Detecção de Endereço em Dispositivos IoT Integrados com Coleta de Energia RF

ACEITADO DE CHAMADA ABERTA Especificamente propomos dois projetos de detector de endereço um detector de largura de pulso PWD de modo de potência dupla e um detector de modulação de largura de pulso PWM de modo de potência múltipla que pode ser integrado em arquiteturas combinadas com uma única antena compartilhada e retificador Além disso validamos a praticidade da estrutura apresentada testando projetos de amostra em condições operacionais reais Por fim concluímos o artigo apresentando direções de pesquisa futuras para a realização de grandes redes IoT com coleta de energia de RF combinada e rádio despertador Embora a coleta de energia de RF e o rádio despertador tenham sido considerados principalmente como duas soluções independentes para melhorar o desempenho das redes IoT 2 3 a combinação dessas duas técnicas traz grandes benefícios ao diminuir ainda mais o consumo de energia e permitir a IoT totalmente passiva dispositivos que podem operar de forma quase autossustentável A principal vantagem de combinar coleta de energia de RF e ativação decorre do fato de que o dispositivo não requer uma bateria separada para funcionar cional Em vez disso ele pode coletar energia de sinais de RF ambiente enquanto permanece no modo de hibernação e em seguida usar a energia coletada ao alternar para o modo ativo Inúmeros desafios persistem ao combinar coleta e ativação de energia de RF para dispositivos IoT incluindo aumento de ruído no frontend do dispositivo eficiência reduzida do coletor devido à variação de potência e carga de entrada além dos requisitos de sensibilidade e consumo de energia do detector de endereço Ao contrário de trabalhos anteriores relacionados ao projeto e fabricação de circuitos sob restrições específicas 5 descrevemos a arquitetura geral e os principais componentes necessários em esquemas combinados além dos desafios técnicos que devem ser abordados Apresentamos ainda o projeto de um circuito detector de largura de pulso PWD de modo de potência dupla e um detector de modulação de largura de pulso PWM de modo de potência múltipla e comparamos seu desempenho em termos de consumo de corrente Além disso demonstramos a eficiência e a praticidade da estrutura descrita com amostra de análise de desempenho para extrair insights práticos e comparamos com soluções autônomas de captação e ativação de energia de RF Concluímos o artigo com propostas de direções futuras de pesquisa 162 Esperase que a sexta geração 6G de sistemas sem fio permita sociedades sustentáveis com infraestrutura inteligente por meio de implementações de Internet das Coisas IoT com consumo de energia próximo a zero 1 Essa visão é limitada pela vida útil limitada da bateria dos dispositivos IoT sem fio e pela dificuldade de substituir as baterias dos dispositivos em áreas de difícil acesso A coleta de energia de radiofrequência RF e o rádio despertador oferecem soluções eficazes para alimentar dispositivos IoT sem fio e reduzir seu consumo geral de energia 2 3 Os dispositivos IoT podem então recarregar sua unidade de armazenamento de energia usando um sistema de coleta passiva como uma antena com um retificador bem combinado Com o rádio despertador RF o dispositivo também pode entrar em um modo de hibernação de baixíssima potência e somente despertar quando receber um sinal especial de despertador RF de um transmissor externo 3 Isso permite que o dispositivo desligue seus principais componentes para redução do consumo de energia exceto o circuito de despertar auxiliar que monitora a recepção do sinal de despertar Ao contrário dos circuitos de coleta de energia de RF o receptor de ativação deve conter uma unidade de decodificação de endereço digital Para esse fim detectores de endereços imunes a ruídos e de potência ultrabaixa eficazes precisam ser projetados para melhorar a eficiência energética dos receptores de despertar 4 Neste artigo apresentamos uma estrutura geral para projetar e implementar circuitos combinados de captação e ativação de energia de RF com diferentes opções de projeto de detector de endereço Consumo de energia quase zero Carregamento e ativação de dispositivos IoT usando energia de RF coletada com Identificador de objeto digital 101109IOTM0012200202 Ahmed Abed Benbuk Joseph Costantine e Zaher Dawy estão na American University of Beirut Líbano Nour Kouzayha está com a King Abdullah University of Science and Technology KAUST Arábia Saudita Ahmed Abed Benbuk Nour Kouzayha Joseph Costantine e Zaher Dawy 25763180232500 2023 IEEE Revista IEEE Internet of Things Março de 2023 Arquitetura de sistemas combinados de captação e ativação de energia de RF Um componente fundamental na captação de energia de RF e ativação de receptores é o circuito retificador que converte a energia de RF recebida em tensão CC 6 Contar com um retificador compartilhado para o sistema