[论文解读] Simplifying Backscatter Deployment: Full-Duplex LoRa Backscatter

Mohamad Katanbaf, Anthony Weinand+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2020

Full-Duplex Wireless CommunicationsEngineering参考文献 61被引用 17

一句话总结

本论文提出了一种基于商用LoRa芯片组和微控制器，仅使用无源元件的低成本、长距离、全双工LoRa背散射读取器，实现了78 dB的自干扰抑制。通过采用两级可调阻抗网络和混合耦合器，系统实现了同址发射与接收，支持在4,000平方英尺的办公环境中实现高达300英尺视距通信及穿墙通信，并成功集成于智能手机尺寸的外形和无人机上，用于精准农业。

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$^2$.

研究动机与目标

• 解决半双工背散射系统因需物理分离发射机与接收机而带来的部署挑战。
• 克服现有全双工RFID和背散射系统体积大、复杂、昂贵且通信距离有限的局限。
• 通过利用商用LoRa芯片组和无源元件，实现实用、低成本、长距离的背散射通信。
• 仅使用无源元件和微控制器实现深度自干扰抑制（78 dB），避免使用昂贵的有源组件或软件定义无线电（SDR）。
• 通过集成至智能手机尺寸的读取器、隐形眼镜形态的设备以及基于无人机的传感系统，展示其在现实世界中的适用性。

提出的方法

• 采用单天线、基于混合耦合器的架构，将发射机与接收机连接至同一射频端口。
• 提出一种新型两级可调阻抗网络，通过动态跟踪并抵消因天线阻抗变化引起的自干扰。
• 利用微控制器实时自适应调节阻抗网络，最小化干扰，而无需使用IQ采样。
• 仅使用无源元件（电感、电容、电阻、二极管）实现78 dB的自干扰抑制，避免使用笨重或昂贵的有源射频组件。
• 利用商用LoRa接收机的固有基带滤波特性，抑制频偏处的残余干扰。
• 将系统与LoRa收发器及微控制器集成，形成紧凑、低功耗且低成本的全双工读取器。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用商用LoRa芯片组和无源元件构建低成本、全双工的背散射系统？
• RQ2 是否可行通过两级可调阻抗网络在无主动抵消电路的情况下实现78 dB的自干扰抑制？
• RQ3 该系统能否在存在墙体和隔间等障碍物的实际环境中实现高达300英尺的长距离通信？
• RQ4 该读取器能否微型化至可集成于智能手机或隐形眼镜形态设备中，同时保持性能？
• RQ5 该系统能否部署于无人机上，实现在精准农业中对大范围区域的背散射传感？

主要发现

• 所提出的系统仅使用无源元件和微控制器即实现了78 dB的自干扰抑制，使单个LoRa芯片组支持全双工通信。
• 系统在4,000平方英尺的办公环境中，成功实现与背散射标签在300英尺视距及穿墙通信。
• 读取器已成功重构为智能手机尺寸外形，证明其在移动设备和可穿戴设备中集成的可行性。
• 已成功通过读取器与隐形眼镜形态原型设备通信，验证其在医疗和可穿戴应用中的潜力。
• 当安装于无人机上时，系统实现了7,850平方英尺的瞬时覆盖区域，证明其在精准农业中的实用价值。
• 与现有半双工背散射系统相比，本系统在部署简便性方面表现更优；与现有全双工系统相比，本系统在成本、尺寸和通信距离方面更具优势，且无需使用SDR或昂贵的有源组件。