Battery-free ambient FM backscatter nodes reaching 150 metres through digital chirp synthesis and MISO diversity reception

우리의 교량, 숲, 병원을 모니터링하는 센서들이 배터리를 교체할 필요가 없는 세상을 상상해 보십시오. 수십 년 동안 사물인터넷(IoT)의 꿈을 가로막아 온 것은 단순하고도 고집스러운 문제, 바로 전력이었습니다. 무선 신호를 보내기 위해 장치는 보통 스스로 라디오파를 생성해야 하며, 이 과정은 작은 배터리를 몇 주 또는 몇 달 만에 방전시킬 만큼 빠르게 에너지를 소비합니다. 수십억 개의 이러한 배터리를 교체하는 것은 비용이 지나치게 많이 들 뿐만 아니라 막대한 환경적 부담을 초래합니다. 과학자들은 오랫동안 신호를 처음부터 생성하지 않고 통신할 방법을 찾아왔습니다. 대신 그들은 백스캐터(backscatter)라고 불리는 방법을 주목했습니다. 이는 장치가 스스로 신호를 만드는 대신, 공중에 떠다니는 기존의 라디오파를 단순히 반사하며, 정보를 인코딩하기 위해 그 반사 방식을 변화시키는 방식입니다. 이 기술은 에너지가 거의 필요하지 않지만, 지금까지는 데이터를 아주 멀리 보내거나 복잡하고 거대한 하드웨어 없이 안정적으로 보내는 데 어려움을 겪어 왔습니다.

연구팀은 익숙한 FM 라디오 방송의 웅성거림을 아주 작은 배터리 없는 센서를 위한 에너지원으로 바꿈으로써 이 문제를 해결하기 위한 실질적인 단계를 시연했습니다. 최근 연구에서 그들은 햇빛으로부터 에너지를 수확하고 상업용 FM 방송국의 주변 라디오파를 사용하여 데이터를 전송하는 센서 노드를 구축했습니다. 새로운 신호를 생성하는 대신 기존 신호를 반사함으로써, 이 장치는 표준 무선 라디오가 요구하는 에너지의 아주 작은 부분만으로 작동합니다. 연구진은 디지털 신호 처리와 여러 라디오 방송국을 동시에 수신하는 수신기의 영리한 조합을 사용하여, 이러한 저전력 시스템임에도 불구하고 150미터라는 상당한 거리까지 성공적으로 데이터를 전송할 수 있음을 보여주었습니다.

이 성과의 핵심은 센서가 메시지를 생성하는 방식에 있습니다. 보통 복잡한 라디오 신호를 생성하려면 매끄럽고 연속적인 파형을 만들어내는 전용 회로가 필요합니다. 그러나 이 새로운 장치는 다른 방식을 사용합니다. 이 장치는 많은 소비자 가전제품에서 볼 수 있는 일반적인 기성 마이크로컨트롤러를 사용하여 "처프(chirp)"라고 알려진 특정 유형의 신호를 생성합니다. 처프는 새의 울음소리나 소나 핑처럼 낮은 음조에서 높은 음조로 부드럽게 훑고 지나가는 소리 또는 파동입니다. 이 시스템에서 마이크로컨트롤러는 파동 자체를 생성하지 않습니다. 대신, 처프의 형태를 나타내는 0과 1의 패턴을 계산합니다. 그런 다음 이 패턴을 안테나에 연결된 아주 작은 전자 스위치로 보냅니다. 스위치가 두 상태 사이를 빠르게 전환함에 따라 안테나가 들어오는 FM 라디오파를 반사하는 방식이 변화합니다. 이 빠른 전환은 새로운 반송파 신호를 전혀 생성하지 않고도 기존의 라디오파에 처프 패턴을 입혀, 반사파를 데이터로 변조합니다.

에너지 사용량을 극도로 낮게 유지하기 위해, 장치는 대부분의 시간 동안 휴면 상태를 유지하도록 설계되었습니다. 마이크로컨트롤러는 데이터 패턴을 생성하고 스위치를 아주 짧은 순간 동안만 작동시킨 뒤, 즉시 전력을 거의 소모하지 않는 딥 슬립(deep sleep) 모드로 돌아갑니다. 전체 시스템은 작은 태양전지로부터 수확된 에너지로 구동되며, 이 에너지는 작은 충전식 배터리 역할을 하는 슈퍼커패시터에 저장됩니다. 연구진은 실험에서 이 노드가 평균적으로 단 22마이크로와트의 전력만을 소비한다는 것을 발견했습니다. 이는 단 하나의 LED를 아주 짧은 순간 동안 켜는 데 필요한 에너지와 비슷하지만, 센서 판독값이 담긴 데이터 패킷을 보내기에는 충분했습니다. 이 장치는 45 x 50 밀리미터 크기의 회로 기판(대략 표준 성냥갑 크기)에 들어갈 정도로 작으며, 온도, 습도, 압력, 동작 및 자기장을 감지하는 센서를 포함하고 있습니다.

