Comunicación inalámbrica: oportunidades y desafíos

  Suzhi Bi, Chin Keong Ho y Rui Zhang

ABSTRACTO

El rendimiento de la comunicación inalámbrica está fundamentalmente limitado por la duración limitada de la batería de los dispositivos inalámbricos, cuyas operaciones se ven frecuentemente interrumpidas debido a la necesidad de reemplazar/recargar manualmente la batería. El reciente avance en la tecnología de transferencia de energía inalámbrica (WET) habilitada por radiofrecuencia (RF) proporciona una solución atractiva llamada comunicación inalámbrica alimentada (WPC), donde los dispositivos inalámbricos son alimentados por transmisores de energía inalámbricos dedicados para proporcionar energía de microondas continua y estable en el aire. . Como tecnología clave que permite comunicaciones verdaderamente perpetuas, WPC abre el potencial para construir una red con mayor rendimiento, mayor solidez y mayor flexibilidad en comparación con su contraparte alimentada por batería. Sin embargo, la combinación de energía inalámbrica y transmisiones de información también plantea muchos nuevos problemas de investigación y cuestiones de implementación que deben abordarse. En este artículo, proporcionamos una descripción general de las tecnologías WET habilitadas por RF de última generación y sus aplicaciones a las comunicaciones inalámbricas, con aspectos destacados de los principales desafíos, soluciones y oportunidades de diseño que se avecinan.

I. INTRODUCCIÓN

 La duración limitada de la batería de los dispositivos siempre ha sido una consideración clave en el diseño de las tecnologías inalámbricas móviles modernas. El reemplazo/recarga frecuente de la batería suele ser costoso debido a la gran cantidad de dispositivos inalámbricos en uso, e incluso inviable en muchas aplicaciones críticas, por ejemplo, sensores integrados en estructuras y dispositivos médicos implantados. La tecnología de transferencia de energía inalámbrica (WET) habilitada por RF proporciona una solución atractiva al alimentar dispositivos inalámbricos con energía continua y estable a través del aire. Aprovechando las propiedades radiativas de campo lejano de las ondas electromagnéticas (EM), los receptores inalámbricos podrían recolectar energía de forma remota a partir de las señales de RF irradiadas por el transmisor de energía. WET habilitado para RF disfruta de muchas ventajas prácticas, como un largo alcance operativo, bajo costo de producción, factor de forma de receptor pequeño y multidifusión de energía eficiente gracias a la naturaleza de transmisión de la onda EM.

Fig. 1. Aplicaciones de ejemplo de WPC en sistemas IoT/IoE, WSN para monitoreo ambiental y redes eléctricas inteligentes. Los nodos verdes indican los nodos de energía inalámbrica (WPN), que transmiten energía de RF a los dispositivos inalámbricos indicados por los nodos rojos en la figura.

Una aplicación importante de WET habilitada para RF es la comunicación inalámbrica alimentada (WPC), donde los dispositivos inalámbricos utilizan la energía de RF recolectada para transmitir/decodificar información hacia/desde otros dispositivos. Sin verse interrumpido por el agotamiento de energía debido al uso de la comunicación, se espera que WPC mejore la experiencia y la conveniencia del usuario, con un rendimiento de rendimiento mayor y más sostenible que la comunicación convencional alimentada por baterías. WPC también se puede aplicar en sensores con un costo de mantenimiento mucho menor y una mayor flexibilidad en la implementación práctica. 

Debido a la alta atenuación de la energía de microondas a distancia, el WET habilitado para RF se usa comúnmente para soportar dispositivos de baja potencia, como etiquetas y sensores RFID (identificación por radiofrecuencia). Sin embargo, los avances recientes en las tecnologías de antenas y los circuitos de recolección de energía de RF han permitido que los dispositivos inalámbricos transfieran y recopilen de manera eficiente una potencia de microondas mucho mayor [5].

 Por lo tanto, en la Fig. 1 imaginamos que WPC será un componente importante de muchos sistemas comerciales e industriales populares en el futuro, incluidos los próximos sistemas de Internet de las cosas/todo (IoT/IoE), que constarán también de miles de millones de dispositivos de detección/RFID. como redes de sensores inalámbricos (WSN) a gran escala. También imaginamos que WET habilitado por RF sea un componente clave del sistema de suministro de energía de “última milla”, con la red eléctrica inteligente formando la “columna vertebral” o red eléctrica central. Antes de continuar con la discusión sobre WET/WPC habilitado por RF, vale la pena señalar su relación con otra técnica de comunicación ecológica, a saber, la recolección de energía (EH), donde los dispositivos inalámbricos aprovechan la energía de fuentes de energía en un entorno no dedicado a alimentar la energía inalámbrica. dispositivos, como energía solar, energía eólica y radiaciones EM ambientales. A diferencia del EH basado en RF de transmisores ambientales, la fuente de energía de WET es estable y, lo que es más importante, totalmente controlable en su potencia de transmisión, formas de onda y dimensiones de tiempo/frecuencia ocupada, para alimentar los receptores de energía. Con una fuente de energía controlable, se podría construir de manera eficiente una red de comunicación inalámbrica (WPCN) para alimentar múltiples dispositivos de comunicación de diferentes condiciones físicas y requisitos de servicio. Además, con WET habilitado para RF, la información también podría transmitirse conjuntamente con energía utilizando la misma forma de onda. Este paradigma de diseño se conoce como transferencia inalámbrica simultánea de información y potencia (SWIPT), que ha demostrado ser más eficiente en el uso del espectro que la transmisión de información y energía en canales ortogonales de tiempo o frecuencia [1], [2]. 

