La tecnología negra inalámbrica de potencia cero, ¿la salvadora del Internet de las cosas?
Zhang Kai? 17021211121
Introducción al ganado integrado: con el desarrollo del Internet de las cosas, los sensores se distribuirán cada vez más en la vida diaria. Los sensores están distribuidos en todos los rincones y, por lo general, es necesario garantizar que duren al menos un año sin necesidad de reemplazar la batería (esto es especialmente cierto para los sensores implantados en el cuerpo humano, por lo que reemplazar la batería requiere cirugía, lo cual es costoso y seguro). ); y, si debido al costo y tamaño del sensor, la potencia de la batería incorporada del sensor no puede ser demasiado grande.
Chiniu Nose: Comunicación por circuito de radiofrecuencia de potencia ultrabaja
Chiniu Nose pregunta: Tecnología negra inalámbrica de potencia cero, ¿la salvadora del Internet de las cosas?
Con el desarrollo del Internet de las Cosas, los sensores estarán cada vez más distribuidos en la vida diaria. Los sensores están distribuidos en todos los rincones y, por lo general, es necesario garantizar que duren al menos un año sin necesidad de reemplazar la batería (esto es especialmente cierto para los sensores implantados en el cuerpo humano, por lo que reemplazar la batería requiere cirugía, lo cual es costoso y seguro). ); y, si debido al costo y tamaño del sensor, la potencia de la batería incorporada del sensor no puede ser demasiado grande.
Por otro lado, para poder transmitir la información recogida por el sensor, éste suele necesitar utilizar una conexión inalámbrica para comunicarse con el nodo central. Sin embargo, el consumo de energía de los circuitos integrados de radiofrecuencia tradicionales no es bajo y consumirá energía de la batería demasiado rápido. Por lo tanto, para popularizar aún más los sensores de IoT, es necesario diseñar nuevos circuitos de RF de potencia ultrabaja.
¿Es realmente necesario emitir señales de radiofrecuencia para la transmisión de señales?
¿Cómo diseñar un circuito RF de potencia ultrabaja? También podríamos analizar el consumo de energía en los circuitos de RF de IoT. En primer lugar, como nodo sensor en Internet de las cosas, envía principalmente información y el extremo receptor envía principalmente información de control, por lo que el extremo transmisor se utiliza con más frecuencia. En segundo lugar, los protocolos inalámbricos convencionales actuales requieren al menos un transmisor; potencia de 0dBm, es decir, 1 mW considerando que la eficiencia general del transmisor es de aproximadamente 10, es decir, requiere un consumo de energía total de al menos 10 mW. Dicho consumo de energía es demasiado grande en aplicaciones de sensores de IoT y debe reducirse. encontrando maneras.
Entonces, ¿cómo reducir el consumo de energía del transmisor? Además de la optimización de circuitos convencionales para mejorar la eficiencia, ¿hay alguna forma de reducir el consumo de energía? También podríamos examinar primero la base física de la transmisión de información. Según la teoría y la física de la información, la energía consumida para transmitir un bit de información es kTln2, que es aproximadamente 2,75*10-21 julios a temperatura normal, que es mucho menor que el consumo de energía de aproximadamente 1*10-12 julios por bit. de la transmisión de datos en transmisión inalámbrica. Por tanto, lo que nos limita no son las leyes básicas de la física, sino el diseño del método de transmisión de señales en ingeniería.
Pensémoslo de nuevo. Para transmitir señales de forma inalámbrica, ¿realmente se necesita que el extremo del sensor emita señales de radiofrecuencia? En la vida diaria, existen formas de transmitir señales sin consumir energía. Por ejemplo, los espejos de señales diurnas utilizados en la navegación y la exploración de áreas silvestres transmiten información reflejando la luz del sol en diferentes ángulos. En este caso, el portador de la señal es la luz solar, pero la energía solar no la emite la persona que transmite la señal, sino que la proporciona el sol a título de tercero. Por lo tanto, podemos lograr completamente la transmisión de la señal proporcionando energía de un tercero.
Sunshine Information Mirror utiliza energía proporcionada por un tercero (el sol) como portador de información. La persona que entrega la información no necesita proporcionar energía de transmisión de información.
WiFi pasivo. Consumo de energía casi nulo Transmisión inalámbrica
Anteriormente, mencionamos el ejemplo del uso de la luz solar para transmitir señales sin proporcionar energía. De hecho, tanto la luz solar como nuestras comunicaciones inalámbricas convencionales utilizan ondas electromagnéticas, por lo que podemos trasplantar completamente los reflectores de la luz solar a las comunicaciones inalámbricas.
Este método se utilizó por primera vez en las comunicaciones por satélite. Dado que la distancia entre el satélite y la estación base terrestre en las comunicaciones por satélite es muy larga, la atenuación de la señal es muy grande, por lo que se requiere una potencia de transmisión de señal muy fuerte. Obviamente, transmitir alta potencia en tierra es más fácil que transmitir alta potencia en tierra. el satélite. Por lo tanto, la solución de los ingenieros es instalar un transmisor (retrorreflector) en el satélite que pueda modular la luz reflejada y transmitir la señal de alta potencia (señal de iluminación) desde tierra.