combinado é crucial para reduzir a complexidade do front end de RF Os sistemas que combinam captação e ativação de energia de RF podem empregar um retificador para ambas as tarefas conforme mostrado na estrutura geral apresentada na Fig 1 Essa arquitetura tem a vantagem de eliminar a necessidade de componentes ativos como misturadores ou osciladores para conversão para baixo Resumo Os sistemas sem fio de sexta geração 6G são concebidos para suportar a conexão onipresente de um grande número de dispositivos de Internet das Coisas IoT alimentados por bateria A coleta de energia de radiofrequência RF e o rádio despertador têm sido amplamente considerados como tecnologias independentes para prolongar a vida útil da bateria de dispositivos IoT Neste artigo apresentamos uma estrutura geral para projetar circuitos de ativação e coleta de energia de RF combinados eficientes para reduzir ainda mais o consumo de energia de dispositivos IoT e permitir que eles operem de forma quase autossustentável Introdução Machine Translated by Google 4 Tempo Apenas coleta de RF Colheita de RF e Wakeup combinados Retificador correspondente Tempo Regulamentado Correlator Receber ADC Tempo WiFi ou 5G Carga Variável Armazenar Transmite Tempo Acionar Somente ativação de RF Rede 2 Dispositivo IoT Colheita de RF e Wakeup Detector de endereço Antena 1 Pedaço Antena Voltagem 3 Ponto de acesso Transceptor Antena MPPT PMU Energia MicroC 1 0 1 VCC VCC 3 1 4 2 Portanto um projeto de retificador versátil com potência agnóstica e características de carga é necessário para melhorar o desempenho de carregamento Por outro lado a utilização do retificador como um demodulador para aplicações de ativação exige que a tensão CC de saída do retificador responda rapidamente às variações na potência do sinal recebido A resposta rápida do retificador é um parâmetro essencial porque determina a taxa de dados máxima possível do sinal de despertar É mostrado que a capacidade de resposta do retificador depende da arquitetura do elemento retificador e do número de estágios ao usar um multiplicador de tensão 7 CONFIÁVEIS DESENHOS DE DETECTORES DE ENDEREÇO O detector de endereço e a PMU são conectados à saída do retificador em arquiteturas de sistema combinadas Isso afeta negativamente a operação do detector de endereço porque pode receber um forte sinal de ruído durante as tarefas de carregamento Portanto é crucial aumentar a imunidade a ruído do detector de endereços CARREGAMENTO OTIMIZADO E SINALIZAÇÕES DE DESPERTAR PROJETOS EFICIENTES DE RETIFICADORES O retificador em arquiteturas combinadas deve exibir uma alta eficiência de conversão de energia para coletar energia e uma resposta rápida para demodular o sinal de despertar O retificador recebe energia de entrada variável e vê uma impedância de carga em constante mudança representada pela impedância de entrada variável da PMU devido à função MPPT e os vários estados de energia do detector de endereço bem como do dispositivo IoT Figura 1 Uma arquitetura de estrutura que combina coleta e ativação de energia de RF compartilhando uma única antena e retificador para ambas as tarefas Signal mostra uma potência variável do sinal recebido na antena de recepção Sinal mostra a tensão de saída CC do retificador que segue o pico do sinal na entrada O sinal mostra a tensão regulada na saída da PMU Signal mostra o sinal de ativação digitalizado contendo o endereço do dispositivo IoT Revista IEEE Internet of Things Março de 2023 Um esquema de modulação simples como onoffkeying OOK simplifica o design do detector de endereço que pode ser alimentado por uma fonte de energia dedicada ou por uma bateria compartilhada com o dispositivo IoT O detector de endereço gera um sinal de interrupção para ativar os principais componentes do dispositivo IoT ao receber um endereço de ativação específico Cunhamos o termo consumo de energia quase zero como uma referência ao comportamento de longo prazo do consumo de energia e é uma característica da operação perpétua Para alcançar um consumo de energia próximo a zero um dispositivo IoT com modos de suspensão e energia ativa deve 1 Evitar o excesso de operação no modo ativo contando com Os transmissores sem fio típicos geram sinais intermitentes com capacidade limitada de fornecimento de energia o que afeta a tensão de saída do retificador na coleta de energia de RF combinada e Para ativar a funcionalidade de ativação de RF a amplitude da tensão CC na saída do retificador pode ser modulada para fornecer um sinal de ativação Um detector de endereço contendo componentes eletrônicos ativos para digitalizar o sinal e um correlator de bits para combinar o padrão de bits com um endereço préconfigurado constituem o caminho de ativação de RF A potência do sinal recebido pode variar dependendo das condições do canal ou do esquema de modulação selecionado A tensão CC coletada na saída do retificador é uma função da potência do