En este artículo, primero brindamos una breve descripción de las tecnologías WET habilitadas para RF de última generación. Luego, nos centramos en presentar WPC habilitado para RF en los siguientes tres temas:

 • el modelo de circuito y las técnicas avanzadas de procesamiento de señales utilizadas para WET;

. • las compensaciones de diseño en la transmisión conjunta de energía e información para SWIPT; 

• los desafíos y oportunidades de diseño en WPCN.

 Por último, discutimos las futuras direcciones de investigación de WPC y concluimos el artículo.

 II. ESTADO DEL ARTE DE WET HABILITADO POR RF

 Aunque WET ha ganado popularidad en los últimos años, de hecho es una tecnología en desarrollo durante más de un siglo (consulte [4] para conocer el desarrollo histórico detallado de WET).

 Las tecnologías WET existentes podrían clasificarse en tres clases según los mecanismos físicos clave empleados:

 acoplamiento inductivo,

 acoplamiento por resonancia magnética 

y radiación EM. 

Entre ellos, los dos primeros tipos explotan las propiedades EM no radiativas de campo cercano asociadas con una antena para la transferencia de alta potencia de corto alcance. Actualmente, el acoplamiento inductivo WET está bien estandarizado, con aplicaciones como la carga de teléfonos móviles y dispositivos médicos implantados. Sin embargo, debido a la drástica caída del efecto de la inducción magnética con la distancia, el acoplamiento inductivo normalmente opera dentro de un rango de sólo unos pocos centímetros. El rango operativo del acoplamiento de resonancia magnética WET podría ser tan grande como unos pocos metros. Sin embargo, para mantener el acoplamiento resonante, el receptor no se pudo colocar de manera flexible, ya que está optimizado para algunas configuraciones de alineación de circuito y distancia fija. Además, transmitir energía a múltiples receptores es un desafío ya que requiere una sintonización cuidadosa para evitar interferencias debido al efecto de acoplamiento mutuo. 

Por otro lado, WET habilitado por RF explota las propiedades radiativas de campo lejano de las ondas EM para alimentar dispositivos inalámbricos a distancias de moderadas a largas. Una etiqueta RFID típica alimentada por RF podría alimentarse a 4 metros de distancia (con alrededor de 0,5 mW de potencia de RF recibida), y algunos chips de recolección de energía de RF tienen un radio operativo de línea de visión máximo de 12 a 14 metros (con alrededor de 0,05 mW recibidos). potencia de RF).

1 En la práctica, WET habilitado para RF utiliza receptores de energía de RF económicos, que podrían ubicarse de manera flexible y hacerse muy pequeños para caber en dispositivos comerciales. Además, la transmisión de energía a múltiples receptores se logra fácilmente gracias a la propiedad de transmisión de las microondas. La principal limitación de la aplicación de WET habilitado por RF es la alta atenuación de la energía de microondas a lo largo de la distancia. No obstante, con la continua disminución de la potencia operativa del dispositivo (tan baja como unos pocos microvatios para algunas etiquetas RFID) y la reciente aplicación de la tecnología MIMO que mejora significativamente la eficiencia de la transferencia de energía inalámbrica, podríamos esperar aplicaciones cada vez más importantes de RF- habilitado WET en el futuro.

 III. MODELO DE RED PARA COMUNICACIONES INALÁMBRICAS

 En la Fig. 2, presentamos un modelo de red para ilustrar los conceptos básicos de WPC. En el enlace descendente (DL), los puntos de acceso a energía (AP) habilitados para WET con suministro de energía estable (por ejemplo, AP2 en la Fig. 2) transmiten energía a un conjunto de dispositivos inalámbricos distribuidos (WD). Mientras tanto, los WD podrían usar la energía recolectada para transmitir/recibir información hacia/desde los AP de información (por ejemplo, AP3 en la Fig. 2) en el enlace ascendente (UL) y el enlace descendente, respectivamente. Además, los AP de energía e información podrían integrarse en un AP de energía/información ubicado conjuntamente (por ejemplo, AP1 en la Fig. 2), que transmite energía y proporciona acceso a datos a los WD. 

En particular, se especifican tres modos de funcionamiento canónicos de la siguiente manera: 

• WET: transferencia de energía en el DL únicamente, por ejemplo, AP1 a WD1 y AP2 a WD5; 

• SWIPT: transferencia de energía e información en el DL, por ejemplo, AP1 a WD4; 

• WPCN: transferencia de energía en el DL y transferencia de información en el UL, por ejemplo, AP1 a WD3. 

En consecuencia, todos los WD realizan recolección de energía (EH) en el modo WET, con aplicaciones como sensores de carga para operaciones de detección. Además, los WD realizan EH en la transmisión DL. del modo WPCN mientras se envían datos en el UL con energía recolectada, con aplicaciones como carga de batería de sensores y recolección de datos en una WSN [3].

Fig. 2. Un modelo de red para comunicación inalámbrica.

