Internet de las cosas y pasividad
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 asegurarse de que no sea necesario reemplazar la batería durante al menos un año (especialmente para los sensores implantados en el cuerpo humano, el costo y la seguridad de reemplazar las baterías son problemáticos); Debido al costo y tamaño del sensor, la batería incorporada del sensor tampoco es demasiado grande.
Embedded Bull Nose: comunicación por circuito de radiofrecuencia de potencia ultrabaja
Embedded Bull Question: 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 asegurarse de que no sea necesario reemplazar la batería durante al menos un año (especialmente para los sensores implantados en el cuerpo humano, el costo y la seguridad de reemplazar las baterías son problemáticos); Debido al costo y tamaño del sensor, la batería incorporada del sensor tampoco es demasiado grande.
Por otro lado, para transmitir la información recogida por el sensor, éste suele necesitar comunicarse con un nodo central mediante una conexión inalámbrica. Sin embargo, los circuitos integrados de radiofrecuencia tradicionales tienen un alto consumo de energía y consumen la energía de la batería demasiado rápido. Por lo tanto, para promover aún más los sensores IOT, es necesario diseñar un nuevo tipo de circuito RF de potencia ultrabaja.
¿La transmisión de señales realmente requiere la transmisión de señales de radiofrecuencia?
¿Cómo diseñar un circuito de radiofrecuencia de potencia ultrabaja? También podríamos analizar el consumo de energía en el circuito de RF del Internet de las cosas. En primer lugar, como nodo sensor en Internet de las cosas, envía principalmente información y el receptor recibe principalmente información de control, por lo que el remitente la usa con más frecuencia. En segundo lugar, la fidelidad inalámbrica convencional actual requiere una potencia de transmisión de al menos 0 dBm, es decir, 1 mW. Teniendo en cuenta que la eficiencia general del transmisor es de aproximadamente el 10%, es decir, el consumo total de energía es de al menos 10 mW, este consumo de energía es demasiado grande en la aplicación de sensores de IoT y debemos encontrar formas de reducirlo.
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 necesaria para transmitir un bit de información es kTln2, que es aproximadamente 2,75*10-21 julios a temperatura ambiente, que es mucho menor que los 1*10-12 julios por bit de transmisión de datos en transmisión inalámbrica. Entonces, lo que nos limita no son las leyes básicas de la física, sino el diseño del método de transmisión de señales en ingeniería.
Vale la pena pensarlo de nuevo. Cuando transmitimos señales de forma inalámbrica, ¿realmente necesitamos sensores para transmitir señales de radiofrecuencia? En la vida diaria, existen algunos métodos de transmisión de señales que no consumen energía. Por ejemplo, el espejo de señales solares utilizado en navegación y exploración de campo transmite información reflejando la luz solar desde 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 utilizar completamente a un tercero para proporcionar energía y lograr la transmisión de la señal.
El Sunshine Information Mirror utiliza la energía proporcionada por un tercero (el sol) como portador de información, y la persona que transmite la información no necesita proporcionar ella misma la energía de transmisión de información.
WiFi pasivo: la transmisión inalámbrica consume casi cero energía
Antes mencioné 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 reflectores solares a las comunicaciones inalámbricas.
Este método se utilizó por primera vez en las comunicaciones por satélite. Dado que los satélites en las comunicaciones por satélite están lejos de la estación base terrestre y la atenuación de la señal es grande, se requiere una potencia de transmisión de señal muy fuerte. Obviamente, es más fácil transmitir alta potencia en tierra que en un satélite. Entonces, la solución de los ingenieros fue instalar un retrorreflector en el satélite que pudiera modular la luz reflejada, mientras que la tierra emite una señal de alta potencia (señal de iluminación). El transmisor puede modular la señal reflejada cambiando el ángulo del reflector, transmitiendo así información. Por ejemplo, si el satélite refleja completamente la señal desde tierra, significa 1, y si no refleja la señal en absoluto, significa 0. De esta manera, se puede lograr la transmisión inalámbrica sin que el satélite emita señales inalámbricas. Aquí, la estación transmisora en tierra es equivalente al sol en el ejemplo del reflector solar, y el reflector en el satélite es equivalente al espejo.
Con la popularidad del Internet de las Cosas, el método de transmisión de señales reflejadas 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 de la investigación en SIGCOMM. La idea de Interscatter es la misma que la del espejo de información de la luz solar y la comunicación de reflexión del satélite mencionadas anteriormente, y también transmite información a través de la reflexión. En la siguiente figura se muestran ejemplos de aplicaciones típicas. El chip entre baterías es un sensor o chip similar a RFID implantado en el cuerpo que requiere un consumo de energía ultrabajo. Los dispositivos externos como relojes y auriculares Bluetooth emiten señales de radiofrecuencia (señales de iluminación). El chip entre baterías modula la señal reflejada cambiando la impedancia de la antena. La señal reflejada es recibida por el teléfono móvil y demodulada para obtener la información transmitida por el chip entre baterías. Durante todo el proceso, el chip Interscatter no emite señales de radiofrecuencia y sólo necesita convertir el flujo de bits en modulación de la impedancia de la antena, por lo que el consumo de energía puede ser extremadamente bajo.
El chip Interscatter utiliza un diagrama esquemático del escenario donde un dispositivo externo emite una señal de radiofrecuencia. 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 de dispersión no genera señales de radiofrecuencia.
Después de Interscatter, el equipo 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 los chips WiFi pasivos solo necesitan modular la impedancia de la antena para pasar. El protocolo WiFi se comunica con el enrutador. 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 y consumir sólo 50uW. ?
WiFi pasivo
En el diseño de sistemas de circuitos, el proceso básico del WiFi pasivo es que la fuente central de radiofrecuencia (enrutador, etc.) emite señales de radiofrecuencia al chip WiFi pasivo, lo que requiere un control preciso de la dirección del haz; de lo contrario, si varios chips WiFi pasivos se reflejan al mismo tiempo, se producirá interferencia mutua, por lo que se requiere tecnología de formación de haz en la fuente de RF. Pero como el haz no puede ser preciso en todo momento, otro desafío de los sistemas WiFi pasivos es la reflexión multicanal y la reflexión ambiental. Para resolver este problema, un laboratorio dirigido por Frank Chang, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica de UCLA, colaboró con NASA/JPL para completar un chip. Este proyecto implementa un chipset (que incluye transmisor y reflector) con velocidades de datos de hasta 54 Mbps basado en el concepto de reflexión. Al mismo tiempo, el conjunto de chips puede utilizar tecnología de ecualización para resolver el problema de la reflexión multitrayectoria. 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, "Modulador de retrodispersión de 5,8 GHz y 54 MB/s para WLAN con predistorsión de símbolos y configuración de pulsos de transmisión", se publicó en IEEE Microwave Wireless Components Letters.
El chipset implementado por UCLA y JPL consta de dos partes: un transmisor y un reflector.
Por supuesto, el WiFi pasivo también tiene sus propias limitaciones. En la actualidad, 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 simultáneamente. Además, el WiFi pasivo no puede reducir el consumo de energía del receptor. En resumen, el escenario de aplicación más adecuado para WiFi pasivo son los sensores IoT, que son la parte más importante del transmisor y no requieren comunicación entre nodos. En el futuro, para permitir que varios nodos se comuniquen simultáneamente, se podrán utilizar tecnologías como CDMA.