[论文解读] 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 29

一句话总结

本文提出LoRa Backscatter，这是首个利用现成LoRa硬件在长达2.8公里范围内实现可靠、低功耗、低成本通信的长距离背向散射通信系统。通过利用LoRa的超低灵敏度（-149 dBm）和抗干扰能力，该系统使设备在仅使用微瓦级电源（如印刷电池）供电的情况下，也能实现高达475米的背向散射通信。

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.

研究动机与目标

• 通过实现广域、长距离通信，克服背向散射技术传统上作为短距离技术的局限性。
• 在大规模场景下，实现可靠、低功耗、低成本的日常物品连接。
• 通过利用LoRa物理层特性，证明背向散射可支持长距离、高灵敏度通信。
• 实现在家庭、办公室、农场以及隐形眼镜和表皮贴片等可穿戴设备等真实环境中的实际部署。

提出的方法

• 使用单一射频源持续发射载波，背向散射设备通过背向散射调制技术生成与LoRa兼容的 chirp 扩频（CSS）信号。
• 采用定制化背向散射设备，通过反射射频信号的方式合成LoRa数据包，实现与现成LoRa接收机的兼容性。
• 利用LoRa接收机的高灵敏度（-149 dBm）及其在强带外干扰（最高达95 dB更高功率）环境下仍能解调信号的能力。
• 仅通过一个射频源和一个接收机，实现对大型室内外环境的全覆盖，包括一座4,800平方英尺（约446平方米）的三楼住宅、一座13,024平方英尺（约1,210平方米）的41个房间办公室，以及一个一英亩（约4,046平方米）的农场。
• 通过直径1厘米的环形天线接触镜原型和采用RFID式贴片天线的柔性表皮贴片传感器，验证系统性能。
• 设计了一款LoRa背向散射IC原型，功耗仅为9.25 µW，规模化成本低于十分之一美分，可集成于超薄、柔性及印刷电池中。

实验结果

研究问题

• RQ1 背向散射通信能否在保持超低功耗和低成本的同时，实现与LoRa等主动无线电技术相当的长距离、广域覆盖？
• RQ2 在射频源强干扰和环境路径损耗的背景下，背向散射系统能否在信号电平低于-135 dBm的条件下可靠运行？
• RQ3 背向散射能否在不依赖定制或昂贵硬件的前提下，与现成LoRa接收机实现兼容？
• RQ4 背向散射能否在超小型化、柔性及生物相容性结构（如隐形眼镜和表皮贴片）上实现部署，以支持医疗应用？
• RQ5 背向散射系统能否在仅使用微瓦级能源源（如印刷电池或纽扣电池）供电的同时，维持长距离通信能力？

主要发现

• LoRa Backscatter在射频源与接收机之间实现了长达475米的可靠通信，背向散射信号在-134 dBm电平下仍可被检测到。
• 当与射频源共置时，接收机最远可达2.8公里，证明了其长距离通信能力。
• 仅通过一个射频源和一个接收机，系统在一座4,800平方英尺（446平方米）的三楼住宅、一座13,024平方英尺（1,210平方米）的41个房间办公室，以及一个一英亩（4,046平方米）的蔬菜农场中实现了全覆盖。
• 接触镜原型在3,328平方英尺（309平方米）的中庭环境中实现了可靠连接，接收信号强度（RSSI）高于-130 dBm，通信距离相比以往背向散射系统提升了数量级。
• 柔性表皮贴片传感器在相同3,328平方英尺（309平方米）中庭环境中，保持了RSSI > -132 dBm的可靠连接，验证了其在人体皮肤上的性能表现。
• 设计了一款LoRa背向散射IC原型，功耗仅为9.25 µW，规模化成本低于十分之一美分，可集成于超薄、柔性及印刷电池中。