El transmisor puede transmitir información cambiando el ángulo del reflector para modular la señal reflejada. Por ejemplo, cuando el satélite refleja completamente la señal desde la Tierra, representa 1, y cuando no hay ningún reflejo, representa 0. De esta forma, se puede lograr una transmisión inalámbrica en la que el satélite no emite señales inalámbricas. Aquí, la estación transmisora en tierra es equivalente al sol en el ejemplo del helióstato, y el reflector en el satélite es equivalente al espejo.
Con la popularidad del Internet de las Cosas, el método de utilizar la reflexión para transmitir señales también ha comenzado a entrar en el campo de los sensores. Shyam GollakotaJoshua y R. Smith, profesores del Departamento de Ingeniería y Ciencias de la Computación de la Universidad de Washington, propusieron el concepto de Interscatter y publicaron los resultados en SIGCOMM. La idea de Interscatter es la misma que la del espejo de información solar mencionado anteriormente y la comunicación por reflexión satelital, que también transmite información a través de la reflexión. Un ejemplo de aplicación típico es el que se muestra a continuación. El chip Interscatter es un sensor implantado en el cuerpo o un chip similar a RFID que requiere un consumo de energía ultrabajo (como relojes, auriculares Bluetooth) emiten señales de radiofrecuencia (señales de irradiación). ), y el chip Interscatter cambia la impedancia de la antena modula la señal reflejada, que es recibida y demodulada por el teléfono móvil para obtener la información transmitida por el chip Interscatter. Durante todo el proceso, el chip Interscatter no emite señales de radiofrecuencia. Todo lo que necesita hacer es convertir el flujo de bits en modulación de la impedancia de la antena, por lo que el consumo de energía puede ser extremadamente bajo.
Diagrama esquemático del escenario de uso del chip Interscatter. El dispositivo externo transmite señales de radiofrecuencia y el chip Interscatter modula la señal reflejada cambiando la impedancia de la antena para completar la transmisión de información. Durante todo el proceso, el chip Interscatter no genera señales de radiofrecuencia.
Después de Interscatter, el grupo de investigación de la Universidad de Washington extendió este concepto a WiFi y propuso WiFi pasivo, que transmite señales de radiofrecuencia a través de enrutadores WiFi, y el chip WiFi pasivo solo necesita ser responsable de modular la La antena. La impedancia puede comunicarse con el enrutador a través del protocolo WiFi. Porque se omite el enlace de transmisión de señales de radiofrecuencia. El consumo de energía del chip proviene principalmente del sintetizador de frecuencia y del módulo de modulación de antena (consulte la figura siguiente). De esta forma, el WiFi pasivo puede alcanzar velocidades de comunicación de hasta 11Mbps, mientras que su consumo de energía es de sólo 50uW. ?
WiFi pasivo
En términos de diseño del sistema de circuito, el proceso básico del WiFi pasivo es que la fuente central de radiofrecuencia (enrutador, etc.) transmite señales de radiofrecuencia al pasivo. Chip WiFi, por lo que se requiere un control preciso de la dirección del haz; de lo contrario, si varios chips WiFi pasivos se reflejan al mismo tiempo, causarán interferencia mutua, por lo que es necesario utilizar tecnología de formación de haz en la parte de la fuente de radiofrecuencia. Sin embargo, dado que el haz no puede estar perfectamente alineado cada vez, otro desafío del sistema wifi pasivo es la reflexión multitrayectoria y la reflexión ambiental. Para resolver este problema, el laboratorio dirigido por el profesor Frank Chang del Departamento de Ingeniería Eléctrica de UCLA cooperó con NASA/JPL para completar un chip. Este proyecto implementa un conjunto de chips con una velocidad de datos de hasta 54 Mbps basado en el concepto de reflexión (incluidos el transmisor y el reflector). El conjunto de chips también puede utilizar tecnología de ecualización para resolver el problema de la reflexión de múltiples rutas. Se puede ver que el WiFi pasivo no solo puede lograr una comunicación de baja potencia, sino que también puede ser comparable al WiFi tradicional en términos de velocidad de datos. El artículo específico "Un modulador de retrodispersión de 5,8 GHz y 54 Mb/s para WLAN con distorsión previa de símbolos y configuración de pulsos de transmisión" se publicó en IEEE Microwave Wireless Component Letters.
El chipset implementado por UCLA en cooperación con JPL incluye dos partes, el transmisor y el reflector.
Por supuesto, el WiFi pasivo también tiene sus propias limitaciones. Actualmente, el escenario más adecuado para WiFi pasivo es la comunicación punto a punto, que puede maximizar la eficiencia de utilización de las señales de iluminación y reducir la interferencia mutua de diferentes reflejos de WiFi pasivo. Por lo tanto, el WiFi pasivo no es la mejor opción cuando varios nodos necesitan comunicarse al mismo tiempo. Además, el WiFi pasivo no puede reducir el consumo de energía del receptor. En resumen, el escenario de aplicación más adecuado para WiFi pasivo es la parte principal de la estación transmisora y no es necesario que los sensores de IoT se comuniquen entre nodos. En el futuro, para permitir que varios nodos se comuniquen simultáneamente, se podrán utilizar tecnologías similares a CDMA.