoRa Backscatter를 제안한다. LoRa의 초저감도(-149 dBm)와 간섭에 대한 강건성 덕분에, 인쇄된 배터리와 같은 마이크로와트 수준의 전원으로도 장거리에서 수신기로의 백스캐터링이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 백스캐터링을 단거리 기술로 한정하는 전통적 제약을 극복하여 광역, 장거리 커뮤니케이션을 가능하게 하기 위해.
• 일상적인 물체들에 대해 대규모로 신뢰성 있고 저전력, 저비용의 연결성을 달성하기 위해.
• LoRa의 물리계층 특성을 활용하여 백스캐터링이 장거리, 고감도 커뮤니케이션을 지원할 수 있음을 입증하기 위해.
• 주택, 사무실, 농장, 콘택트 렌즈나 피부 패치와 같은 신체 부착형 장치와 같은 실생활 환경에서의 실용적 구현을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 백스캐터링 장치가 백스캐터링을 사용하여 LoRa 호환의 첨자 스프레드 스펙트럼(CSS) 신호를 생성하도록 연속 톤을 방출하는 단일 RF 소스를 사용한다.
• 일반적인 LoRa 수신기와의 호환성을 보장하기 위해 RF 신호를 조작하여 LoRa 패킷을 합성하는 방식으로 동작하는 커스터마이즈된 백스캐터링 장치를 구현한다.
• LoRa 수신기의 고감도(-149 dBm)와 강한 대역외 간섭(최대 95 dB 높은 전력)이 존재하는 환경에서도 신호를 디코딩할 수 있는 능력을 활용한다.
• 단일 RF 소스와 수신기로 대규모 실내 및 실외 환경, 즉 4,800 평방피트(446 m²) 주택, 13,024 평방피트(1,210 m²) 사무실, 그리고 1에이커(4,046 m²) 농장을 포함한 전체 커버리지 구현을 위해 도입한다.
• 콘택트 렌즈 프로토타입(1cm 지름의 루프 안테나 사용)과 RFID 스타일 스티커 안테나를 사용한 유연한 피부 패치 센서를 활용하여 성능을 검증한다.
• 오직 9.25 µW의 전력 소모와 스케일링 시 1센트 이하의 비용을 가지는 LoRa 백스캐터링 IC 프로토타입을 설계하여 초박두, 유연하고 인쇄 가능한 배터리에의 통합을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 백스캐터링 커뮤니케이션이 LoRa와 같은 활성 라디오 기술과 유사한 광역, 장거리 커버리지를 구현하면서도 초저전력과 저비용을 유지할 수 있는가?
• RQ2 강한 간섭이 존재하는 환경에서(예: RF 소스와 환경적 감쇠가 동시에 존재함) -135 dBm 이하의 신호 수준에서도 백스캐터링 시스템이 신뢰성 있게 작동할 수 있는가?
• RQ3 맞춤형 또는 고비용 하드웨어 없이도 백스캐터링 시스템을 일반적인 LoRa 수신기와 호환 가능하게 만들 수 있는가?
• RQ4 콘택트 렌즈나 피부 패치와 같은 초소형, 유연하고 생체 적합성 있는 형상으로 백스캐터링을 구현할 수 있는가? 특히 헬스케어 응용 분야에서의 적용을 고려하여.
• RQ5 인쇄된 배터리나 루프 셀과 같은 마이크로와트 수준의 에너지원으로도 장거리 연결성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• LoRa Backscatter는 RF 소스와 수신기 사이에서 475m 거리에서도 안정적인 통신을 구현하며, 백스캐터링 신호는 -134 dBm 수준에서 감지된다.
• RF 소스와 동일 위치에 있을 경우 수신기가 최대 2.8km 떨어져 있어도 작동함을 입증하여 장거리 기능을 확인한다.
• 단일 RF 소스와 수신기로 4,800 평방피트(446 m²) 주택(3층), 13,024 평방피트(1,210 m²) 사무실(41개 방 포함), 1에이커(4,046 m²) 채소 농장 등에서 전체 커버리지가 확보된다.
• 콘택트 렌즈 프로토타입은 3,328 평방피트(309 m²) 아트리움에서 RSSI가 -130 dBm 이상을 유지하며 안정적인 연결성을 확보하여 이전의 백스캐터링 시스템보다 수개 차수 이상의 범위를 확보함을 입증한다.
• 유연한 피부 패치 센서는 동일한 3,328 평방피트 아트리움에서 RSSI > -132 dBm를 유지하며 인간의 피부 표면에서도 성능이 안정적임을 검증한다.
• LoRa 백스캐터링 IC 프로토타입은 오직 9.25 µW의 전력 소모와 스케일링 시 1센트 이하의 비용을 가지며, 초박두, 유연하고 인쇄 가능한 배터리에의 통합을 가능하게 한다.