Para el modo SWIPT, los WD realizan tanto EH como decodificación de información (ID) en el DL con las mismas señales recibidas, cada uno usando energía recolectada para alimentar su decodificador de información, por ejemplo, en una red de transmisión de información autosostenible desde el punto de vista energético [1]. , [2].

 En la práctica, una red WPC también podría incluir otros modelos de red generales que constan de múltiples transmisores y receptores de información/energía colocados o separados con modos de funcionamiento heterogéneos. Por ejemplo, WD6 recolecta energía de un AP de energía (AP2) y transmite datos a un AP de información diferente (AP3); AP1 transmite energía e información respectivamente a dos receptores de energía e información separados al mismo tiempo, es decir, WD1 y WD2. Además, la transmisión de energía podría generar potencialmente interferencias a los receptores de información que operan en la misma banda de frecuencia (ver las líneas discontinuas rojas en la Fig. 2), para lo cual es muy deseable un diseño conjunto de transmisiones de energía/información. En las siguientes secciones, centraremos nuestras discusiones en los tres modos de operación canónicos, es decir, WET, SWIPT y WPCN, respectivamente. 

IV. TRANSFERENCIA DE ENERGÍA INALÁMBRICA 

En esta sección, presentamos la estructura del receptor de energía de RF y los métodos avanzados de procesamiento de señales para mejorar la eficiencia de la transferencia de energía de WET habilitado para RF. A. Modelo de receptor de energía de RF Consideramos en la Fig. 3 un transmisor de energía que transfiere energía de RF a múltiples receptores de energía (ER), donde cada transmisor/receptor está equipado con múltiples antenas en general. 

Fig. 4. Un modelo de red SWIPT y las estructuras del receptor.

La energía transmitida las señales son en general señales moduladas, por ejemplo, señales pseudoaleatorias, en lugar de un tono sinusoide no modulado que se usa ampliamente en la práctica. Las señales podrían diseñarse para evitar un aumento en la densidad espectral de potencia (PSD) y para satisfacer el requisito de PSD por consideraciones de seguridad e interferencia. Por tanto, la transmisión inalámbrica de energía ocupa un determinado ancho de banda similar a la transmisión de información, determinado por la señal de banda base modulada. El modelo de circuito de recolección de energía de RF (EH) también se muestra para ER 3 en la Fig. 3. 

El receptor EH se basa en un circuito rectificador, que consta de un diodo y un filtro pasivo de paso bajo (LPF), que convierte la RF recibida. señal a una señal CC (corriente continua) para cargar la batería incorporada y almacenar la energía. Según la ley de conservación de energía, la energía recolectada por unidad de símbolo de tiempo en un ER, denotada por Q, es proporcional a la potencia de RF recibida Pr, es decir,

Aquí, 0 < η < 1 denota la eficiencia general de conversión de energía del receptor, Pt denota la potencia de transmisión, D denota la distancia (normalizada con respecto a una distancia de referencia dada) desde el ER al transmisor, α ≥ 2 denota el factor de pérdida de trayectoria y GA denota la ganancia de antena combinada de las antenas de transmisión y recepción. Por ejemplo, usando dos antenas tanto en el transmisor de energía como en el receptor, podríamos lograr una ganancia de formación de haz para aumentar la energía recolectada aproximadamente 4 veces (6 dB).

en comparación con el caso del transmisor de una sola antena y el receptor con la misma potencia de transmisión. Esto podría ser más rentable en la práctica que el enfoque alternativo de mejorar la eficiencia de conversión de energía η (digamos, del 25% al 99%) en el receptor con circuitos rectificadores diseñados más sofisticadamente. B. Formación de haces de energía El uso de múltiples antenas no solo proporciona ganancia de potencia de antena como se indicó anteriormente, sino que también permite técnicas avanzadas de formación de haces de energía (EB) para enfocar la potencia de transmisión en regiones más pequeñas del espacio para lograr una mejora significativa en la eficiencia de la transferencia de energía [1] . 

Al dar forma cuidadosamente a la forma de onda de transmisión en cada antena, EB podría controlar el comportamiento colectivo de las formas de onda radiadas, de modo que se combinen de manera coherente en un receptor específico, pero de manera destructiva en los demás.

 En general, cuanto mayor sea el número de antenas instaladas en el transmisor de energía, más nítido será el haz de energía que podría generarse hacia una dirección espacial particular. Con solo un ER, el transmisor podría dirigir un único haz agudo para maximizar la energía recolectada. Sin embargo, cuando hay múltiples ER como en la Fig. 3, generar un solo haz puede resultar en una grave injusticia entre los receptores, también conocido como el problema (de energía) cercano-lejano, donde los usuarios cerca del transmisor recolectan mucha más energía que los lejanos. usuarios. En este caso, es posible que el transmisor necesite generar múltiples haces de energía en diferentes direcciones para equilibrar el rendimiento de recolección de energía entre los receptores [6]. Un diseño de EB eficiente requiere la disponibilidad de un conocimiento preciso de la información del estado del canal en el transmisor (CSIT). Sin embargo, esto suele ser difícil de lograr en la práctica. Por un lado, muchos receptores de energía simples no tienen capacidad de procesamiento de señales de banda base para realizar la estimación de canales. Por otro lado, una estimación precisa del canal consume una cantidad significativa de tiempo y energía, lo que puede compensar la ganancia de energía obtenida de un EB refinado. Además, la movilidad del receptor podría provocar canales que varíen en el tiempo, dificultando el seguimiento de los canales. Se han propuesto varios métodos eficientes de estimación de canales para realizar EB en CSIT imperfecta explotando los niveles de energía recibidos a lo largo del tiempo y equilibrando el equilibrio entre el consumo de energía y la ganancia de EB (ver, por ejemplo, [7] y las referencias allí). Además, se podría buscar un diseño EB robusto para generar haces de energía basados en el conocimiento estadístico del CSIT. .

