Revision: Understanding Concurrent Radiative Wireless Power Transfer in the IoT: Out of Myth, into Reality

 

1. Estructura del Artículo:

• Resumen: El artículo aborda la transferencia de energía inalámbrica radiativa (WPT) y su impacto en el Internet de las Cosas (IoT), enfocándose en desmontar algunos mitos comunes sobre su funcionamiento.

• Introducción: Presenta los desafíos del IoT relacionados con el suministro de energía, como el reemplazo frecuente de baterías y el desecho electrónico.

• Direcciones de Investigación: Revisión de investigaciones previas en WPT concurrente, incluyendo modelos teóricos, protocolos MAC y programación de carga.

• Estudio Experimental: Descripción de los experimentos realizados para observar la variabilidad de la potencia recibida, el impacto de las antenas y la interferencia entre nodos vecinos.

• Observaciones y Resultados: Se presentan los resultados experimentales que muestran la fluctuación de la potencia recibida, la influencia de las antenas y la interferencia energética entre nodos.

• Discusión e Implicaciones: Análisis de las implicaciones de los hallazgos y las direcciones futuras de investigación.

• Conclusiones: Resumen de los hallazgos, con énfasis en los aportes del estudio.

2. Funcionamiento del Sistema:

• Transmisores de Energía: Se utilizan dos tipos de transmisores Powercast (TX91501B y TX91503) que operan a 915 MHz, entregando 3 W de potencia.

• Receptores de Energía: Los receptores IoT están equipados con antenas dipolo y de parche (PA-915-01), y utilizan módulos de recolección de energía (P2110-EVB) para convertir RF en energía DC.

• Interferencia Energética: El artículo explora la interferencia entre nodos vecinos durante la recepción de energía inalámbrica, un fenómeno que afecta la distribución de la energía recibida.

3. Parámetros del Sistema:

• Frecuencia: Los transmisores operan a 915 MHz.

• Potencia de Salida: 3 W EIRP.

• Antenas: Antena dipolo con ganancia de 1 dBi (omnidireccional) y antena de parche con ganancia de 6.1 dBi (direccional).

• Capacitores: 50 mF para almacenar la energía recolectada.

4. Software Utilizado:

• MATLAB: Para interpolación de datos y análisis de interferencia energética entre nodos, utilizando el ajuste de curvas con interpolación cúbica.

• HyperTerminal: Utilizado para registrar y analizar los valores de la intensidad de señal recibida (RSSI) y el intervalo de paquetes.

5. Resultados Obtenidos:

• Fluctuaciones en la Potencia Recibida: Durante la transferencia de energía concurrente, la potencia recibida varía ampliamente, lo que contrasta con la suposición común de que la potencia es constante.

• Impacto de las Antenas: Las antenas direccionales permiten una mayor intensidad de potencia, pero su recepción está muy influenciada por la orientación y la ubicación del transmisor.

• Interferencia entre Nodos: Se identificó un patrón de interferencia energética entre nodos vecinos, que se denominó "Zona Octopus". Esta interferencia es una combinación de penetración de señales, zona de Fresnel e interferencia de ondas.

6. Aporte del Artículo:

• Desmitificación de Modelos Comunes: El artículo cuestiona varios mitos sobre la transferencia de energía inalámbrica concurrente, como la constancia de la potencia recibida, la independencia de los nodos vecinos y la no importancia de las antenas direccionales.

• Avances en el Entendimiento de WPT Concurrente: Los hallazgos experimentales proporcionan nuevas perspectivas sobre cómo la potencia recibida varía con el tiempo y cómo los nodos vecinos interactúan entre sí, lo cual tiene implicaciones importantes para el diseño de redes IoT basadas en WPT.

• Patrón de Interferencia Energética: Introducción del concepto de "Zona Octopus" para describir la interferencia energética entre nodos durante la recepción concurrente.

conceptos

Internet de las Cosas (IoT)

Ciudades Inteligentes (Smart Cities)

Industria 4.0

Agricultura 4.0

Sistemas IoT de bajo consumo

Sistemas IoT implantables y en ambientes peligrosos

Operación sin batería (battery-free)

Supercondensadores (supercapacitors)

Carga inalámbrica concurrente

Relaciones de carga (uno a uno, uno a muchos, muchos a uno, muchos a muchos) 

Transferencia de energía por radiación electromagnética (frecuencia de radio)

Ondas electromagnéticas RF (Radiofrecuencia)

Interferencia constructiva y destructiva

Antenas direccionales y omnidireccionales

Distribución dinámica de la energía recibida

Interferencia energética entre nodos vecinos

Zona Fresnel

Zona Octopus (patrón de interferencia energética identificado en el estudio)

Modelos teóricos de propagación energética 2D y 3D

Control de acceso al medio (MAC) en redes con WPT

Protocolos MAC específicos para WPT (como RF-MAC y RF-DiPaQ)

Programación de carga (Charging Scheduling)

Efectos de superposición no lineal de energía

Transferencia de energía de precisión (Precision Energy Transfer)

Sistemas como Energy-Ball e In-N-Out

Seguimiento de dispositivos móviles (tracking)

Beamforming coherente

Sincronización de transmisores de energía

Redes distribuidas aleatorias (en lugar de redes maestro-esclavo)

Evaluación experimental con transmisores Powercast (TX91501B y TX91503)

Polarización de la señal (vertical y horizontal)

Uso de modulación DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

Placas de evaluación de recolección de energía (P2110-EVB)

Sensores inalámbricos (WSN-EVAL-01)

Medición de la intensidad de señal recibida (RSSI)

Intervalos de paquetes como métrica de estabilidad energética

¿Qué pasa si tengo varios transmisores para pocos nodos, o un solo transmisor para muchos nodos en Wireless Power Transfer?

