Energizante 5G

Alessandra Costanzo y Diego Masotti

En nuestra vida diaria estamos rodeados de una multitud de dispositivos informáticos pequeños y relativamente económicos, muchos de ellos equipados con funciones de comunicación y detección. A partir de estos ha evolucionado el concepto de “inteligencia omnipresente” [1], [2], una base desde la cual podemos imaginar nuestro mundo futuro como un Internet de las Cosas/Internet de Todo (IoT/IoE), en términos tanto de un IoT de consumo /IoE (dispositivos interconectados dentro del entorno de un individuo) y el IoT industrial (interconexión para mejorar los servicios de empresa a empresa, principalmente a través de interacciones máquina a máquina) [3]. Décadas de investigación han producido una gran cantidad de dispositivos para una variedad de dominios de aplicaciones, dispositivos que no siempre comparten estándares y requisitos de comunicación comunes. Se prevé que la llegada de la comunicación de quinta generación (5G)  

©istockphoto.com/yourapechkin Identificador de objeto digital  Fecha de publicación: 7 de abril de 2017 Energizando el 5G Alessandra Costanzo y Diego Masotti W

Con el escenario de una IoT 5G en mente, muchos investigadores se centran actualmente en la desafiante tarea de recargar dispositivos y máquinas ubicuos de forma inalámbrica para permitir una comunicación inalámbrica verdaderamente perpetua.

Las redes reunirán todos estos requisitos mediante la integración de múltiples tecnologías de acceso heterogéneas. Además, los objetivos de 5G de aumentar las velocidades de datos, reducir la latencia de extremo a extremo y mejorar la cobertura [4] admitirán un número exponencialmente mayor de dispositivos con un costo reducido por transferencia de información, lo que hará que nuestra visión de IoT/IoE sea factible en la práctica. Lograr estos objetivos obligará a las futuras redes 5G a depender de una arquitectura de múltiples niveles, comenzando desde el nivel de macrocélula y avanzando hasta las microrredes de dispositivo a dispositivo (D2D) [5]. En este artículo, nos centramos en este último campo de aplicación, donde es deseable la disponibilidad de dispositivos conscientes de la energía. Redes de comunicación inalámbricas Con el escenario de una IoT 5G en mente, muchos investigadores se centran actualmente en la desafiante tarea de recargar dispositivos y máquinas ubicuos de forma inalámbrica para permitir una comunicación inalámbrica (WPC) verdaderamente perpetua [6]. Esto requiere algún tipo de operación de recarga directa de la batería como con un teléfono móvil [7] (que es más factible desde el punto de vista tecnológico actual) o una arquitectura más futurista, “verde” y sin batería para dispositivos inalámbricos de bajo perfil (como se describe en [8] para aplicaciones de sensores inalámbricos). Desde esta perspectiva, hay que hacer una distinción en términos de necesidades energéticas.

 Normalmente, los dispositivos "apagados" sólo necesitan ser interrogados unas pocas veces al día para proporcionar de forma inalámbrica información de seguimiento de sus actividades (también conocido como "polvo inteligente") [9]; Debido a su ciclo de trabajo muy bajo, dispositivos como estos tienen necesidades de energía ultrabajas [10]. Por otro lado, están los dispositivos (típicamente máquinas) que requieren un soporte frecuente o incluso continuo a niveles de energía medios a altos. Dependiendo de estas dos clasificaciones, las fuentes de energía explotadas en la operación de carga varían: para aplicaciones de potencia ultrabaja, las fuentes suelen ser ambientales y/o no intencionales, mientras que las fuentes intencionales se adoptan cuando se trata de grandes .cantidades de energía [11]. De este modo, se pueden crear redes WPC (WPCN) para energizar de manera eficiente varios dispositivos de comunicación [6]. En algunos casos, también se prevén aplicaciones de compensación. Las fuentes inalámbricas intencionales (llamadas “lluvias de energía”) proporcionan periódicamente la baja cantidad de energía solicitada a etiquetas sin batería para aplicaciones de localización o seguimiento en tiempo real [12]. En todos los escenarios previstos, el dispositivo receptor (Rx) debe estar equipado con una antena rectificadora (o rectenna), es decir, una estructura capaz de recibir la señal inalámbrica entrante y convertirla de la frecuencia más alta utilizada en la transmisión a directa. corriente (CC). La Figura 1 muestra dos escenarios posibles: una lluvia intencional, transmitiendo energía a dispositivos distribuidos aleatoriamente en el entorno [Figura 1(a)], y una recena multibanda capaz de recuperar energía de los diferentes estándares inalámbricos comúnmente presentes en cualquier entorno creado por el hombre [ Figura 1(b)] [11]. Por lo tanto, la autonomía energética de los actores de IoT/IoE en el contexto 5G es un tema de importante preocupación actual, y en la literatura reciente se han llevado a cabo interesantes investigaciones. En [13], por ejemplo, la explotación de células pequeñas multiradio heterogéneas se presenta como una oportunidad para realizar una transferencia de energía inalámbrica muy eficiente a dispositivos portátiles, como se muestra en la Figura 2. 

