Revision: Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) for Internet of Things: Novel Receiver Design and Experimental Validation

 

el esquema propuesto envía la potencia inalámbrica a través de la onda continua (CW) de alta potencia sin modular y transmite información mediante una pequeña señal modulada para reducir la interferencia y mejorar la eficiencia del amplificador de potencia. 

Diseñamos un circuito receptor para procesar estas señales SWIPT, diseñado con el objetivo de minimizar la complejidad del circuito y el consumo de energía para la decodificación de información. 

 objetivo se logra rectificando primero la señal recibida y luego dividiendo las señales de potencia e información. Analizamos el circuito receptor propuesto y derivamos la expresión en forma cerrada para la eficiencia de recolección de energía y la respuesta en frecuencia de la señal de comunicación. Implementamos el circuito receptor propuesto y construimos el banco de pruebas en tiempo real para experimentar la transmisión simultánea de información y potencia. Mediante experimentos, verificamos la exactitud del análisis del circuito receptor y demostramos la validez del esquema SWIPT propuesto.

Proponemos transferir potencia a través de una señal CW de alta potencia en la frecuencia portadora y transmitir información a través de una pequeña señal modulada

Solucion de interferencias en otros sistemas.

En el SWIPT propuesto, el transmisor asigna ρPT y (1−ρ)PT para las comunicaciones y el WPT

, los esquemas SWIPT propuestos y PS tienen la misma relación señal-ruido (SNR) teórica y la misma potencia aprovechada. Sin embargo, las densidades de potencia de transmisión de los esquemas SWIPT propuestos y PS son ρPT /W y PT /W, respectivamente. Dado que la potencia total PT debería ser mucho mayor que la de los sistemas de comunicación típicos para suministrar una cantidad de potencia utilizab

, la interferencia del SWIPT propuesto no difiere de la de los sistemas de comunicación típicos, ya que ρ es un valor muy peque 

 La eliminación de estos componentes activios

Minimisacion del consumo de energia 

 la potencia obtenida sea de aproximadamente 1 mW 

emo. La señal SWIPT propuesta presenta una baja PAPR debido a la alta potencia de la señal 

 la antena receptora, que consta de una fuente de tensión de antena y una impedancia de antena.

El rectificador es un circuito no lineal que convierte la señal de RF de entrada en la señal de banda base de salida. El rectificador es una bomba de carga Dickson de N etapa  

La señal de banda base del rectificador es moldeada por el filtro L

comunicación, se utiliza un condensador con capacidad CC para transmitir la señal de comunicación a la carga de comunicación

  La señal muestreada pasa por el proceso de recepción de datos, que consiste en eliminar el CP, aplicar la transformada rápida de Fourier (FFT) y demodular la señal QAM para recuperar los bits de datos.

diodos Shockely

 

secciones

Las Secciones II y III presentan el modelo general del sistema SWIPT y el modelo del circuito receptor, respectivamente. 

El análisis a fondo del rectificador se presenta en la Sección IV. 

En la Sección V, analizamos el rendimiento de la transferencia de potencia y la comunicación en el receptor propuesto, con base en el análisis del rectificador. 

Los resultados experimentales del banco de pruebas SWIPT y la comparación con los resultados del análisis y la simulación se presentan en la Sección VI. 

El artículo concluye con la Sección VII.

metodologia

Nos centramos en el uso del espectro y la eficiencia del HPA   

n. Nuestro método de análisis propuesto es el análisis en el dominio de la frecuencia,  equilibra las señales de voltaje y corriente en el dominio 

Hemos derivado la relación entre estos voltajes y corrientes alrededor de los diodos con base en el modelo del diodo Shockley, ampliado con la resistencia parásita y la capacitancia

Ecuaciones que equilibran los voltajes y corrientes en el dominio de la frecuencia en todos los circuitos

mentado el circuito rectificador propuesto y construido el banco de pruebas para verificar el rendimiento del esquema SWIPT propuesto

funcionamiento

(OFDM con polarización de CC)

La señal fuente a la frecuencia portadora fc es generada por el oscilador local (LO), se divide y se alimenta a las rutas de señales de potencia y comunicación. En la ruta de la señal de comunicación, la señal modulada en banda base del convertidor digitalanalógico (DAC) se eleva a la frecuencia portadora mediante el mezclador, y luego se filtra y amplifica para su transmisión. Un amplificador de alta potencia (HPA) en la ruta de la señal de potencia realiza la conversión de CC a RF, asegurando que la señal de RF tenga la potencia suficiente. El atenuador variable se utiliza para controlar la cantidad de potencia para la transferencia inalámbrica de energía. Las señales de las rutas de potencia y comunicación se combinan mediante el combinador de RF y se transmiten a través del..