En el fascinante mundo del Wireless Power Transfer (WPT), uno de los retos clave es entender cómo se comporta la energía cuando se combinan múltiples transmisores y receptores en una red. Esto es especialmente importante para proyectos de IoT donde la eficiencia energética y la cobertura son críticas. A continuación, te explicamos de forma clara qué ocurre en distintas combinaciones de transmisores y nodos receptores basándonos en estudios experimentales recientes.

---

1. Varios transmisores para pocos nodos: ¿Mayor potencia, mayor estabilidad?

Cuando utilizas más de un transmisor para alimentar uno o pocos nodos, intuitivamente se espera que la potencia recibida aumente y sea más estable. Sin embargo, los experimentos muestran que la potencia instantánea recibida fluctúa considerablemente. Esto se debe a que los transmisores no están perfectamente sincronizados en frecuencia, fase y tiempo, causando interferencias tanto constructivas como destructivas.

• ¿Qué implica esto?

  • En momentos, la potencia puede multiplicarse hasta 4 veces la que entrega un solo transmisor.

  • En otros instantes, la potencia puede caer a casi cero, dejando breves “caídas” de energía.

  • Sin embargo, la tasa de paquetes recibidos (intervalos de tiempo entre datos útiles) tiende a ser más estable con varios transmisores.

• ¿Qué puedes deducir?

  • Si tu nodo puede almacenar energía (por ejemplo, en supercondensadores), estas fluctuaciones pueden ayudar a arrancar el circuito desde cero gracias a los picos de potencia.

  • Pero si necesitas una señal muy estable, varios transmisores pueden introducir incertidumbre temporal.

---

2. Un transmisor para muchos nodos: ¿Cobertura o interferencia?

Cuando un solo transmisor alimenta a varios nodos simultáneamente, se espera que la potencia se distribuya entre ellos. Sin embargo, otro aspecto importante revelado es que los nodos vecinos no son independientes entre sí.

• Interferencia energética entre nodos:

  • La presencia de nodos vecinos puede interferir en la potencia recibida por un nodo dado.

  • Esta interferencia se manifiesta como zonas donde la energía puede reforzarse (interferencia constructiva) o disminuirse (interferencia destructiva).

  • El patrón de esta interferencia se ha llamado “Octopus Zone” debido a su forma característica, y combina efectos de penetración de señal, zonas Fresnel y teoría de interferencia de ondas.

• ¿Qué implica esto para el diseño?

  • La colocación física de los nodos debe planificarse cuidadosamente para evitar que uno obstaculice el poder que recibe otro.

  • Antenas direccionales y orientación pueden ayudar a minimizar interferencias negativas.

---

3. Importancia de la antena y la orientación

Los experimentos muestran que el tipo de antena receptora tiene un impacto significativo:

• Las antenas direccionales pueden aumentar considerablemente la potencia máxima recibida y mejorar la eficiencia, pero a costa de una menor captación en ciertas direcciones.

• Las antenas omnidireccionales son menos susceptibles a pérdidas por orientación, pero la potencia recibida es menor y menos concentrada.

• La combinación de transmisores con diferentes patrones de antena y orientación afecta notablemente la distribución de potencia.

---

4. ¿Qué elegir para tu proyecto?

Escenario A: Muchos transmisores para pocos nodos

• Ideal si quieres maximizar la potencia en nodos específicos que requieren mucha energía.

• Debes tener en cuenta las fluctuaciones de potencia instantánea y usar almacenamiento de energía para suavizar estas variaciones.

Escenario B: Un solo transmisor para muchos nodos

• Bueno para simplificar la infraestructura y reducir costos.

• Pero requiere una planificación cuidadosa para evitar interferencias energéticas entre nodos, sobre todo en espacios densos.

¿Y si tienes muchos transmisores y muchos nodos?

• Este es el escenario más complejo, donde la interferencia energética es más notable.

• Se requieren modelos avanzados, planificación del espacio y posiblemente protocolos para coordinar transmisiones y evitar cancelaciones.

---

¿Quieres saber más?

Este artículo se basa en experimentos realizados con equipos comerciales Powercast y antenas especializadas, que ponen a prueba las suposiciones comunes sobre la estabilidad y distribución de la potencia en sistemas WPT concurrentes.

Para detalles técnicos, gráficas, modelos matemáticos y resultados experimentales, te invitamos a revisar el estudio completo en el PDF original, donde se discuten en profundidad estos escenarios y sus implicaciones para el diseño de redes IoT alimentadas por WPT.

---

En resumen:

• No siempre más transmisores significan potencia más estable; la sincronización importa.

• Los nodos vecinos pueden influenciar la potencia recibida debido a interferencias energéticas.

• El tipo y orientación de antenas son decisivos para maximizar la eficiencia.

• La planificación espacial y de recursos es clave para proyectos con muchos nodos y transmisores.