Revision: Self-sustainable Long Range Backscattering

baja energía de RF captada y la corta distancia de la BC 

diseñó una topología de circuito de control de arranque y monitorización de voltaje de consumo ultrabajo (ULP) para reducir el consumo de energía a 245 nanovatios (nW) durante la acumulación de energía de RF.

aumentar la distancia del BC, se utiliza tecnología de síntesis digital de frecuencia (DDS) directa para generar una secuencia de ondas cuadradas de modulación de frecuencia lineal (LFM) conforme a las especificaciones LoRa, basada en la unidad de microcontrolador (MCU) ULP.

 Los resultados de las pruebas muestran que la corriente instantánea del BC es de tan solo 130 microamperios (μA), y la corriente en espera es de tan solo 52 nanoamperios (nA). El RFEH LoRa se implementa con componentes comerciales listos para usar (COTS). Puede autoarrancar captando energía de RF de tan solo -22,5 dBm y enviando sus datos de detección a un receptor a 381 metros de distancia.

r resolver. ¿Tender cientos de miles de millones de cables de alimentación? ¿O producir, comprar y reemplazar cientos de miles de millones de baterías regularmente? 

compone principalmente de una red de adaptación LC, una bomba de carga Dickson de 3 etapas, un circuito de monitorización de voltaje, un circuito de control de arranque y un amplificador CC-CC.  Circuito y una unidad BC LoRa. Cabe mencionar que la unidad BC solo contiene un MCU y un conmutador de RF, lo que la hace muy eficiente. Además, no requiere un chipset LoRa dedicado y puede transmitir paquetes de datos compatibles con el hardware LoRa comercial existente, lo que ofrece las ventajas de bajo costo, bajo consumo de energía y alta versatilidad.

el chip MCU MSP430FR5959IRHA, ubicado en el centro del lado derecho, integra periféricos DMA y SPI y ofrece diversos modos de bajo consumo. Para reducir aún más el consumo de energía, se puede usar un nanotemporizador en conjunto con el MCU para reducir la corriente en espera de cientos a decenas de nA. El conmutador de RF ADG902BRMZ se encuentra junto al puerto de antena IPX, que permite la selección de señales unipolares de un solo tiro (SPSD) de 0 a 4,5 GHz, con un consumo de corriente inferior a 1 μA. Para optimizar el ahorro de energía, solo se utiliza el puerto de E/S del MCU para alimentarlo durante el B

 el sistema RFEH LoRa cuesta aproximadamente $7. Cabe destacar que el costo del BC LoRa es de solo $3 e incluye un MCU. Y el costo del circuito de control de arranque y de refuerzo es aún menor, sólo alrededor de $1

secciones

. La Sección II detalla el trabajo relacionado con la comunicación IoT autosostenible alimentada por RF, incluyendo la tecnología RFEH y la tecnología BC. 

La Sección III analiza el mecanismo de modulación y demodulación de frecuencia lineal,

 que sienta las bases teóricas para la implementación del BC LoRa utilizando un microcontrolador ULP (Sección IV). 

En la Sección V se diseña un esquema RFEH de alta sensibilidad. 

 en la Sección VI, integramos los resultados de la investigación anterior, propusimos un método de BC alimentado por RF de larga distancia y demostramos el prototipo. 

En la Sección VII, probamos la función y el rendimiento del prototipo y lo comparamos con las tecnologías más avanzadas. Finalmente, en la Sección VIII, presentamos las conclusiones. 

 

teoria

formas de energía

La comunicación por retrodispersión (BC) alimentada por radiofrecuencia (RF) 

proponemos un método de captación de energía de RF (RFEH) de alta sensibilidad y BC de larga distancia, y por primera vez, demostramos el dispositivo BC autosostenible de larga distancia alimentado por RF, denominado RFEH LoRa

la potencia de RF obtenida es del orden de microvatios (μW), y el consumo de energía de las comunicaciones inalámbricas IoT convencionales, como Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, NB-IoT y LoRa, ronda los cientos de milivatios (mW)

BC (Backscatter Communication) o comunicación por retrodispersión es una técnica de comunicación inalámbrica que permite transmitir información utilizando señales electromagnéticas que ya están presentes en el entorno, en lugar de emitir nuevas señales de radiofrecuencia (RF).