Otro método prometedor es realizar EB utilizando antenas distribuidas. Esto reduce efectivamente la cantidad de señales de retroalimentación para la estimación del canal, ya que un receptor recolecta energía solo de un pequeño subconjunto de antenas transmisoras cercanas. Además, el despliegue de antenas distribuidas también reduce el alcance entre los transmisores y receptores de energía, por lo que es eficaz para resolver el problema cercano-lejano causado por el uso de un solo transmisor de energía.

Sin embargo, en este caso se necesita una coordinación eficaz entre las antenas distribuidas. 

V. TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Y INFORMACIÓN INALÁMBRICA SIMULTÁNEA

 Cuando se aplica WET para alimentar dispositivos de comunicación, inevitablemente ocupará parte del espectro utilizado para fines de comunicación. Para evitar interferencias en la comunicación, un método simple pero espectralmente ineficiente es transmitir energía e información en canales de frecuencia ortogonales. 

Alternativamente, los diseños SWIPT buscan salvar el espectro transmitiendo información y energía de forma conjunta utilizando la misma forma de onda. Esto se puede lograr intuitivamente, ya que cualquier forma de onda para la transmisión de información también transporta energía para ser recolectada por el mismo receptor o por diferentes. Sin embargo, un esquema SWIPT eficiente implica un equilibrio entre la tasa de energía en los diseños del transmisor y del receptor para equilibrar el rendimiento de decodificación de información (ID) y recolección de energía (EH). A. Compensación entre velocidad y energía.

Fig. 4. Un modelo de red SWIPT y las estructuras del receptor.

 En la Fig. 4, ilustramos una red SWIPT con un punto de acceso híbrido (HAP) de múltiples antenas que transmite energía e información de manera conjunta a múltiples receptores (Rx). Algunos de los receptores reciben solo información (Rx 6) o solo recolectan energía (Rx 7), mientras que otros recolectan energía y reciben información simultáneamente (Rx 1 - 4). Vale la pena señalar que un receptor ID y un receptor EH típicos funcionan con sensibilidades de potencia bastante diferentes (por ejemplo, −10 dBm para receptores EH versus −60 dBm para receptores ID). Por lo tanto, los receptores EH están en general más cerca del transmisor que los receptores ID para una recepción de energía efectiva. En el lado del transmisor, las formas de onda generadas por el HAP determinan directamente el rendimiento de la transferencia de información y energía. 

En el caso extremo, el HAP podría ignorar los receptores de energía (información) y optimizar las formas de onda sólo para maximizar la eficiencia de transmisión de información (energía). Sin embargo, debido a la diferencia fundamental en las formas de onda óptimas para las transmisiones de información y energía, un diseño tan desequilibrado puede conducir a un rendimiento deficiente de la transmisión de información o de energía. 

En general, el diseño de la forma de onda debe seguir un equilibrio entre velocidad y energía para lograr el mejor equilibrio posible entre los dos objetivos [1]. Mientras tanto, la caracterización del equilibrio entre velocidad y energía está estrechamente relacionada con la estructura del receptor y las correspondientes estrategias de procesamiento de señales [1], [2]. Se supone que un receptor SWIPT ideal puede decodificar información y recolectar energía de la misma señal [8]; sin embargo, esto no podría lograrse mediante circuitos prácticos. En la Fig. 4 se representan algunas estructuras prácticas de receptor, a saber, conmutación de tiempo (TS), división de potencia (PS), receptor ID/EH integrado (IntRx) y conmutación de antena (AS) [1], [2], y se especificará en la secuela junto con la respectiva caracterización del equilibrio entre tarifa y energía. B. Estructuras prácticas de receptores Para simplificar la ilustración, consideramos cada par de transmisor y receptor por separado para analizar el equilibrio entre velocidad y energía en un canal punto a punto. En este caso, el equilibrio tarifa-energía a menudo se caracteriza por el límite de la región tarifa-energía, definida como la unión de todos los pares tarifa-energía alcanzables por el receptor. Entonces, cualquier punto en el límite especifica la velocidad de datos máxima alcanzable dado un requisito de energía recolectada. 

1) Receptor de conmutación por tiempo (TS): Esto corresponde a Rx 1 en la Fig. 4. Un receptor TS consta de receptores ID y EH colocados, donde el receptor ID es un decodificador de información convencional y la estructura del receptor EH sigue la de la Fig. 3. En este caso, el transmisor divide el bloque de transmisión en dos intervalos de tiempo ortogonales, uno para transferir energía y otro para transmitir datos. En cada intervalo de tiempo, el transmisor podría optimizar sus formas de onda de transmisión para la transmisión de energía o información. En consecuencia, el receptor cambia sus operaciones periódicamente entre recolectar energía y decodificar información entre los dos intervalos de tiempo. Entonces, se podrían lograr diferentes compensaciones R-E variando la longitud de la ranura de transferencia de energía. 

