Long-Range backscattering communications for next generation IoT applications

Abstract

Aquesta tesi doctoral es centra en el disseny i la implementació de comunicacions sense fils de baix consum i llarg abast mitjançant la retrodispersió LoRa. La investigació engloba la implementació del sistema i l'anàlisi de la viabilitat de l'aplicació en tres camps diferents, contribuint a l'avenç d'aquesta tecnologia per a ús comercial. L'estudi explora principalment el disseny de l'etiqueta de retrodispersió. Es proposa la integració d'un amplificador de reflexió per millorar la potència reflectida i ampliar l'abast i la fiabilitat del sistema. Es dissenyen i implementen dues topologies d'amplificador de reflexió de baixa potència, basades en un díode de túnel i un transistor bipolar. L'amplificador de reflexió basat en el transistor demostra ser més eficient per a una integració completa, ja que elimina el condicionament del voltatge de polarització. Diversos reptes relacionats amb l'eficiència, els riscos d'oscil·lació i el consum d'energia s'aborden mitjançant la incorporació d'un sensor de corrent a la línia d'alimentació de l'amplificador de reflexió. Aquest mecanisme de control actiu evita l'oscil·lació de l'etiqueta i allarga significativament la durada de la bateria.

Esta tesis doctoral se centra en el diseño y la implementación de comunicaciones inalámbricas de bajo consumo y largo alcance mediante la retrodispersión LoRa. La investigación engloba la implementación del sistema y el análisis de la viabilidad de la aplicación en tres campos distintos, contribuyendo al avance de esta tecnología para uso comercial. El estudio explora principalmente el diseño de la etiqueta de retrodispersión. Se propone la integración de un amplificador de reflexión para mejorar la potencia reflejada y ampliar el alcance y fiabilidad del sistema. Se diseñan e implementan dos topologías de amplificador de reflexión de baja potencia, basadas en un diodo de túnel y un transistor bipolar. El amplificador de reflexión basado en el transistor demuestra ser más eficiente para una integración completa, eliminando el acondicionamiento del voltaje de polarización. Varios retos relacionados con la eficiencia, los riesgos de oscilación y el consumo de energía se abordan mediante la incorporación de un sensor de corriente en la línea de alimentación del amplificador de reflexión. Este mecanismo de control activo evita la oscilación de la etiqueta y alarga significativamente la duración de la batería.

This doctoral thesis focuses on the design and implementation of low-power, long-range wireless communications using LoRa backscattering. The research encompasses system implementation and application viability analysis in three different fields, contributing to the advancement of this technology for commercial use. The study primarily explores the front-end design of the backscattering tag. Integration of a reflection amplifier is proposed to enhance the reflected power and extend the system's range and reliability. Two low-power reflection amplifier topologies, utilizing tunnel diodes and bipolar transistors, are designed and implemented. The transistor-based reflection amplifier proves to be more efficient for full integration, as it eliminates bias voltage conditioning challenges. Several challenges related to efficiency, oscillation risks, and power consumption are addressed by incorporating a current sensor in the supply line of the reflection amplifier. This active control mechanism prevents tag oscillation and significantly prolongs the tag battery life. Tag up-link communication is achieved through two modulation schemes: LoRa-packet OOK modulation and a novel down-chirp modulation. The LoRa-packet OOK modulation offers compatibility with commercial LoRa transceivers, while the down-chirp modulation exhibits more efficient spectrum utilization.