Figura 1. Dos escenarios para implementar autonomía energética para etiquetas de RF con (a) fuentes de RF dedicadas (o duchas) y (b) fuentes ambientales multifrecuencia [11]. GSM: Sistema Global de Comunicaciones Móviles.

Figura 2. Un escenario de red 5G para carga inalámbrica [13].

Los autores de [14] brindan consideraciones muy útiles sobre la Límites prácticos de WPC, como el límite en la directividad de las fuentes intencionales, que sugieren explotar Duchas RF Rectenna GSM 1800 Wi-Fi Spot GSM 900 (r1, θ1, φ1) (r2, θ2, φ2) (r3, θ3, φ3) (a) (b) Figura 1. Dos escenarios para implementar autonomía energética para etiquetas de RF con (a) fuentes de RF dedicadas (o duchas) y (b) fuentes ambientales multifrecuencia [11]. GSM: Sistema Global de Comunicaciones Móviles. W. matrices masivas a altas frecuencias (>30 GHz); de lo contrario, las dimensiones de la estructura radiante se vuelven incompatibles con la aplicación. 

Los autores de [14] también sugieren las principales direcciones de investigación en transferencia inalámbrica de energía (WPT)/transferencia inalámbrica de energía (WET): por ejemplo, el uso de antenas de retrodispersión para proporcionar una solución para energizar dispositivos pasivos de baja complejidad, como en aplicaciones de identificación por RF (RFID), así como la nueva tendencia hacia la optimización adecuada de la forma de onda de potencia que puede conducir a mejoras en el mecanismo de transferencia (esto también se demuestra en [15] y [16]). Además, en [17] se describen ahorros de energía muy prometedores, cuando los dispositivos con reconocimiento de ubicación cooperan en escenarios D2D. 

Nuestro objetivo principal aquí es delinear los pasos de diseño necesarios para optimizar con precisión las cifras clave de mérito involucradas en el enlace inalámbrico de extremo a extremo dentro de un escenario 5G IoT/IoE. De hecho, dicha estimación es obligatoria para predecir la viabilidad de la transmisión inalámbrica de energía [18], especialmente en aquellas aplicaciones donde el medio entre la fuente de energía y el dispositivo/máquina alimentado de forma inalámbrica requiere un canal de radio complejo con variaciones aleatorias, como como sitios civiles [19] e industriales irregulares o capas de tejido corporal. 

Este enfoque de diseño se presenta a través de la discusión de soluciones nuevas y prometedoras disponibles en la literatura, dedicadas a la alimentación inalámbrica tanto de campo lejano como de campo cercano. Cifras de Mérito de la Energía Inalámbrica 

La entrega inalámbrica de energía puede adoptar dos mecanismos radicalmente diferentes: 

• explotar fuentes de RF de campo lejano para la llamada TIP de campo lejano (FF-WPT), donde las frecuencias involucradas están en el microondas (300 MHz–30 GHz) [20], [21] o rangos de ondas milimétricas (30–300 GHz) [22], [23]

• explotar el campo cercano (o reactivo) proporcionado por fuentes ubicadas cerca en la baja frecuencia (LF; 30 –300 kHz) [24] o gamas de alta frecuencia (HF; 3–30 MHz) [25] para la denominada TIP de campo cercano (NF-TIP). 