sinal recebido e da eficiência do retificador bem como de sua resposta de ouvido não linear Portanto uma unidade de gerenciamento de energia PMU é necessária para aumentar e regular a tensão CC no armazenamento de energia A resistência de entrada da PMU é variável porque normalmente inclui um conversor buck ou boost e pode apresentar rastreamento de ponto de potência máxima MPPT Uma tensão de entrada que exceda a sensibilidade da PMU é necessária para iniciar a operação da PMU No entanto o transmissor pode ocupar o canal por um longo período para carregar um capacitor de armazenamento ou transmitir um sinal de ativação a uma taxa de bits baixa Consequentemente o desempenho de outros dispositivos na rede pode ser impactado negativamente devido ao aumento da ocupação do meio Portanto minimizar o impacto das transmissões de carregamento e ativação no desempenho da rede continua sendo um desafio importante a ser enfrentado Um sinal de carregamento não modulado ou um sinal de ativação modulado é recebido do transmissor e enviado ao retificador 2 Aproveite a coleta de energia de RF para reabastecer seu armazenamento de energia DESAFIOS TÉCNICOS Vários desafios surgem da utilização de uma arquitetura combinada que são divididos nas três categorias a seguir acordar arquiteturas de despertar Portanto existe a necessidade de maximizar a atividade do transmissor durante as operações de carregamento com a capacidade de modular a transmissão com um sinal de despertar para realizar coleta e ativação combinadas de energia de RF Em sistemas sem fio baseados em contenção apenas dois dispositivos podem se comunicar em um determinado momento quando o canal é detectado como ocioso 163 Tensão Recebido Tensão Poder Tensão DC ADC Machine Translated by Google C1 C2 Embora a arquitetura sugerida possa realizar carregamento e ativação simultâneos a principal desvantagem é que a rede Dlatch e o portão XoR do PWD permanecem LIGADOS durante o carregamento Além disso há uma disparidade entre a sensibilidade dos componentes de ativação e carregamento o que incentiva o trabalho adicional no uso da potência de transmissão adaptativa ao realizar o carregamento e a ativação Outra direção de pesquisa interessante é usar transmissores móveis como veículos aéreos não tripulados UAVs para minimizar a incompatibilidade entre as faixas de carga e ativação Nosso trabalho preliminar validou que os UAVs podem carregar sem fio um capacitor com um valor da ordem de algumas centenas de mF 10 no entanto continua sendo um desafio carregar baterias maiores PROJETO DE CIRCUITO DETECTOR DE PWM DE MODO MÚLTIPLO DE POTÊNCIA Para ampliar o esquema de endereçamento além da detecção de uma largura de pulso um detector de endereço de modulação de largura de pulso PWM de modo múltiplo de potência é projetado para executar a ativação sequencial enquanto processa o sinal de ativação Uma arquitetura geral do detector PWM multimodo de potência é mostrada na Fig 3 e é baseada no PWD discutido anteriormente O PWD atua como um detector de preâmbulo que recebe um pulso de RF e informa ao detector PWM que um padrão de bits modulado por PWM se seguirá Portanto o correlacionador de bits do detector PWM é ativado apenas por um curto período para processar o padrão de bits e o consumo de corrente atinge o valor máximo DESENHO DO CIRCUITO DO DETECTOR DE LARGURA DE PULSO pWd Antes de combinar ativação e carregamento de RF é útil discutir os esquemas de modulação alcançáveis para criar um sinal de ativação no sistema combinado O retificador não pode detectar sinais de despertar modulados em fase e frequência 3 No entanto ele pode operar como um detector de envelope para demodular sinais de despertar modulados por chaveamento de amplitude ASK COMBINAR RF WAKEUP E CARREGAMENTO USANDO PWD A combinação de carga com ativação de RF pode ser obtida aproveitando os períodos ociosos do PWD que separam sinais consecutivos de ativação Para isso uma PMU deve ser integrada na saída do retificador em paralelo com a PWD A resistência de entrada da PMU é independente da frequência de RF 9 porém é função de vários fatores como a tensão de entrada e saída a frequência de chaveamento e o ciclo de trabalho do conversor buckboost Podemos definir a sensibilidade do componente de carregamento como o limite mínimo da PMU para carregar a bateria do dispositivo IoT para o estado estacionário CLK SER Quadro IoT Revista IEEE Internet of Things Março de 2023 DESENHOS DE DETECTORES DE ENDEREÇO PARA COLETA DE ENERGIA DE RF COMBINADA E DE ACORDO Considerando os desafios apresentados anteriormente apresentamos uma estrutura geral para projetar circuitos combinados de captação e ativação de energia de RF Nós nos concentramos principalmente no design de detectores de endereço poderosos que podem processar sinais de despertar com consumo mínimo de energia e são imunes ao ruído causado pela fase de carregamento A metodologia desenvolvida