2) Receptor de división de potencia (PS): Esto corresponde a Rx 2 en la Fig. 4. Los componentes del receptor EH e ID de un receptor PS son los mismos que los de un receptor TS. Sin embargo, el HAP no puede optimizar las señales transmitidas solo para información o energía. En cambio, el receptor PS divide la señal recibida en dos flujos, donde un flujo con una relación de potencia 0 ≤ ρ ≤ 1 se usa para EH y el otro con una relación de potencia (1 − ρ) se usa para ID. Se logran diferentes compensaciones R-E ajustando el valor de ρ. 

3) Receptor integrado (IntRx): Esto corresponde al Rx 3 en la Fig. 4. A diferencia de los receptores TS y PS que dividen la señal en la banda de RF, un IntRx combina los extremos frontales de RF de los receptores ID y EH y divide la señal. después de convertirlo en corriente continua. Luego, la corriente continua se divide en dos flujos para cargar la batería y decodificar la información, respectivamente. IntRx utiliza un rectificador (pasivo) para la conversión de RF a banda base, que es Aves la potencia del circuito consumida por el mezclador activo utilizado en el decodificador de información de los receptores TS/PS. Sin embargo, el receptor de ID de IntRx necesita realizar una detección no coherente a partir de la señal de banda base (corriente CC). En este caso, la modulación de amplitud de fase (PAM) convencional debe ser reemplazada por modulación de energía, donde la información solo se codifica en la potencia de la señal de entrada, lo que resulta en una reducción de capacidad [2]. Sin embargo, IntRx es superior a los receptores PS/TS cuando se requiere más energía recolectada, porque no se realiza una conversión descendente de frecuencia activa. 

En la Fig. 5, damos un ejemplo para ilustrar las características clave de las regiones de tasa de energía de los tres receptores prácticos y el receptor ideal en un canal de ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN) punto a punto. Pudimos ver que la región tasa-energía del receptor ideal es una caja, por lo que en este caso no existe ninguna compensación de diseño. También se observa una región de tasa-energía similar para IntRx. Esto se debe a que la estrategia óptima es utilizar una cantidad infinitamente pequeña de corriente CC para ID y la corriente CC restante para EH. La región de tasa de energía del receptor TS es una línea recta que conecta los dos puntos de operación óptimos para EH e ID, respectivamente. 

En comparación con el receptor TS, el receptor PS tiene una región de energía de tasa estrictamente mayor. Hasta el momento no se conoce cuál es el receptor EH-ID óptimo. No está claro si la región de tasa de energía no trivial entre los receptores ideales y los prácticos introducidos podría lograrse o no, lo cual se deja para una exploración futura que probablemente involucre diferentes dominios, como la física, la teoría de circuitos y la teoría de la información. C. Desafíos y oportunidades de diseño El desvanecimiento del canal y la interferencia son dos desafíos importantes para el diseño de transceptores de comunicación inalámbrica. Sin embargo, dan como resultado una degradación del rendimiento bastante diferente para ID y EH en SWIPT. Si bien el desvanecimiento profundo del canal degrada el rendimiento tanto del ID como del EH, una fuerte interferencia sólo es perjudicial para el ID, pero de hecho podría ser útil para aumentar la energía captada por el receptor EH. 

Fig. 5. Comparación de las compensaciones entre velocidad y energía de los receptores SWIPT.

Para optimizar el En el desempeño de EH e ID, el receptor podría adaptar su estrategia a las condiciones del canal y al nivel de interferencia [9]. Por ejemplo, el TS Rx 1 en la Fig. 4 debe cambiar para realizar ID cuando la señal recibida (información e interferencia) es relativamente débil y la relación señal-ruido (SNR) es suficientemente alta, y EH en caso contrario. 

De manera similar, el PS Rx 2 debería asignar más potencia recibida al receptor ID cuando el canal está en malas condiciones y más potencia al receptor EH en caso contrario [10]. Intuitivamente, esto se debe a que la ganancia lograda por el receptor ID es menor que la ganancia lograda por el receptor EH cuando la interferencia es fuerte (dañina para ID pero útil para EH) y cuando el canal está en buenas condiciones (aumento logarítmico en la velocidad para ID). pero aumento lineal de energía para EH). Cuando CSIT está disponible, el transmisor también podría adaptar su potencia de transmisión al estado del canal para lograr la máxima eficiencia de transferencia de información y energía; por ejemplo, no desperdicia energía para transmitir en el caso de un desvanecimiento profundo del canal [9], [10]. . La aplicación de la tecnología MIMO podría mitigar significativamente el efecto del desvanecimiento del canal tanto para la transmisión de energía (energy beamforming) como para la transmisión de información (diversidad espacial y/o multiplexación) [1].