El enfoque NF-WPT se puede dividir en dos alternativas: 

• transferencia de potencia por acoplamiento resonante, que explota la resonancia entre los dispositivos involucrados [26] para posiciones conocidas y recíprocas del receptor

 • transferencia de potencia no resonante [27], que es más adecuada cuando las desalineaciones del transmisor y el receptor no son predecibles, como en aplicaciones RFID o para la carga de vehículos eléctricos. Estos enfoques alternativos se basan en mecanismos de transferencia completamente diferentes; por esta razón, son casi completamente complementarios, como se resume en la Tabla 1. En el caso de la TIP-FF, la radiación de una onda electromagnética (EM) se produce mediante la explotación de una estructura radiante (antena), y la correspondiente RF radiada. la energía puede ser intencional (en el caso de FF-WPT) o no intencional/ambiental [en el caso de aplicaciones de recolección de energía de RF (EH)] [28]. 

Sin embargo, cuando se trata de fuentes de campo lejano, vale la pena señalar que no se producen interacciones directas entre las antenas transmisora (Tx) y Rx porque la antena Tx envía la misma cantidad de potencia, independientemente de que haya un receptor presente o no.  

TABLA 1. Comparación de NF-WPT y FF-WPT.

                                              NF-WPT                             FF-WPT

                                             Resonante No Resonante

Mecanismo de transmisión Acoplamiento, sin propagación de ondas Acoplamiento, sin propagación de ondas Propagación de ondas

Dispositivo de interacción Bobinas/electrodos Bobinas/electrodos Antenas

Interacción de antena Tx-Rx Interacción fuerte Interacción media Sin interacción

Frecuencia de funcionamiento LF, HF LF, HF Microondas, onda milimétrica

Nivel de potencia Medio (mW–W), Alto (kW) Medio (mW–W), Alto (kW) Ultrabajo (nW–mW) Alto (MW)

Eficiencia Alta (70–90%) Media (30–60%) Baja (10–50%)

Aplicaciones comerciales Sí Sí No

Desde este punto de vista, la situación es completamente diferente en el caso de NF-TIP no radiativa, donde Se establecen enlaces inductivos (que explotan los campos magnéticos) o enlaces capacitivos (que explotan los campos eléctricos) entre bobinas/cables o electrodos/placas metálicas colocados, respectivamente.

 Al estar en la región del campo reactivo, la potencia entregada al campo por la bobina/placa Tx regresa en los casos en que la bobina/placa Rx está ausente y, por lo tanto, depende de la posición de la bobina/placa Rx. Esta dependencia es extremadamente fuerte en el caso de la TIP-NF resonante, donde se establece una resonancia de banda estrecha entre el transmisor y el receptor [26]. En consecuencia, se proponen varias soluciones para minimizar/cancelar esta dependencia [26], [29], [30]. La posición recíproca (incluida la cobertura del enlace) es menos crítica en el mecanismo de transferencia NF-WPT no resonante. Aquí, las bobinas (típicamente) son de diferente tamaño (el transmisor es más grande) y, al estar lejos de la resonancia, las impedancias de entrada Tx/Rx son casi constantes al variar (dentro de ciertos límites) su posición recíproca; por lo tanto, se pueden garantizar fácilmente condiciones de coincidencia satisfactorias. Con respecto a las aplicaciones de investigación comercial, el enfoque de campo lejano se utiliza principalmente cuando se prevén aplicaciones de energía baja (FF-WPT) o ultrabaja (EH). Sólo en objetivos espaciales y militares, donde el coste no es un problema, existen actividades FF-TIP de alta potencia [31], [32]. La NF-WPT tiene, hasta ahora, más aplicaciones comerciales que la FF-WPT. La NF-WPT no resonante se ha aplicado ampliamente durante muchos años en RFID HF, donde están involucrados niveles de potencia medios a altos; La TIP-NF resonante también puede gestionar niveles de potencia elevados, principalmente debido a un enlace más eficiente (gracias a la resonancia) con costes reducidos, así como límites de exposición de seguridad menos estrictos en frecuencias más bajas (<100 MHz). La clasificación descrita anteriormente se amplía con un mecanismo de transferencia inalámbrica más reciente que recurre al campo medio proporcionado por fuentes de microondas. Esta técnica se considera principalmente una alternativa a la NFWPT para alimentar de forma inalámbrica dispositivos implantados [33]. A diferencia de los enfoques convencionales de campo cercano, la TIP de campo medio (MF-WPT) se basa en una propagación de campo real y no sufre una rápida decadencia con la distancia [como (distancia) −3], como es el caso del campo lejano. Aquí, las pérdidas ambientales/de tejidos juegan un papel fundamental; Por esta razón, se han llevado a cabo investigaciones intensivas sobre la frecuencia óptima para maximizar la transferencia de potencia, proporcionando el interesante resultado de que la frecuencia óptima está en el rango de gigahercios para una antena Tx de tamaño milimétrico y se desplaza al rango de subgigahercios para una antena de centímetros. antena Tx de tamaño grande [34]. Con todo esto, queda claro que definir cifras de mérito capaces de resumir la calidad del enlace inalámbrico es fundamental. A pesar de las diferencias significativas entre estos enfoques, los componentes básicos del enlace inalámbrico se pueden representar, en todos los casos, como en la Figura 3: las bobinas planas y las antenas planas de microcinta son representativas de los dos mecanismos de transmisión, pero los enlaces acoplados capacitivamente u otros tipos de antenas pueden adoptarse de manera equivalente. Como consecuencia, en términos de eficiencia, todos los mecanismos de alimentación inalámbrica comparten las principales cifras de mérito como lo demuestra .