백스캐터 기술의 가장 큰 장애물 중 하나는 거리였습니다. 신호를 반사하는 것은 신호를 직접 송출하는 것보다 훨씬 약하기 때문에, 신호가 수신기에 도달하기 전에 자주 사라집니다. 이를 극복하기 위해 연구진은 단일 라디오 방송국에 의존하지 않았습니다. 대신, 여러 FM 방송국을 동시에 듣는 수신기를 설계했습니다. 야외 실험에서 센서는 수신기에서 150미터 떨어진 곳에 위치했으며, 센서가 반사한 FM 방송 신호는 34.5킬로미터 떨어진 송신소에서 왔습니다. 저비용 소프트웨어 정의 라디오(SDR) 하드웨어로 구축된 수신기는 세 개의 서로 다른 FM 방송국으로부터 반사된 동일한 데이터 패킷을 포착했습니다. 각 방송국은 신호를 위한 약간씩 다른 경로를 제공하므로, 수신기는 이 여러 개의 복사본을 결합하여 더 명확하고 강한 버전의 메시지를 만들어낼 수 있습니다. '다이버시티 수신(diversity reception)'이라고 알려진 이 기술을 통해, 시스템은 단일 방송국의 신호가 너무 약해 이해할 수 없는 경우에도 오류를 수정하고 데이터를 성공적으로 디코딩할 수 있었습니다.

연구 결과는 이 방법이 실제 환경에서도 작동함을 보여줍니다. 연구진은 에든버러에 위치한 헤리엇-와트 대학교 캠퍼스에서 기존 BBC 라디오 방송국을 반송파원으로 사용하여 시스템을 테스트했습니다. 그들은 세 개의 방송국 신호를 결합함으로써, 시스템이 테스트된 최대 거리인 150미터에서 안정적인 연결을 유지할 수 있음을 발견했습니다. 데이터 전송 속도는 초당 몇 백 비트 정도로 느렸지만, 이는 몇 분에 한 번씩 온도나 동작 이벤트를 보고하기만 하면 되는 많은 환경 모니터링 애플리케이션에는 충분한 수준입니다. 연구는 이 시스템이 기존의 방송 인프라에 전적으로 의존하며, 새로운 송신기나 전용 라디오 소스를 필요로 하지 않는다는 점을 명시적으로 언급했습니다. 또한, 처프 신호를 생성하는 데 사용된 디지털 방식이 흔한 마이크로컨트롤러에서 실행될 수 있을 만큼 간단하여, 비싸거나 복잡한 맞춤형 하드웨어를 피할 수 있다는 점도 강조했습니다.

현재의 150미터 범위는 강력한 시연이지만, 연구진은 이것이 시작 단계일 뿐임을 인정합니다. 이 시스템은 확장 가능하도록 설계되었으며, 여러 방송국을 활용한다는 점은 라디오 커버리지가 풍부한 지역에서 범위를 더 확장할 수 있음을 시사합니다. 또한 연구는 디지털 처프 합성 방식이 유연하여 잠재적으로 다른 유형의 무선 네트워크에도 적응할 수 있다고 지적했습니다. 다만, 연구진은 현재의 성공이 로컬 FM 신호의 강도와 수신기가 여러 스트림을 동시에 처리할 수 있는 능력 등 테스트의 특정 조건에 달려 있다는 점을 주의 깊게 언급했습니다. 그들은 향후 연구가 더 복잡한 환경을 처리하거나 거리를 더 늘리기 위해 신호 처리를 개선하는 데 집중할 수 있다고 제안했습니다.

이 작업의 함의는 실험실 너머까지 이어집니다. 센서가 수확된 태양 에너지로 작동하고 주변의 라디오파 반사만을 이용해 통신할 수 있음을 증명함으로써, 연구진은 진정한 유지보수가 필요 없는 무선 네트워크를 향한 실행 가능한 경로를 제시했습니다. 이는 건물 벽에 매립되어 배터리 교체가 전혀 필요 없는 센서나, 인간의 개입 없이 수년간 위치와 상태를 보고하는 해상 컨테이너 태그 등을 의미할 수 있습니다. 핵심적인 통찰은 통신에 필요한 에너지가 반드시 장치 자체에서 나와야 하는 것은 아니라는 점입니다. 그것은 환경으로부터 빌려올 수 있습니다. 이미 공중에 떠다니는 라디오파를 반사함으로써, 이 작은 노드들은 전력원이라는 부담 없이 디지털 대화에 참여할 수 있습니다. 연구는 적절한 디지털 합성 기술과 스마트한 신호 결합이 있다면, 자립형 배터리 없는 사물인터넷의 꿈이 현실에 더 가까워지고 있음을 확인시켜 줍니다.