En otras palabras, en lugar de que un dispositivo genere su propia señal de RF (lo cual consume más energía), un dispositivo backscatter modula una señal ya existente, como la de una estación base o un transmisor, para enviar datos. Esta técnica es más eficiente en términos de energía porque no requiere que el dispositivo active su propia transmisión, sino que refleja o modula la señal que recibe.

Matematicas de ISMO CSS DE LORA BC A

estado del arte 

trabajos relacionados se basan en circuitos integrados

cnologías de eliminación de umbral interno [14], rectificación de acoplamiento cruzado de capa fina de óxido [15], compensación de transistores auxiliares subumbral [16], seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) integrado [17], detección de potencia rectificada de RF auxiliar [18] y otros métodos para lograr una sensibilidad RFEH superior a −20 dBm y un consumo de energía de autoarranque de tan solo cientos de nA.

JF Ensworth propuso un método de comunicación por dispersión compatible con Bluetooth 4.0, que permite la comunicación directa con smartphones [23]. En 2016, Vikram Iyer moduló con éxito la señal Bluetooth en una señal Zigbee mediante retrodispersión [24]. Ese mismo año, Bryce Kellogg propuso de forma creativa el Wi-Fi pasivo, que modula directamente la onda electromagnética de frecuencia única emitida por la estación en una señal Wi-Fi conforme al protocolo 802.11b mediante retrodispersión. El Wi-Fi pasivo es totalmente compatible con los dispositivos Wi-Fi comerciales existentes y permite el acceso directo a internet sin necesidad de puertas de enlace adicionales, lo que aporta enormes ventajas a esta tecnología [5]. 

Tecnología de RFEH (Radio Frequency Energy Harvesting):

• En el artículo se menciona la solución de Powercast con su módulo P2110B, que convierte señales RF a corriente continua (DC) y se utiliza en dispositivos inalámbricos sin batería​ 

• Texas Instruments (TI) también ofrece soluciones en este campo, como el BQ25504/BQ25505, que integran la recolección de energía y la gestión de energía 

• En 2018, E-peas presentó el ASIC AEM40940, que tiene una alta sensibilidad de -19.5 dBm​ 

Tecnología de Backscatter Communication (BC):

• Se hace referencia a trabajos de Stockman (primer artículo seminal sobre BC), que describe la modulación de impedancia de antena para la transmisión de datos de bajo consumo​Self-sustainable long-r….

• En 2015, Bryce Kellogg y su equipo desarrollaron la tecnología de Wi-Fi pasivo mediante la modulación de ondas electromagnéticas ya presentes​Self-sustainable long-r…​Self-sustainable long-r….

• En 2017, Talla Vamsi presentó un sistema LoRa de BC que permite comunicaciones de largo alcance​Self-sustainable long-r….

• Otros estudios citados incluyen el de Ensworth (2015) y Vikram Iyer (2016), que han trabajado en la modulación de señales como Bluetooth o Zigbee para comunicación mediante backscatter​Self-sustainable long-r….

Trabajo propio y contribuciones del artículo:

• En este artículo, los autores proponen una mejora significativa en la sensibilidad de RFEH y en la distancia de comunicación de BC mediante la integración de técnicas de modulación de frecuencia digital utilizando LoRa y un diseño de bajo consumo de energía basado en COTS (Componentes Comerciales de Estándar)​Self-sustainable long-r….

• Se introduce un nuevo enfoque con el dispositivo RFEH LoRa, que mejora la eficiencia y la autonomía de los dispositivos IoT pasivos, al mismo tiempo que se extiende el alcance de la comunicación mediante BC a distancias de hasta 381 metros​Self-sustainable long-r….

aporte

Aportamos e implementamos un circuito de autoarranque con un consumo de energía de tan solo 245 nW. De esta forma, la sensibilidad RFEH se incrementó a −22,5 dBm, el doble de la mejor solución existente basada en componentes COTS

mostramos cómo usar un MCU de un solo chip para lograr LoRa BC y reducir la potencia de comunicación El consumo de energía se reduce a 130 μA, inferior al de todos los BC basados en MCU existentes

propone el método de BC de larga distancia alimentado por RF y, por primera vez, se demuestra el prototipo basado en este método, denominado RFEH LoRa. Este dispositivo puede autoencenderse a 28 metros de la estación con una potencia isótropa radiada equivalente (PIRE) de 30 dBm y enviar los datos de detección al receptor, ubicado a 381 metros de distancia

1. Objetivo Principal:

El principal objetivo del diseño fue crear un dispositivo auto-sostenible de comunicación por retrodispersión de largo alcance. Este dispositivo, llamado RFEH LoRa, aprovecha la energía electromagnética presente en el entorno (por ejemplo, señales de RF de estaciones cercanas) para alimentar un dispositivo IoT sin necesidad de baterías o cables de alimentación.