e el receptor adopta la detección de envolvente, el canal de comunicación se considera un canal de intensidad, a través del cual solo se pueden transferir señales unipolar 

teoria 

(SWIPT) que permite la transmisión de datos y potencia a través de la misma onda electromagnética (EM). Dos esquemas SWIPT populares, división de potencia (PS) y conmutación de tiempo (TS), y sus integraciones con varias tecnologías inalámbricas se han estudiado ampliamente [3] 

En el esquema PS, la potencia y los datos se transportan mediante la misma señal modulada. La señal de RF entrante en el receptor PS se divide por el divisor de potencia de RF, y las señales divididas se alimentan al decodificador de información y al recolector de energía

existe una brecha radicalmente amplia entre las cantidades requeridas de potencia para la comunicación de datos y la transferencia de potencia [4], l

potencia para operar un dispositivo IoT es 0 dBm, comunicación de datos e mayor que el ruido de fondo (es decir, −120 dBm. 

 la onda EM para la transferencia de potencia, que absorbe la mayor parte de la potencia de la onda EM, se modula innecesariamente, a pesar de que una onda continua (CW) puede transportar la potencia de forma más eficiente. En concreto, la onda EM modulada para la transferencia de potencia puede presentar los dos problemas siguientes 

se explica brevemente el principio del OFDM con polarización continua. 

SWIPT PS emite una potencia mucho mayor que la de los siste

 Para el receptor, el SWIPT de PS puede causar interferencias graves en los sistemas de comunicación que comparten el mismo ancho de ban

TS alterna entre los modos de transmisión de potencia y datos a lo largo del tiempo. Se sabe que el esquema PS tiene un mejor equilibrio entre la velocidad de datos y la potencia recolectada que el esquema TS. 

mas de comunicación normales, lo que provoca graves interferencias en otros sistema

Análisis de la bomba de carga Dickson

Los diodos del rectificador son Skywork SMS7630. Los parámetros del SMS7630 son el factor de idealidad del diodo η = 1,05, la corriente de saturación β = 5 × 10⁻⁻ A y la resistencia en serie Rd = 20 Ω. En el modelo de diodo Shockley, la tensión térmica VT se calcula en 0,0257 V a 25 °C. Los parámetros de los condensadores, inductores y resistencias de la Fig. 12(a) son CR = 22 pF, LF = 10 μH, CF = 680 pF, Cc = 10 μF, Rc = 100 Ω y Lp = 100 μH. La capacitancia y la inductancia de la red de adaptación en el circuito receptor.

• Modelo: SMS7630 (Skyworks).

• Parámetros:

  • Factor de idealidad ($\eta$): 1.05

  • Corriente de saturación ($\beta$): $5 \times 10^{-6} \, \text{A}$

  • Resistencia en serie ($R_d$): 20 Ω

Componentes de la placa del receptor (esquema y foto):

• Capacitores:

  • $C_R = 22 \, \text{pF}$ (para el rectificador).

  • $C_F = 680 \, \text{pF}$ (para el filtro LC).

  • $C_C = 10 \, \mu\text{F}$ (para la rama de comunicación).

Inductores:

• $L_F = 10 \, \mu\text{H}$ (para el filtro LC).

• $L_P = 100 \, \mu\text{H}$ (para la rama de potencia).

Resistencias:

• $R_C = 100 \, \Omega$ (para la carga de comunicación).

• $R_P = 100 \, \Omega$ (para la carga de potencia).

Parámetro de impedancia de la antena:

• La impedancia de la antena se ajusta para coincidir con el valor de 100 Ω, asegurando un acoplamiento eficiente entre la antena y el circuito receptor. 

 El material del sustrato es FR4 con una permitividad de 4,8 F/m y una altura dieléctrica de 1 mm.  

Primero mostramos los resultados de la prueba de transferencia de potencia en las figuras 13, 14 y 15. Para esta prueba, alimentamos directamente la señal de RF generada por un generador de señales (Tektronix TSG4100A) a la placa del receptor a través del conector de antena. Se utiliza un medidor de fuente (Keithley SMU2461) conectado al conector de alimentación.

generador de señales (Tektronix TSG4100A

Keithley SMU2461)

Eficiencia de recolecccionde energia  0,5

Para esta prueba, la potencia de la señal de comunicación se fija en 0,01 mW y la carga de potencia se establece en 200 Ω.

d. La frecuencia portadora de este banco de pruebas es fc = 920 MHz. En el transmisor, la plataforma SDR genera las señales de comunicación y potencia desde el mismo oscilador local (LO) y las transmite a través de dos puertos de salida diferentes. La señal de potencia se amplifica mediante el amplificador de alta potencia (HPA) y se combina con la señal de comunicación mediante el combinador de RF. La potencia de transmisión de las señales de potencia y comunicación en el puerto de antena del transmisor se establece en 1 W y 1 mW, respectivamente. 