 En un canal de transmisión como el de la Fig. 4, un HAP de múltiples antenas podría utilizar los grados de libertad espaciales para enfocar la radiación de la antena en ubicaciones específicas, lo que no solo mejora la energía recolectada sino que también mitiga la interferencia a receptores de información no deseados. En el lado del receptor, el uso de múltiples antenas permite una implementación de baja complejidad para PS, denominada conmutación de antena (ver Rx 4 en la Fig. 4), que utiliza un subconjunto de antenas para EH (ρ = 1) y el resto para ID. (ρ = 0).

 Mientras que PS requiere un divisor de potencia para cada antena, AS reduce la complejidad del hardware simplemente conectando una antena a un receptor ID o a un receptor EH con un interruptor económico. La región tasa-energía de AS se acerca a la de un receptor PS cuando el número de antenas receptoras es lo suficientemente grande [10]. SWIPT también podría extenderse a otros escenarios de aplicaciones útiles. En la Fig. 4, por ejemplo, el HAP podría transmitir energía a los receptores cercanos (Rx 7) y transmitir información a los receptores lejanos (Rx 6) simultáneamente, cumpliendo al mismo tiempo con las diferentes sensibilidades de los receptores EH e ID. Además, el secreto de la información podría lograrse entre el HAP y los receptores de información utilizando técnicas de codificación del secreto de la capa física [6]. Además, un nodo de retransmisión Rx 3 en la Fig. 4 podría recolectar energía y recibir el mensaje dedicado a Rx 5 que está ubicado más lejos del HAP, y luego reenviar el mensaje a Rx 5 en otro intervalo de tiempo para extender la cobertura del TENER SUERTE.

 VI. RED DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA 

En SWIPT, los dispositivos inalámbricos utilizan la energía recolectada para decodificar la información que se les envía. Aquí, consideramos otro escenario en el que los dispositivos inalámbricos utilizan la energía recolectada para transmitir información. Esta arquitectura de comunicación se conoce como red de comunicación inalámbrica (WPCN) [3]. En esta sección, presentamos las operaciones básicas de una WPCN, los desafíos y soluciones de diseño clave, y extensiones interesantes a muchos modelos de red prácticos. A. Protocolo de recolección y luego transmisión Consideramos una WPCN de una sola celda en la Fig. 6, donde un HAP transmite energía a los múltiples dispositivos inalámbricos en el DL, mientras que los dispositivos inalámbricos se comunican con el HAP en el UL utilizando la energía recolectada. Debido a la restricción de hardware semidúplex de HAP, la red opera bajo un protocolo de recolección-luego-transmisión de dos fases dentro de un bloque de transmisión de duración T. Específicamente, los dispositivos inalámbricos recolectan energía de DL WET en la primera fase para τ0T ( 0 < τ0 < 1) cantidad de tiempo y luego transmitir datos en la segunda fase durante el resto del bloque de transmisión. Esto podría lograrse fácilmente mediante el modelo de circuito de conmutación de tiempo que se muestra para U3 en la Fig. 6. Intuitivamente, con un τ0 mayor, la velocidad de datos de UL podría mejorarse ya que los dispositivos podrían recolectar más energía en la primera fase para transmitir datos. Sin embargo, un τ0 mayor también disminuye la velocidad de datos, ya que deja un tiempo de transmisión de datos más corto. En general, el valor óptimo τ0 que da como resultado el mayor rendimiento de UL está relacionado con las condiciones del canal inalámbrico de los usuarios.

Fig 6 Un modelo WPCN y el protocolo de recolección y transmisión.

Si todos los usuarios están cerca del HAP, el τ0 óptimo es pequeño, ya que cada usuario aún podría recolectar una cantidad suficiente de energía inalámbrica dentro de la corta duración de DL WET. De lo contrario, se requiere un τ0 mayor para que los usuarios lejanos recopilen suficiente energía antes de comenzar una transmisión de datos confiable. De hecho, se muestra en [3] que el valor óptimo de τ0 que maximiza la tasa suma disminuye a medida que aumenta la suma de las ganancias de potencia del canal de todos los usuarios. 

B. Problema doblemente cercano Además de establecer la duración óptima para WET en la primera fase, otra cuestión importante en el protocolo de recolección y transmisión es diseñar un esquema de acceso múltiple eficiente en la segunda fase para coordinar la transmisión de información de UL de los usuarios. En el sistema inalámbrico convencional, los usuarios que están lejos de la estación base generalmente alcanzan velocidades de datos más bajas que los que se encuentran en las proximidades. Esta cuestión de equidad es aún más crítica y desafiante en una WPCN. Debido a la importante atenuación de la señal, un usuario alejado del HAP (U2) obtiene mucha menos energía inalámbrica en el DL, pero consume más para transmitir datos en el UL que un usuario cerca del HAP (U1). Este efecto acoplado se conoce como el problema doblemente cercano-lejano [3], que podría resultar en un rendimiento muy bajo para los usuarios lejanos, por ejemplo, 100 veces menos velocidad de datos que un usuario cercano, si el esquema de acceso múltiple no está diseñado adecuadamente. .

 Cuando se utiliza TDMA en la segunda fase, el HAP podría asignar un tiempo de transmisión de datos más largo a los usuarios lejanos en la segunda fase para abordar el problema doblemente cercano y lejano. 

