Revision: Experimental Study of Concurrent Data and Wireless Energy Transfer for Sensor Networks

 emplo, la potencia de salida de los dispositivos 802.15.4, que normalmente es tan baja como 0 dBm) y las ondas de energía de alta potencia (posiblemente superiores a 30 dBm), que causan interferencias y una pérdida significativa de paquetes

Chipcon CC1000 operan a 915 MHz para los nodos sensores, con una potencia de transmisión de datos de RF predeterminada de 0 dBm sensibilidad del receptor es de -98 dBm. Los motes utilizan una velocidad de datos de 38,4 Kbps con codificación Manch-ester y un esquema de modulación FSK no coherente. 

Para el ET sintonizable por frecuencia de RF, utilizamos un generador de señales de RF Agilent N5181 MXG  conectado a un amplificador con una antena omnidireccional de 50 Ω en la banda de 902–928 MHz. Nuestra configuración también implementa recolectores de energía de RF P2110 disponibles comercialmente de Powercast Co  conectados a las motas. El analizador vectorial de redes Agilent E5061B se utiliza para medir la intensidad de las señales de interferencia causadas por los ET. Las motas y los ET se colocan en una mesa plana, a 0,5 m del suelo. Los nodos emisor y receptor se colocan a un metro entre sí y son equidistantes del ET.

Utilizamos un total de 360 épocas de transmisión de paquetes para estimar la tasa de recepción de paquetes (PRR) con una precisión del 1,2 % para cada combinación particular de frecuencia de transmisión de energía y distancia entre el ET y las motas.

La longitud de onda promedio de las señales de energía transmitidas a fc = 915 MHz es de 0,328 m, y el transmisor de energía y el circuito de captación de energía de RF tienen ganancias de antena de 1 dBi y 6,1 dBi, respectivamente. La energía captada se almacena en un condensador con una capacidad nominal de C = 100. 

 Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de EE. UU. limita la potencia de salida de las radios que utilizan bandas de frecuencia sin licencia a 4 vatios de potencia isótropa radiada efectiva (EIRP) y, en consecuencia, los ET suelen enviar potencia a un nivel máximo de 3 vatios. Variamos la distancia entre las antenas del recolector y la del ET de 0,5 a 7 m, en incrementos de 0,5 m. En cada ubicación, medimos la duración de la carga inalámbrica ∆T, comenzando desde un voltaje inicial V1 = 1,8 V

 , el recolector de energía P2110 supera a la placa de recolección P1110 en largas distancias de carga, mientras que la placa de recolección P1110 ofrece un mejor rendimiento en distancias de carga cortas.

 La distancia entre el punto receptor y el ET se estableció en 5 m, el valor del alcance máximo de carga. Los paquetes se transmiten consecutivamente del emisor al punto receptor. El ET transfiere potencia a 915 MHz, con una potencia de salida de 3 vatios. El ET se enciende a los 30 s del inicio del experimento, se apaga a los 50 s, se vuelve a encender a los 100 s y finalmente se apaga a los 140 s. El experimento finalizó a los 180 s. El nivel de interferencia en un canal se determina midiendo los valores de intensidad de la señal recibida (RSS) en el receptor, con una desviación estándar del ruido ambiental medido inferior a 1 dBm

 RANGOS PARA WSNS Y ETS COEXISTENTES

1. Modelo de Espacio Libre de Friis: Utilizado para calcular la cantidad de potencia RF recibida por el circuito de cosecha de energía. La potencia y la tasa de carga disminuyen a medida que aumenta la distancia entre el transmisor de energía (ET) y el nodo sensor.

2. Interferencia de RF: Se discute cómo la transferencia de energía RF de alta potencia introduce interferencia adicional en la comunicación de datos de los sensores debido a la alta potencia de las ondas de energía (superior a 30 dBm) frente a la baja potencia de transmisión de los nodos sensores (0 dBm).

3. Interferencia Constructiva y Destructiva: La interferencia constructiva ocurre cuando las ondas de energía se combinan de manera que aumentan la potencia recibida, mientras que la interferencia destructiva ocurre cuando las ondas se cancelan parcialmente o completamente.

4. Cosecha de Energía Multibanda: La eficiencia de cosecha de energía RF se mejora utilizando varias bandas de frecuencia para la recolección de energía, lo que puede optimizar la eficiencia de los circuitos de cosecha de energía RF.

Aportes del paper:

• El artículo es pionero en estudiar la coexistencia de transmisores de energía RF (ETs) y redes de sensores inalámbricos (WSNs), enfocándose en los efectos de la interferencia causada por la transmisión simultánea de datos y energía en la misma banda de frecuencia.

• Se identifican los rangos de separación que permiten una coexistencia efectiva entre la transmisión de datos y energía, analizando cómo las transmisiones de energía a larga distancia afectan la comunicación de datos en la misma frecuencia.

• El estudio mide la potencia de señal recibida, la tasa de recepción de paquetes (PRR), y la cantidad de energía cosechada bajo diferentes configuraciones experimentales.

• Se propone un rango de separación de frecuencias seguro para la transmisión simultánea de energía y datos, y se cuantifica el impacto de la interferencia destructiva en la cantidad de energía cosechada.

Líneas de investigación futuras mencionadas:

1. Diseño de protocolos de comunicación para redes de sensores inalámbricos alimentadas por energía RF, considerando la interferencia de energía y la transmisión de datos simultánea en diferentes frecuencias.

2. Optimización de la separación de frecuencias para minimizar la interferencia y mejorar la eficiencia de la transmisión de datos sin sacrificar la cosecha de energía.

3. Investigación de transmisores de energía múltiple que operen en diferentes frecuencias y cómo sus efectos de interferencia constructiva y destructiva pueden ser gestionados para optimizar la cosecha de energía y la transmisión de datos.