presenta una validación experimental de técnicas SWIPT basadas en RF. Específicamente, utilizando el receptor Powercast P2110 Powerharvester
, conjunto de sugerencias a nivel de sistema para el desarrollo futuro de sistemas basados en SWIPT.
demostrar que, en estos casos, la recolección de energía solo es posible con paquetes de gran longitud en entornos prácticos.
demostramos experimentalmente que, a pesar de transportar energía, los factores de ruido externos en el canal inalámbrico pueden deteriorar el rendimiento de la recolección de energía basada en RF debido a las fluctuaciones de amplitud de alto voltaje.
conjunto de sugerencias a nivel de sistema para el desarrollo futuro de sistemas basados en SWIPT.
minimizar el consumo energético en plataformas informáticas con recursos
limitados ha sido un ret
validar la eficacia de los diseños de sistemas basados en SWIPT utilizando
estos dispositivos comerciales listos para usar (COTS). Específicamente,
este trabajo busca validar una de las principales suposiciones que muchos
trabajos teóricos relacionados con SWIPT dan por sentado: la suposición
de transmisiones continuas en el medio inalámbrico
T. El objetivo de este
trabajo no es proponer un nuevo algoritmo o mecanismo para sistemas
SWIPT, sino compartir el estado actual de la recolección de energía basada
en RF en un entorno experimental más realist
metodologia
configuramos un entorno experimental
compuesto por un nodo transmisor y dos tipos de nodos receptores.
El
transmisor envía paquetes periódicos a diferentes intervalos entre paquetes
(IPI)
mientras que un receptor intenta captar la potencia de estas señales
de RF.
colocamos un segundo receptor cerca para confirmar
que la entrega de información se realiza correctamente mediante la
recepción y decodificación de datos en lugar de energía. Para el transmisor
y el nodo receptor de datos, utilizamos la plataforma CC1200-DK, que
proporciona una potencia de transmisión de hasta 14 dBm y una
sensibilidad de recepción de -100 dBm en el rango sub-GHz (p. ej., 900
MHz) [22]. Como unidad de recolección de energía, si bien idealmente un
módulo de recolección de energía debería estar integrado directamente al
transceptor, para fines de prueba, utilizamos la plataforma Powercast
P2110
seleccionamos el receptor Powercast P2110 Powerharvester
debido a su alta fiabilidad en la recolección de energía de RF y su
compatibilidad con el transceptor sub-GHz CC1200 de Texas Instruments.
structura del sistema
el módulo Powercast
P2110 recolecta energía para señales de RF sub-GHz, utilizamos el
transceptor sub-GHz CC1200 de Texas Instruments como dispositivo de
transmisión de paquetes
e el
módulo de recolección de energía está integrado en el transceptor de
datos como parte de una implementación SWIPT, habrá un módulo de
división de potencia (p. ej., división de recursos) que determine si la señal
de RF debe utilizarse para la decodificación de información o la recolección
de energía (o qué porcentaje debe utilizarse en cada caso). En este
trabajo, suponemos un escenario en el que los dos receptores dividen la
señal de RF entrante completamente entre la recepción de datos y la
recolección de energía, respectivamente
funcionamiento
La plataforma
de recepción de datos se centra únicamente en la recopilación de datos,
mientras que el módulo P2110 solo recopila energía de las señales de
RF entrantes (omnidireccionales).
.
Se trata de 100 bytes transmitidos con velocidades de datos variables entre 38,4 y
100 k
Mide la intensidad de la señal recibida (RSSI, por sus siglas en inglés) de la señal RF a diferentes niveles (por ejemplo, -12 dBm, 12 dBm, etc.).
Envía paquetes de datos con diferentes tasas de transmisión (por ejemplo, 38.4 kbps, 100 kbps) a través de la señal RF.
Calcula el tiempo de ocupación del canal basado en el tamaño del paquete y la tasa de transmisión. Esto ayuda a saber cuánto tiempo se está transmitiendo datos en la red y cuánto tiempo el canal está "inactivo" (sin datos).
Evalúa la eficiencia de la cosecha de energía usando un módulo de cosecha de energía como el Powercast P2110, que recoge la energía de las señales RF recibidas y la almacena en un capacitor.
Mide la duración del ciclo activo del sistema, que es el porcentaje de tiempo que el sistema puede utilizar la energía almacenada para alimentar los dispositivos conectados.
Calcula la potencia agregada por segundo que el sistema puede suministrar a un dispositivo de baja potencia durante un periodo de tiempo (por ejemplo, un segundo cada 8 minutos). Esto depende de la intensidad de la señal RF, la frecuencia de los paquetes y el tamaño del paquete.
Ajusta el intervalo de transmisión de paquetes (IPI) para observar cómo la frecuencia de los paquetes afecta la eficiencia de la cosecha de energía. Cuanto más frecuentemente se transmiten los paquetes, más energía puede ser cosechada y almacenada.
estructura del articulo
Sección II, presentamos el concepto SWIPT y analizamos la necesidad de
considerar las redes basadas en paquetes.
En la Sección III , examinamos
el impacto de las redes basadas en paquetes y cómo diversos parámetros
de red afectan la eficiencia de la captación de energía de RF,
en la
Sección IV, ofrecemos sugerencias para futuros diseñadores de sistemas .