Por otro lado, cuando el HAP tiene múltiples antenas, se podría aplicar acceso múltiple por división espacial (SDMA) en el UL. En este caso, todos los usuarios transmiten simultáneamente al HAP durante la segunda fase y el HAP decodifica conjuntamente los mensajes de los usuarios utilizando técnicas de detección multiusuario (MUD). SDMA en general logra una mayor eficiencia espectral que el método basado en TDMA. Además, el problema doblemente cercano y lejano podría mitigarse mediante el control de la potencia de transmisión del usuario en el UL y el diseño de formación de haces de energía en el DL. Específicamente, el HAP utiliza EB para dirigir haces de energía más fuertes hacia los usuarios lejanos y les permite transmitir con una potencia mayor que los usuarios cercanos para equilibrar el rendimiento entre todos los usuarios [11]. Otro método eficaz para abordar el problema doblemente cercano y lejano es mediante la cooperación de los usuarios. En la Fig. 6, después de recolectar energía en la primera fase, un usuario cercano U4 usa parte de su recurso (transmitir energía y tiempo) en la segunda fase para reenviar los mensajes de un usuario lejano (U3) al HAP [12]. Cuantos más recursos consuma U4 para ayudar a U3, mayor será la mejora en el rendimiento que se podrá lograr para el usuario lejano. Debido a las limitaciones de tiempo y energía de transmisión, el nodo de retransmisión U4 necesita asignar cuidadosamente el recurso para transmitir el mensaje del otro y transmitir su propio mensaje. Curiosamente, en [12] se muestra que ambos usuarios podrían beneficiarse de la cooperación. Para el usuario que se encuentra lejos, la razón es obvia, ya que la cooperación esencialmente aumenta el tiempo y la energía utilizados para la transmisión de mensajes. Para el usuario cercano, su pérdida de velocidad de datos debido a la cooperación podría compensarse con un tiempo general de transmisión de datos más largo, porque la ganancia de la cooperación del usuario permite al HAP asignar más tiempo para la transmisión de datos, en lugar de WET. C. Extensiones El funcionamiento eficiente de una WPCN depende en gran medida del conocimiento preciso de la información del estado del canal (CSI) en el HAP, donde tanto la decodificación de información como la asignación de recursos requieren una estimación precisa de la CSI. De manera similar a una red inalámbrica convencional, el rendimiento de WPCN se beneficiaría de un período de estimación de canal más largo con una estimación de CSI más precisa, pero también se vería afectado por un tiempo de transmisión de energía/información más corto. Sin embargo, surge una compensación de diseño específica de WPCN debido a las limitaciones de energía en los dispositivos inalámbricos. Esto se debe a que los dispositivos inalámbricos consumen energía para la estimación del canal al decodificar las señales piloto enviadas por el HAP, transmitir la retroalimentación CSI o enviar señales piloto al HAP en algunos esquemas de estimación de canales que explotan la reciprocidad del canal UL/DL [7]. 

Evidentemente, un mayor consumo de energía en la estimación del canal comprometería la velocidad de transmisión (o la confiabilidad) porque queda menos energía para la comunicación. Sin embargo, esto da como resultado un CSI más preciso. 

[14] propone instalar nodos de transferencia de energía inalámbrica, denominados balizas de energía (PB), para proporcionar energía a los usuarios móviles para transmitir datos a algunas estaciones base (BS). Basado en un modelo de geometría estocástica, deriva las relaciones funcionales entre las densidades de BS y PB, así como su potencia de transmisión para lograr una probabilidad de interrupción de comunicación prescrita. La aplicación de WPCN también se explota en la red de radio cognitiva en [15], donde un transmisor secundario (por ejemplo, un sensor) podría recolectar energía de un transmisor primario (por ejemplo, un teléfono móvil) si están lo suficientemente cerca, y transmitir a su receptor secundario previsto. receptor si está lo suficientemente lejos de cualquier transmisor principal, para evitar posibles interferencias en la red principal. 

Además de las extensiones comentadas anteriormente, WPCN también podría aplicarse a muchos sistemas inalámbricos con dispositivos inalámbricos con energía limitada. Por ejemplo, comunicaciones de múltiples saltos con relés de recolección de energía, sistemas con HAP densamente desplegados que utilizan tecnologías de ondas milimétricas y sistemas de antenas distribuidas con coordinación de formación de haces de energía/información, etc. 

VII. DIRECCIONES FUTURAS DE LA INVESTIGACIÓN 

WPC contiene ricos problemas de investigación de aplicaciones importantes aún por estudiar. En esta sección. Destacamos varios temas de investigación interesantes que consideramos particularmente dignos de investigación. 

A. Coexistencia de transferencia de energía e información

 Debido a las limitaciones críticas de energía de los dispositivos inalámbricos, se espera que el futuro sistema inalámbrico sea una combinación de energía inalámbrica y redes de comunicación. En condiciones de escasez de espectro, es probable que las dos redes operen en espectro superpuesto. Esto plantea el problema de que coexistan las redes inalámbricas de energía y comunicación. A diferencia de la interferencia bidireccional en los sistemas de comunicación multicelulares convencionales, la interferencia es unidireccional desde la red de energía a la red de comunicación. Además, la sensibilidad muy diferente de los receptores de información y energía indica que las interferencias debidas a WET son en general mucho más fuertes que las señales de información. Hay muchas soluciones prometedoras para mitigar la interferencia, como la programación de la transferencia de información/energía, el diseño de formación de haces de energía y el WET oportunista basado en la detección del espectro, etc. En particular, la tecnología de radio cognitiva podría usarse para llevar a cabo una detección eficaz del espectro para minimizar la interferencia. interferencia de WET a la red de comunicación. 