baseiase na nossa vasta experiência na concepção implementação e prototipagem de colheita de energia e circuitos de despertar INT Dados Limite Estados de energia do detector Audição Sequência de bits de processamento Dados Desligar Retificador Audição Trava D Trava D Carregando Estados de energia do detector Bateria Retificador Trava D Trava D Cortador SER Detectores demodulador Antena PWD Cortador Largura de pulso de processamento Largura de pulso de processamento Desligamento automático Detector de Largura de Pulso Auto Acordar Antena Correlacionador de bits XoR Antena Uma descrição detalhada das arquiteturas propostas no nível do circuito pode ser encontrada em trabalhos anteriores 5 8 O PWD pode portanto ser considerado como uma abordagem de linha de base para projetar detectores de endereço de baixa energia para coleta e ativação combinadas de energia de RF e deve ser ainda mais otimizado para realizar carregamento e ativação simultâneos especialmente em implantações massivas de IoT com restrição de tempo e energia Figura 2 Arquitetura do modo de energia dupla PWD O diagrama de tempo superior destaca a discrepância entre a largura do pulso de RF recebido e o pulso digital gerado pelo cortador de dados nidade para evitar interferências e despertar falso do dispositivo IoT Por outro lado o detector de endereços contém componentes ativos para executar a conversão analógica para digital demodulação e correlação do sinal de despertar Portanto o consumo de corrente do detector de endereços deve ser reduzido durante as tarefas de carregamento ou ao ouvir o sinal de despertar A elaboração cuidadosa do esquema de endereçamento pode aumentar a imunidade a ruído do detector de endereços e reduzir seu consumo médio de corrente Além disso são necessárias técnicas inovadoras para diferenciar entre as operações de carregamento e ativação o que permite o desligamento completo dos componentes consumidores de energia do detector de endereço durante a fase de carregamento A principal desvantagem desse esquema quando comparado aos bits modulados por OOK ou PWM é a escalabilidade limitada ao adicionar mais dispositivos IoT na rede Isso requer endereços extras com larguras de pulso maiores Assim aumentar o pool de endereços requer mais alterações de hardware no circuito PWD o que não é viável na prática Além disso o atraso de despertar no circuito é igual à largura do pulso porque o pulso inteiro deve ser recebido pelo PWD antes de executar a operação XoR 164 O detector PWM apresenta um esquema de endereçamento escalável porque o sinal de despertar é composto pela combinação Figura 3 Hardware do detector PWM multimodo de energia mostrando os componentes necessários para processar o sinal de ativação Um projeto de amostra pode ser obtido considerando um sinal de ativação que compreende um único pulso de RF com uma largura distinta onde a largura desse pulso determina o endereço do dispositivo IoT O cortador de dados converte a saída do retificador em um pulso digital conforme mostrado na Fig 2 O cortador de dados é configurado com um limite que determina a sensibilidade do sistema e representa uma carga de alta impedância para o retificador com um valor muito pequena corrente de entrada As redes Dlatch armazenam os níveis de tensão como bits 0 ou 1 e a porta XoR compara os dois bits e gera um disparo somente se a largura do pulso recebido estiver dentro de uma faixa específica O tempo de subida e descida da tensão de saída do retificador causa um erro na detecção da verdadeira largura do pulso de RF Esse projeto de detector pode ser programado em hardware para detectar diferentes larguras de pulso ajustando a constante de tempo dos detectores de limite Um temporizador de desligamento automático detecta a borda de subida que inicia o sinal de ativação para gerar um sinal de controle e fornecer tensão de coletor comum VCC ao PWD Limite de desligamento automático Limite Limiar da trava D Limite do Data Slicer Registro de deslocamento V2 V1 V2 V1 Q1n Sensor Demodulação PWM para AM Saída do Data Slicer Acionar Sequência de bits PWM 1 0 1 1 Saída do Retificador VCC Pulso de RF 26 V Mudança Registro Machine Translated by Google sensor agrícola e medida de umidade do solo 11 b o tempo de carregamento do capacitor em um sistema combinado de ativação e carregamento de RF em função da potência recebida O cenário de teste é mostrado na Fig 5 O transmissor depende de uma fonte de energia dedicada e pode gerar um sinal de carregamento não modulado com limite de tempo sinal de despertar modulado ou capturar a transmissão Podemos pensar nos dois detectores como operando em uma máquina de estado de energia onde o estado padrão é o estado de escuta O PWD muda do estado de escuta para o processamento da largura do pulso após a recepção dos sinais de ativação PW1 PW2 e PW3 e gera um disparo quando o endereço local PW1 é recebido O PWD também permanece no estado