En el receptor, la señal recibida se descompone en las señales de potencia y comunicación mediante la placa receptora propuesta. La señal de potencia recibida es controlada y medida por el medidor de fuente. El medidor de fuente está configurado en modo de voltaje constante, lo que mantiene el voltaje en el conector de alimentación de la placa receptora a 0,5 V. La señal de comunicación recibida es amplificada por el amplificador de voltaje, digitalizada por el ADC y procesada por la FPGA. Utilizamos el software Labview para controlar todo el banco de pruebas. Los códigos de transmisión y recepción para el OFDM con polarización CC se implementan en la plataforma SDR y la FPGA, respectivamente, mediante...

La frecuencia de muestreo de la señal de comunicación es de 25 MS/s. El tamaño de la FFT para el OFDM con polarización continua es de 2048 y el espaciado entre subportadoras es de 12,21 kHz. Utilizamos 512 subportadoras de las 2048 disponibles, y 96 subportadoras alrededor del centro y 1440 subportadoras alrededor del borde del ancho de banda no se utilizan. Por lo tanto, el ancho de banda real de la señal de comunicación es de aproximadamente 6,25 MHz. La profundidad de campo (DOF) real de un símbolo OFDM es de 256 debido a la restricción de simetría hermítica del OFDM con polarización continua. La potencia de transmisión se distribuye equitativamente entre todas las subportadoras activas. Hemos implementado los esquemas de modulación QPSK (modulación por desplazamiento de fase en cuadratura), 16QAM, 64QAM y 256QAM. Para la estimación del canal, se utiliza un símbolo OFDM completo para enviar las señales de referencia a través de todas las subportadoras. El transmisor envía periódicamente dicho símbolo OFDM únicamente con señales de referencia, y el receptor estima la respuesta en frecuencia basándose en dichas señales. Cabe destacar que la respuesta en frecuencia combinada del canal inalámbrico y el circuito receptor se estima mediante este método. 

estado del arte

Algunos trabajos recientes (p. ej., [5], [6]) han propuesto el uso de la señal

PAPR alta para mejorar la eficiencia de conversión de RF a CC del rectificador. 

 la señal PAPR alta, como las señales multiseno, presenta una

mayor eficiencia de conversión de RF a CC, como lo demuestran los

experimentos de [7] y [8].  

s [5] y [6] se centran en mejorar la eficiencia del

rectificador

algunos trabajos que analizan el rectificador en el contexto

de la SWIPT (p. ej., [12]), 

la mayoría de estos trabajos asumen un rectificador

simple con un solo diodo en derivación o serie

 han analizado el rendimiento de la bomba de

carga Dickson (p. ej., [13] y [14]).

s trabajos que presentan resultados

experimentales en un banco de pruebas real (p. ej., [16]–[20]

trabajo [16]–[18] ha propuesto un hardware de doble propósito que combina las

funcionalidades de recolección de energía y recepción de información, y ha

experimentado con diversas técnicas de modulación, como la modulación de

relación de magnitud con señales de dos tonos [16], la modulación por

desplazamiento de amplitud (ASK) [17] y la modulación por desplazamiento de

frecuencia multitono (FSK) [18] 

o [19], [20] ha construido el

prototipo de banco de pruebas de radio definida por software (SDR) 

. En [22], se compara el consumo de

energía del diseño de chip de comunicaciones IoT de vanguardia y bajo

consumo. En [22], se muestra que la detección de envolvente consume tan

solo 0,016 mW, mientras que la detección basada en IQ consume alrededor

de 2 mW. La detección basada en IQ consume hasta 100 veces más energía

que la detección de envolvente debido a los componentes activ 

Estos rectificadores se comparan y

analizan mediante las ecuaciones de ángulo de flujo en [26]. Según

[26], la eficiencia máxima teórica de las topologías de diodo en serie

y de derivación está limitada al 81,1 %. Por otro lado, los rectificadores

de onda completa, como el rectificador de puente y la bomba de carga

Dickson, tienen una eficiencia máxima del 92,3 %