[论文解读] LoRea: A Backscatter Reader for Everyone!

Ambuj Varshney, Oliver Harms+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 37被引用 6

一句话总结

LoRea 是一种低成本、高通信距离的后向散射读取器，通过将载波生成与读取器解耦，并利用频率移位技术抑制自干扰，实现了高达 225 米的视距通信，从而利用现成设备（如智能手机）实现长距离、无电池通信。

ABSTRACT

Computational RFID (CRFID) platforms have enabled reconfigurable, battery-free applications for close to a decade. However, several factors have impeded their wide-spread adoption: low communication range, low throughput, and expensive infrastructure - CRFID readers usually cost upwards of $1000. This paper presents LoRea, a backscatter reader that achieves an order of magnitude higher range than existing CRFID readers, while costing a fraction of their price. LoRea achieves this by diverging from existing designs of CRFID readers and more specifically, how self-interference is tackled. LoRea builds on recent work that frequency-shifts backscatter transmissions away from the carrier signal to reduce self- interference. LoRea also decouples the carrier generation from the reader, helping to further decrease self-interference. Decoupling carrier generation also enables the use of deployed infrastructure of smartphones and sensor nodes to provide the carrier signal. Together these methods reduce cost and complexity of the reader. LoRea also purposefully operates at lower bi- trates than recent backscatter systems which enables high sensitivity and longer range. We evaluate LoRea experimentally and find that it achieves a communication range of up to 225 m in line-of-sight scenarios. In indoor environments, where the signal traverses several walls separating the reader and the backscatter tag, LoRea achieves a range of 30 m. These results illustrate how LoRea outperforms state- of-art backscatter systems and CRFID platforms.

研究动机与目标

• 为解决现有 CRFID 读取器成本高、通信距离有限的问题，这些限制阻碍了基于后向散射技术的应用的广泛应用。
• 通过将载波信号生成与读取器硬件解耦，降低读取器复杂度和基础设施成本。
• 通过利用频率移位技术抑制自干扰，扩展后向散射系统的通信距离。
• 利用现有的智能手机和传感器节点基础设施实现部署，减少对昂贵专用读取器的需求。

提出的方法

• LoRea 使用频率移位技术将后向散射信号从载波频率偏移，最大限度减少自干扰。
• 它将载波信号生成与读取器解耦，使现成设备（如智能手机）能够传输载波。
• 该系统比特率低于近期的后向散射系统，以提高灵敏度并延长通信距离。
• 通过信号分离和硬件解耦减少自干扰，LoRea 在使用低成本组件的情况下实现了高性能。
• 该设计支持使用商品化硬件进行载波传输，显著降低了系统成本。
• 读取器架构针对灵敏度和动态范围进行了优化，支持长距离视距通信和室内运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 后向散射读取器是否能在保持低成本的同时，实现远超当前先进 CRFID 系统的通信距离？
• RQ2 如何在不依赖昂贵定制硬件的情况下，有效抑制后向散射读取器中的自干扰？
• RQ3 在多大程度上可以利用现有的智能手机和传感器节点基础设施来生成后向散射读取器的载波信号？
• RQ4 在后向散射系统中，通信比特率、灵敏度和通信距离之间存在哪些权衡？
• RQ5 完全解耦的读取器架构是否能够实现使用低成本组件的长距离、无电池通信？

主要发现

• 在视距场景下，LoRea 实现了最高达 225 米的通信距离，比现有 CRFID 读取器高出一个数量级。
• 在存在多堵墙的室内环境中，LoRea 仍能保持 30 米的通信距离，证明了其在真实环境下的鲁棒性。
• 通过频率移位和载波解耦，系统有效抑制了自干扰，从而实现了高灵敏度和长距离性能。
• LoRea 的比特率低于近期的后向散射系统，这增强了灵敏度并延长了通信距离。
• 读取器可使用低成本组件实现，并利用现有智能手机基础设施进行载波传输，与传统读取器相比成本降低十倍或以上。
• 实验评估证实，LoRea 在通信距离和成本效益方面均优于当前最先进的后向散射系统。