de largura de pulso de processamento quando um sinal de carregamento não modulado é recebido Por outro lado o detector PWM ativa sequencialmente o hardware para processar o endereço local que é composto por uma largura de pulso e uma sequência de bits PW1 BS1 e gera um disparo O detector de endereço PWM também atinge o consumo máximo de corrente quando um endereço externo que começa com a mesma largura de pulso PW1 BS2 é recebido e muda para o estado de carregamento com consumo mínimo de corrente durante a recepção do sinal de carregamento não modulado O sinal de carregamento não modulado é transmitido por um período limitado suficiente para carregar o armazenamento de energia do dispositivo Figura 4 a configuração experimental do PWD para acionar um endereço e dois sinais de despertar que contêm endereços estrangeiros além de um sinal de carregamento não modulado A rajada de RF contém de 100 a 140 pacotes com espaçamento fixo entre quadros que faz com que o PWD dispare o dispositivo IoT da largura de pulso e padrão de bits O correlacionador de bits compreende um demodulador PWMparaAM passivo na entrada serial do registrador de deslocamento e um inversor para extrair a borda de subida do clock dos bits modulados por PWM para reduzir ainda mais o consumo de energia O detector PWM também examina a tensão de saída do cortador de dados para detectar um sinal de carregamento não modulado e desconectar a energia do detector PWM durante as tarefas de carregamento Portanto o detector PWM ativa os componentes mínimos necessários para escuta detecção de largura de pulso e demodulação e correlação PWM Essa abordagem limita o consumo médio de corrente porque o correlacionador de bits é o que mais contribui para o consumo geral de corrente Por outro lado o consumo de corrente é minimizado durante o carregamento porque a energia é desconectada Nesta configuração o interruptor de carregamentodespertar está ativo para monitorar o sinal de carregamento não modulado 165 Além apenas do PWD a Fig 4b mostra o tempo necessário para carregar um capacitor de 220 mF em função da potência de entrada em um projeto de arquitetura combinada de amostra seguindo a estrutura geral descrita anteriormente Escolhemos esse valor de capacitor porque é comum para várias aplicações de IoT A potência de transmissão é ajustada para 10 dBm e o transmissor e o receptor são equipados com antenas com ganho de 12 dB Cada ponto de dados na Fig 4b representa o tempo necessário para carregar o capacitor de um estado vazio para 45 V A PMU não consegue atingir a tensão de estado estável quando a potência de entrada diminui abaixo da sensibilidade do sistema de carregamento 182 dBm como resultado do aumento da distância de 02 para 12 metros Por outro lado a sensibilidade do componente de despertar é de 40 dBm porque usa lógica digital ativa para processar o sinal Esta experiência mostra que o tempo necessário para carregar um elemento de armazenamento de energia até alguns minutos é muito maior do que o tempo necessário para fornecer um sinal de despertar pulsado alguns milissegundos ou menos Portanto é crucial considerar a minimização do consumo de corrente do detector de endereço durante o carregamento Isso valida ainda mais a importância do design de PWM multimodo de energia descrito anteriormente Um roteador WiFi foi posicionado a 3 metros de distância do sensor e foi usado para gerar o sinal de despertar transmitindo uma rajada de RF com nível de potência de 7 dBm e frequência de 24 GHz Retificador Dipolo Marca dágua Rx Antena Quadro Bateria Sensor Detector de endereço Antena Sensor Revista IEEE Internet of Things Março de 2023 DEMONSTRAÇÃO EXPERIMENTAL Com base em uma implementação de hardware apropriada e seguindo a metodologia descrita anteriormente um exemplo de circuito PWD é projetado 11 O consumo de corrente PWD mostrou diminuir de 316 mA durante a recepção de um sinal de despertar para 160 nA no estado de escuta Para destacar a vantagem do projeto proposto o PWD é conectado a um sensor agrícola comercial conforme mostrado na Fig 4a e a unidade é programada para desligar o transceptor e entrar no modo de hibernação Conseqüentemente o consumo de corrente da placa diminui de algumas centenas de miliamperes para algumas centenas de microamperes e a vida útil da placa aumenta de cerca de 10 horas para mais de seis meses Comparação de detectores pWd e pWm Uma prática comum no projeto de detectores de endereço para receptores de ativação é focar na redução do consumo máximo de corrente durante o processamento do sinal de ativação Na verdade o consumo máximo de corrente é muitas vezes considerado como a figura de mérito mais importante quando se compara o desempenho dos receptores de despertar 3 Uma questão que surge ao projetar um detector de endereço multimodo de energia é se devemos considerar o consumo máximo de corrente como figura de mérito e caso não como avaliamos