2. Desafíos a Resolver:

• Sensibilidad de la recolección de energía (RFEH): La eficiencia en la recolección de energía RF era uno de los desafíos principales. Para eso, se propuso un sistema de monitoreo de voltaje y control de arranque ultra bajo (ULP), que mejora la sensibilidad a señales de RF débiles.

• Distancia de la comunicación por retrodispersión (BC): Otra barrera era la corta distancia de comunicación usando técnicas de retrodispersión. El sistema propuesto busca extender esta distancia a cientos de metros.

3. Solución Propuesta:

Se diseñó el dispositivo RFEH LoRa tomando en cuenta varios aspectos clave:

• Mejora en la Sensibilidad de la Recolección de Energía (RFEH): Para mejorar la sensibilidad de la recolección de energía RF, se utilizó un circuito de monitoreo de voltaje y control de arranque con un consumo de potencia extremadamente bajo (245 nW). Este sistema asegura que el dispositivo pueda arrancar y funcionar incluso con señales de RF débiles (-22.5 dBm).

• Modulación de la Señal de Retrodispersión (Backscatter): Se utilizó LoRa (Long Range) para la comunicación por retrodispersión debido a su alta sensibilidad a la recepción de señales débiles. Se empleó una técnica digital de modulación de frecuencia llamada Linear Frequency Modulation (LFM) para generar la señal que modula la retrodispersión. Esta técnica permite una comunicación de largo alcance (hasta 381 metros en pruebas).

• Uso de Componentes Comerciales (COTS): El dispositivo se construyó utilizando componentes comerciales estándar (COTS), lo que hace el diseño más accesible y económico. En lugar de desarrollar circuitos integrados personalizados, se aprovecharon componentes estándar como microcontroladores de bajo consumo (MCUs) y otros circuitos básicos, lo que redujo costos y aumentó la flexibilidad del diseño.

• Reducción del Consumo Energético: El dispositivo se diseñó con un bajo consumo energético tanto en modo de espera (52 nA) como durante la comunicación (130 μA). Esto es crucial para permitir el funcionamiento autónomo del dispositivo durante largos períodos sin intervención humana.

4. Innovaciones Clave en el Diseño:

• Circuito de Arranque ULP: Un circuito innovador que permite al dispositivo arrancar con un voltaje de apenas 0.7V y consumir solo 245 nW mientras acumula energía. Este circuito mejora significativamente la sensibilidad y permite al dispositivo operar con señales de RF débiles.

• Generación de Onda Cuadrada LFM: En lugar de usar métodos analógicos que son sensibles a variaciones de temperatura o voltaje, se propuso un método digital para generar la señal LFM compatible con LoRa utilizando solo el MCU. Esto asegura mayor estabilidad y precisión en la modulación de retrodispersión.

• LoRa para Backscatter: Se utilizó LoRa, que es muy eficiente en términos de alcance y sensibilidad, lo que permite que la comunicación se extienda hasta 381 metros, mucho más lejos que las soluciones tradicionales de BC.

5. Resultados y Validación:

• Autonomía de Arranque: El dispositivo pudo arrancar y funcionar correctamente con señales de RF tan débiles como -22.5 dBm.

• Alcance de Comunicación: En las pruebas, el dispositivo logró una distancia de comunicación de hasta 381 metros, lo cual es significativamente mayor que las soluciones anteriores de BC, que suelen tener un alcance más corto.

• Bajo Consumo Energético: Durante las pruebas, el dispositivo mostró un consumo de energía en comunicación de solo 130 μA, lo que es tres órdenes de magnitud menos que los sistemas tradicionales de comunicación RF.