En la Sección V, resumimos algunos trabajos previos relacionados con
SWIPT y la captación de energía basada en RF,
Sección VI , un
resumen general de nuestro trabajo.
teoria
En comparación con la recolección de energía de otras fuentes externas, como la
solar, la térmica o la eólica, la RF es más accesible en un entorno de red
inalámbrica y se ve menos afectada por factores ambientales incontrolables, como
el clima y las condiciones geográficas;
En redes basadas en SWIPT, un subconjunto de nodos intercambia datos
mediante señales de RF, mientras que otros nodos, que las captan, recopilan
energía de las señales de RF mediante un condensador y un circuito de carga.
Idealmente, con mecanismos de división de recursos, como un divisor de potencia
[4] o un interruptor horario [5], un solo nodo puede utilizar un subconjunto de la
señal de entrada para la recolección de energía y el resto para la decodificación
de información.
as transmisiones
basadas en paquetes indican tiempos de inactividad entre múltiples
transmisiones. Desde la perspectiva de la recolección de energía, estos
tiempos de inactividad obligan al condensador del módulo de recolección
de energía a agotar la energía almacenada. En una red inalámbrica típica
basada en paquetes, factores a nivel de sistema, como la duración de la
transmisión de paquetes y el intervalo entre paquetes, pueden afectar el
rendimiento de la transferencia de energía basada en RF.
Además, la intensidad de las señales de los paquetes entrantes también
puede ser un factor crítico que determina la eficiencia de la recolección de
energía del sistema 
os datos se transmiten típicamente a un solo nodo en la red.
Por lo tanto, todos los demás nodos que interceptan esta transmisión de
RF omnidireccional pueden capturar la energía de las señales de RF y
almacenarla en una unidad de almacenamiento de energía local (por
ejemplo, un condensador o una batería recargable). El dispositivo de
decodificación de datos, o el nodo de destino, también puede determinar
qué cantidad de las señales de RF entrantes se destinará a la decodificación
de datos, de modo que pueda dividir la proporción restante para la
recolección y el almacenamiento.
Desde una perspectiva de hardware, soportar SWIPT requiere un
módulo de hardware adicional a las plataformas típicas que combinan un
microcontrolador (MCU) con una radio de bajo consumo [3]
para facilitar la recolección de energía, se requiere un
módulo adicional para dividir las señales de RF entrantes y una unidad de
hardware para la conversión de RF a CC
en una configuración ideal para SWIPT, las señales de RF se
dividen en dos flujos en el receptor: uno para la decodificación de
información y otro para la recolección de energía. A continuación, se
detallan las funciones de cada módulo de hardware.
ódulo transceptor de RF para intercambiar señales de RF. •
MCU de bajo consumo para procesar información y aplicaciones.
Detector de información para decodificar señales de RF sin procesar
en datos útiles
Recolector
de energía de RF para la recolección de energía de las señales de RF,
compuesto por un circuito de adaptación de impedancia, un
convertidor de RF a CC y un convertidor de CC a CC. En este caso,
el circuito de adaptación de impedancia maximiza la potencia
transferida a la antena, el convertidor de RF a CC transforma las
señales de RF de CA en voltaje de CC, y el convertidor de CC a CC
amplifica el nivel de voltaje de CC de la unidad de conversión de RF
a CC para permitir operaciones de voltaje ultrabaja.
nidad de
gestión de
energía (p. ej., unidad divisora) para determinar si la RF debe utilizarse
para la decodificación de información o la recolección de energía.
Esta unidad también determina la velocidad de división de energía
entre ambas operaciones. • Módulo de almacenamiento de energía
para almacenar la energía recolectada. (cupercondensador, bateria)
problemas en aplicacion
muchos basan
sus hallazgos en simulaciones, que solo reflejan parcialmente el rendimiento
real de los sistemas SWIPT. En segundo lugar, asumen principalmente
que las señales de RF se transmiten continuamente en el transmisor
n realidad, la mayoría de los
sistemas inalámbricos se diseñan en torno a redes basadas en paquetes,
que introducen tráfico de red discontinuo y disperso. Esto lleva a la
necesidad de un estudio detallado de las condiciones en las que los
sistemas SWIPT son prácticamente eficaces. En concreto, mediante
experimentos reales en la siguiente sección, intentamos responder a una
pregunta simple pero esencial para la implementación de sistemas basados
en SWIPT: "¿Con qué frecuencia y durante cuánto tiempo deben las
transmisiones de paquetes ocupar el medio inalámbrico para que las
operaciones SWIPT sean eficaces?".
modulos
El módulo P2110 está equipado con un módulo de recolección de energía
basado en RF centrado en 915 MHz, junto con dos condensadores de
diferentes tamaños [8]. De estos dos condensadores, nuestro trabajo
utiliza el condensador más pequeño, de 1000 µF, con un factor de
disipación, tan δ, de 0,3.
Cabe destacar la existencia de varios productos
de vanguardia en recolección de energía de RF, como E-PEAS
(AEM30940, AEM40940),
RF Diagnostics (RFD102A),
Energous (DA2210,
DA2223),
Ossia (Cota solutions) y
Powercast (P2110, P1110). En nuestros
experimentos, seleccionamos el receptor Powercast P2110 Powerharvester
debido a su alta fiabilidad en la recolección de energía de RF y su
compatibilidad con el transceptor sub-GHz CC1200 de Texas Instruments
aplicaciones
Industria 4.0 [6], al conectar múltiples sensores para monitorear el
estado de diversos equipos de fabricación conectados inalámbricamente
a una puerta de enlace de recolección de datos [7]
estado del arte.
configuraciones de SWIPT para enlaces punto a punto [4], [5], [9], sistemas
multiusuario [10]–[12], sistemas multiantena [13]–[16], sistemas de
retransmisión [17]–[19] y redes de radio cognitiva [20], [21].
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