a economia de consumo de corrente que alcançamos por meio do design de hardware Para responder a esta pergunta podemos considerar o perfil de consumo atual dos circuitos detector PWD e PWM em um cenário de teste onde os dois circuitos recebem um sinal de despertar contendo um local Machine Translated by Google Acionar 13 ÿA Carregando Tempo Revista IEEE Internet of Things Março de 2023 Consumo Proposta Transmitido BS2 Apenas BS2 Saída PW1 PW1 Detector PWM Transmitido PW3 Atual Sinal Detector Sinal Estrutura PWD atual PW2 Acordar Detector Sinal PW1 Colheita Acordar BS1 Consumo Apenas PW2 Transmitido Saída B A Sinal Estados de energia PWD Sinal Largura de pulso de processamento Acionar Carregando Endereço Sequência de bits de processamento Local 015 nA Endereço Largura de pulso de processamento Audição 3 ÿA 02 nA Tempo Local Audição Endereço Estrangeiro Estrangeiro Estados de energia do detector PWM 3 ÿA 02 nA Endereço Endereço Estrangeiro Carregando Estrangeiro Endereço Dispositivo IoT em Modo de Suspensão 02 uA Colheita de energia de RF e ativação combinadas versus autônomas Para destacar os benefícios da coleta e ativação de energia de RF combinadas o consumo atual total de um dispositivo IoT comercial 12 que implementa a arquitetura combinada com o uso do modo multipotência O detector PWM discutido anteriormente é comparado com os casos em que o despertar e a coleta de energia são considerados separadamente O sensor IoT considerado tem um consumo de corrente de 02 mA em modo de hibernação e 23 mA em modo ativo Endereço Carregando Sequência de bits de processamento 132 uA Estrangeiro Largura de pulso de processamento 32 uA Endereço Endereço Dispositivo IoT no modo ativo 23 uA Local Estrangeiro Sinal Figura 6 Uma comparação do consumo total de corrente entre um sistema apenas de coleta um sistema apenas de ativação e um sistema que implementa coleta e ativação combinadas de energia de RF Em vez disso um retificador e uma unidade de gerenciamento de energia são introduzidos para coletar sinais de RF quando possível para estender a fonte de alimentação da bateria do dispositivo IoT Além disso o dispositivo IoT é alternado entre os modos de suspensão e ativo o que pode resultar em excesso de eventos de ativação atrasos prolongados e maior consumo de energia Quando um sinal de RF é recebido o detector de endereço muda para o estado de processamento e não pode diferenciar entre carregamento endereço local e endereço externo Durante o estado de processamento o consumo total de corrente é dominado pelo detector de endereço consumindo 13 mA O esquema somente de despertar elimina o excesso de despertares incorridos no esquema somente de colheita No entanto aumenta o consumo total de corrente fora do período ativo do dispositivo IoT O consumo desnecessário de corrente ocorre sempre que um sinal de carregamento ou endereço estrangeiro é recebido O PWD atinge um consumo máximo de corrente significativamente menor quando comparado ao detector PWM No entanto no cenário de teste onde ocorre a alternância entre o carregamento e o despertar o detector PWM pode atingir um consumo médio de corrente menor devido à mudança para o estado de carregamento com consumo mínimo de corrente Os resultados na Fig 4b Os resultados do consumo atual são mostrados na Fig 6 O esquema de coleta somente não implementa nenhum mecanismo de ativação de RF Apenas no caso de ativação um detector de endereço de modo de duas energias convencional é adicionado ao dispositivo IoT Para garantir uma comparação realista uma forma de realização do detector PWM é considerada com modos convencionais de escuta 02 nA e processamento 13 mA 166 Resumindo o detector PWM atinge rajadas mais altas de consumo máximo de corrente e um consumo médio de corrente menor devido à mudança para o estado de carregamento por uma duração prolongada O período de rajadas é reduzido pela ativação sequencial e pela alimentação do correlacionador de bits somente quando a largura de pulso do endereço local é recebida O detector PWM é portanto adequado para aplicações em que ocorre comutação aleatória entre o carregamento e o despertar Ao comparar o perfil de consumo atual dos dois detectores o consumo médio de corrente é uma figura de mérito apropriada a ser considerada quando o detector está alternando entre vários estados de energia e é importante considerar como a máquina de estado de energia do detector de endereço responde a longos períodos de carregamento mostram que o tempo para carregar um capacitor pode exceder um minuto e o consumo de corrente do detector PWM é mínimo durante esse período Embora o consumo máximo de corrente do detector PWM seja relativamente alto isso ocorre apenas em rajadas curtas alguns milissegundos quando a largura de pulso local PW1 é detectada indicando o início de uma sequência de bits Ainda assim em uma aplicação em que o carregamento é pouco frequente e há necessidade