B. Diseño entre capas

 Hasta ahora nos centramos principalmente en las técnicas de capa física (PHY) para optimizar el rendimiento de WPC. En un sistema práctico, el control de acceso al medio (MAC) juega un papel clave para determinar la equidad y eficiencia del sistema. Un diseño de sistema inalámbrico eficiente a menudo requiere un enfoque entre capas, especialmente para las capas PHY y MAC estrechamente relacionadas. En el contexto de WPC, un ejemplo de diseño cruzado PHY-MAC es que el HAP dirija el haz de energía hacia un usuario con un canal inalámbrico relativamente potente y muchos paquetes de datos atrasados en la cola, en lugar de considerar únicamente la condición del canal físico. Además, una programación energética eficiente también debe considerar la duración residual de la batería, el horario de despertar/dormir y los consumos de energía esperados de todos los dispositivos inalámbricos. 

C. Implementación de hardware Los estudios actuales sobre WPC son principalmente de naturaleza teórica. Se desconoce el rendimiento que se puede lograr utilizando módulos de comunicación y recolección de energía disponibles en el mercado y en un entorno inalámbrico práctico. Se necesita urgentemente la creación de prototipos de hardware para evaluar la viabilidad de WPC y probar las aplicaciones de diversas tecnologías en transmisiones conjuntas de energía e información, como MIMO masivo, ondas milimétricas y sistemas de antenas distribuidas. Un banco de pruebas extenso también podría ayudar a identificar la tecnología más adecuada y los escenarios de aplicación adecuados para WPC. D. Salud y seguridad Con el uso potencial de MIMO masivo y tecnologías avanzadas de formación de haces, la intensidad de las microondas en un área particular podría ser lo suficientemente fuerte como para dañar la salud humana y causar problemas de seguridad. En la práctica, la potencia de radiación de cualquier dispositivo inalámbrico debe satisfacer el requisito de potencia isotrópica radiada equivalente (EIRP) en su banda de frecuencia operativa; por ejemplo, la FCC (Comisión Federal de Comunicaciones) permite una EIRP máxima de 36 dBm en la banda de 2,4 GHz.

Un método prometedor para resolver el problema de seguridad es utilizar un sistema de antena distribuida, de modo que para cada antena la radiación sea omnidireccional y relativamente débil (satisfaciendo así la restricción de PIRE dada), mientras que el efecto combinado es constructivo sólo en la ubicación destinada pero destructivo en casi en todas partes. Esto reducirá el riesgo de “quemaduras por radiación” debido al bloqueo humano desde una dirección aleatoria. Además, el sistema de antena distribuida podría combinarse con tecnología de detección avanzada para detectar la presencia de humanos en tiempo real y detener la transmisión de energía si considera que la transmisión es dañina. 

VIII. CONCLUSIONES 

En este artículo hemos proporcionó una descripción general de las tecnologías WET habilitadas por RF de última generación y sus aplicaciones a las comunicaciones inalámbricas. Es prometedor que las comunicaciones inalámbricas podrían mejorar significativamente sus contrapartes alimentadas por baterías y lograrse en la práctica utilizando estructuras transceptoras simples y económicas. Las oportunidades y desafíos en el diseño de comunicaciones inalámbricas quedaron demostradas mediante el estudio de dos nuevos paradigmas: SWIPT y WPCN. Esperamos que el diseño de comunicaciones inalámbricas estimule las innovaciones en la investigación de tecnologías inalámbricas, ya que se espera que los futuros sistemas inalámbricos sean una combinación de información inalámbrica y transferencia de energía, siendo WET, SWIPT y WPCN habilitados por RF elementos importantes. 

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December 30, 2014 DRAFT

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Suzhi Bi (bsz@nus.edu.sg) received the B.Eng. degree in communications engineering from Zhejiang University, Hangzhou, China, in 2009. He received the Ph.D degree from The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong, in 2013. He is currently a research fellow in the Department of Electrical and Computer Engineering at National University of Singapore, Singapore. His current research interests include wireless information and power transfer, medium access control in wireless networks, and smart power grid communications. Chin Keong Ho (hock@i2r.a-star.edu.sg) received the B.Eng. and M. Eng degrees from National University of Singapore. He received the Ph.D. degree from Eindhoven University of Technology, The Netherlands, where he concurrently conducted research work in Philips Research. He is Lab Head of Energy-Aware Communications Lab in Institute for Infocomm Research, ASTAR. His research interest includes green wireless communications with focus on energy-efficient solutions and with energy harvesting constraints, and implementation aspects of multi-carrier and multi-antenna communications. Rui Zhang (elezhang@nus.edu.sg) received the B.Eng. and M.Eng. degrees from National University of Singapore and the Ph.D. degree from Stanford University, all in electrical engineering. He is now an Assistant Professor with the Department of Electrical and Computer Engineering at National University of Singapore. His current research interests include multiuser MIMO, cognitive radio, energy efficient and energy harvesting wireless communication, and wireless information and power transfer