de atender a um número limitado de dispositivos IoT um projeto PWD pode ser melhor do que um projeto PWM com menor consumo médio de corrente em um cenário de teste que inclui um sinal de carregamento não modulado por um período limitado e vários sinais de despertar modulados No esquema combinado o circuito de frontend inclui o detector PWM de modo de potência múltipla O detector PWM distingue entre os sinais de carga e os sinais de despertar com endereços estrangeiros uma vez recebidos e ao contrário do detector convencional de dois modos permanece no estado de escuta com consumo mínimo de energia Quando um sinal de carregamento é recebido o detector PWM o detecta e começa a carregar a bateria do dispositivo IoT Quando o endereço correto é recebido o detector PWM muda para o estado de sequência de bits de processamento e aumenta seu consumo de corrente para 13 mA Ao comparar a estrutura proposta com os esquemas tradicionais podemos notar que mais economia de energia é alcançada em todas as janelas incluindo carregamento processamento de um endereço local e processamento de endereços externos Isso se deve principalmente à capacidade da arquitetura proposta de diferenciar entre carregamento e ativação bem como entre endereços locais e estrangeiros Assim apenas os componentes necessários são ativados e a energia total Figura 5 Consumo de corrente dos detectores PWD e PWM Acordar Atraso para despertar Atraso para despertar Atraso Fixo Machine Translated by Google projetos e alinhamento com a pilha de protocolos do plano de controle e do plano de dados Tecnologias avançadas em sistemas B5G6G como MIMO ultramassivo formação de feixe de energia multiusuário e superfícies inteligentes reconfiguráveis podem ser exploradas para aumentar a eficiência da arquitetura combinada de coleta e ativação de RF proposta Essas tecnologias permitem a reconfiguração inteligente do meio de propagação e o foco da energia de RF transmitida em feixes estreitos para os dispositivos IoT Isso requer no entanto técnicas eficientes de estimativa de canal para adquirir as informações de estado do canal e otimizar o beamforming de acordo o que é bastante desafiador com dispositivos IoT com bateria limitada 167 consumo e latência são reduzidos Além disso o carregamentosubstituição frequente da bateria não é mais necessário Como resultado o dispositivo IoT pode atingir consumo de energia próximo a zero com alta capacidade de resposta e operação autossustentável Projetos avançados de hardware Para reduzir ainda mais o consumo de energia dos dispositivos IoT e aumentar a eficiência da transferência de energia em sistemas combinados estruturas de sinal otimizadas devem ser projetadas para maximizar a eficiência do hardware implementado Por exemplo a geração de sinal adaptável pode ser aplicada no lado do transmissor para alterar o número tamanho e espaçamento entre quadros dos pacotes transmitidos de acordo com as condições da rede Esta ação visa otimizar a eficiência do fornecimento de energia e minimizar o atraso no despertar Por outro lado um projeto de retificador agnóstico de potência e carga é necessário no lado do receptor para superar flutuações na potência de entrada e variações na impedância de carga Empregar o retificador para despertar também requer uma resposta rápida do retificador para suportar a demodulação de sinais de despertar em uma alta taxa de bits Desacoplar o detector de endereço durante as tarefas de carregamento é essencial para reduzir seu consumo de corrente e probabilidade de falso despertar Além disso evitar interferências no detector de endereços é um fator essencial a ser tratado em redes altamente densas nas quais o dispositivo desliga o processamento do sinal de ativação durante as tarefas de carregamento Colheita e ativação combinadas de energia de RF habilitadas para UAV Além dos aprimoramentos relacionados ao hardware os UAVs podem ser efetivamente usados para permitir a coleta de energia de RF combinada e ativação de dispositivos IoT em áreas remotas e de difícil acesso 10 O uso de UAVs pode reduzir a lacuna entre o alcance de carregamento e o alcance de ativação pois um UAV pode se mudar facilmente para se aproximar do dispositivo IoT para tarefas de carregamento e permanecer distante durante as tarefas de ativação Vários trabalhos de pesquisa abordaram o uso de UAVs para coleta de dados de dispositivos IoT e para fins de transferência de energia sem fio 13 no entanto a coleta e ativação combinada de energia de RF habilitada por UAV ainda é uma nova direção de pesquisa com muitos problemas em aberto que precisam ser abordados Por exemplo a trajetória e a altura do UAV devem ser otimizadas para permitir carregamento e ativação combinados Isso deve ser alcançado maximizando a energia recebida por dispositivos IoT individuais e minimizando o consumo de energia dos dispositivos UAV e IoT A trajetória de voo também pode ser otimizada com base nos objetivos do projeto somente coleta de energia de RF apenas ativação de RF ou voo misto considerando as restrições de tamanho peso e potência do UAV Integração em redes B5G6G Embora o 3GPP e o IEEE 80211 tenham introduzido o RF wakeup em seus recentes esforços de padronização 14 15 para estender a vida útil dos dispositivos IoT alimentados por bateria muitos desafios ainda persistem especialmente em termos de integração com o transceptor existente Referências 1 S Verma et al Toward Green Communication in 6GEnabled Massive Internet of Things IEEE Internet of Things J vol 8 não 7 2020 pp 540815 Revista IEEE Internet of Things Março de 2023 Biografias Ahmed Abed Benbuk ajb09mailaubedu recebeu um MEng do departamento de engenharia elétrica e de computação da American University of Beirut AUB Seus interesses de pesquisa incluem coleta de energia de RF ativação de RF e eletrônicos de ultra baixa potência Joseph Costantine jcostantineieeeorg é professor associado de engenharia elétrica e de computação na American University of Beirut AUB Seus interesses de pesquisa e ensino estão nas áreas de eletromagnetismo aplicado coleta de energia de RF e sensores eletromagnéticos Nour Kouzayha nourkouzayhakaustedusa é pósdoutoranda no Information Theory Lab King Abdullah University of Science and Technology KAUST Seus interesses de pesquisa estão na área de comunicações sem fio internet das coisas e redes aéreas Zaher Dawy zaherdawyaubedulb é professor de engenharia elétrica e de computação na American University of Beirut AUB Seus interesses de pesquisa e ensino estão nas áreas de redes sem fio internet das coisas e sistemas móveis de saúde 211757 10 AA Benbuk N Kouzayha A Eid J Costantine Z Dawy F Paonessa e G Virone Alavancando UAVs para carregamento passivo de RF e ativação ultrabaixa de sensores de solo Sensores IEEE Lett vol 4 não 5 2020 pp 14 15 DE RuizGuirola et al EnergyEfficient WakeUp Signaling for Machine Type Devices Based on TrafficAware LongShort Term Memory Prediction 3 R Piyare et al Ultra Low Power WakeUp Radios A Hardware and Net working Survey IEEE Commun Pesquisas e Tutoriais vol 19 não 4 2017 pp 262129 Net vol 6 não 2 2021 pp 11071121 11 AA Benbuk et al A NanoWatt DualMode Address Detector for a WiFi Enabled RF WakeUp Receiver 2019 IEEE Sensors 2019 pp 14 12 Dispositivos analógicos acelerômetro ADXL346 httpswww analogcommediaen technicaldocumentationdatasheetsadxl346pdf acessado em novembro de 2022 4 Y Mafi et al Comunicações de IoT de potência ultrabaixa uma nova abordagem de decodificação de endereço para receptores de ativação IEEE Trans Comunidade Verde 6 Z Xu et al Analysis and Design Methodology of RF Energy Harvesting Rectifier Circuit for UltraLow Power Applications IEEE Open J Circuits and Systems 2022 14 IEEE 80211ba2021 Padrão IEEE para Tecnologia da Informação Comunicações de telecomunicações e troca de informações entre sistemas Redes locais e metropolitanas Requisitos específicos Parte 11 Meio de LAN sem fio Controle de acesso MAC e camada física PHY Especificações Emenda 3 WakeUp Radio Operation IEEE Std 2021 5 AA Benbuk et al Tunable Asynchronous and Nanopower Baseband Receiver for Charging and Wakeup of IoT Devices IEEE Internet of Things J vol 9 não 4 2021 pp 302336 13 O Cetinkaya D Balsamo e GV Merrett Internet of MIMO Things UAVAssisted WirelessPowered Networks for Future Smart Cities IEEE Internet of Things Mag vol 3 não 1 2020 pp 813 2 OL López et al Massive Wireless Energy Transfer Habilitando IoT Sustentável para a Era 6G IEEE Internet of Things J vol 8 não 11 2021 pp 881635 9 Y Huang N Shinohara e T Mitani Impedance Matching in Wireless Power Transfer IEEE Trans Teoria e Técnicas de Microondas vol 65 não 2 2016 pp 58290 IEEE Internet of Things J 2022 8 A Eid et al A Compact SourceLoad Agnostic Flexible Rectenna Topolo gy for IoT Devices IEEE Trans Propagação de Antenas vol 68 nº 4 2020 pp 7 K Kaushik et al Receptor de despertar de baixo custo para redes de sensores sem fio para coleta de energia de RF IEEE Sensors J vol 16 não 16 2016 pp 627078 Conclusão e Direções Futuras Neste artigo apresentamos os desafios da implementação da coleta e ativação combinadas de energia de RF onde um único retificador é usado para conversão e demodulação de energia RFDC Apresentamos uma estrutura de projeto geral com duas arquiteturas de projeto ou seja os detectores PWD e PWM para permitir a arquitetura combinada e superar os desafios encontrados O detector PWM inclui o PWD em seu hardware e amplia sua capacidade adicionando um correlacionador de bits e uma chave de modo de ativação carregamento Além disso validamos a praticidade da metodologia proposta testando projetos de protótipos em condições operacionais práticas e comparandoos com esquemas tradicionais apenas de ativação de RF e apenas de coleta de energia Descrevemos abaixo direções adicionais de pesquisas futuras Machine Translated by Google