De hecho, hLINK representa la eficiencia de todo el sistema de energía inalámbrico desde la polarización de CC del transmisor hasta la CC del receptor producción. El primer término, hDC-TF, es la relación entre la potencia PTX a la frecuencia de transmisión utilizada en la transmisión de energía (microondas u ondas milimétricas para los casos de campo lejano y medio, y LF o HF en el caso de campo cercano). ) disponible en el puerto de entrada de la antena/bobina de Tx y la potencia de CC requerida en el lado del transmisor PBIAS: esta contribución se debe principalmente a la eficiencia de conversión de la fuente de alimentación de RF y del amplificador en el lado del transmisor.

 El segundo término, hTF-TF, es la eficiencia en la frecuencia de transmisión del camino inalámbrico recorrido durante la operación de transferencia de energía (que oscila entre unos pocos milímetros y unos pocos centímetros en el caso de NFWPT resonante, unos pocos centímetros y decenas de centímetros en (en los casos de TIP-NF y TIP-MF no resonantes, desde unos pocos metros hasta decenas de metros en el caso de TIP-FF de baja potencia, y hasta cientos de kilómetros en el caso de TIP-AFA de alta potencia). Consiste en la relación entre la potencia recibida por la antena/bobina en el lado del receptor ^ h PRX y PTX y está fuertemente relacionada con el medio entre los transmisor y el receptor, así como en las eficiencias de las antenas/bobinas [18], [25]. 

Finalmente, el último término, hTF-DC, es la relación entre la potencia de CC entregada al usuario final ^ h PDC y la recibida ^ h PRX , es decir, la eficiencia de conversión de la sección rectificadora de la frecuencia más alta a CC. Normalmente viene dada por el producto adicional de dos eficiencias: la eficiencia de conversión de RF a CC del único rectificador y la eficiencia de CC a CC de la unidad de administración de energía que representa la carga real del circuito rectificador, diseñada específicamente para proporcionar la potencia máxima de salida de CC para diferentes condiciones de carga [35], [36]. 

Cabe mencionar que todo el sistema TIP consta de una conexión de circuitos no lineales; por esta razón, (1) depende en gran medida de los niveles de potencia involucrados y las frecuencias operativas y puede evaluarse con precisión sólo si todos los fenómenos (tanto lineales como no lineales) se toman rigurosamente en consideración, proporcionando así una estimación precisa de las potencias que contribuyen a (1). ).

Figura 3. Los componentes básicos de un enlace inalámbrico que involucra campos cercanos o lejanos.

 Por ejemplo, calcular PRX es una tarea exigente, lo que hace que el término hTF-DC sea el más delicado en (1): la teoría EM puede derivar una formulación rigurosa de un modelo de circuito equivalente para la predicción de esta contribución [18] , [36]. Además, vale la pena hacer un comentario adicional sobre PTX: en NF-WPT y FF-WPT intencional, PTX es una contribución conocida, mientras que representa una contribución desconocida en escenarios EH, donde se implementan fuentes ambientales no intencionales [16]. En tales casos, la intensidad del campo entrante, la polarización y la dirección de llegada no se conocen a priori, lo que hace que el diseño de la rectenna sea una tarea engorrosa en aplicaciones EH, una tarea que se basa en estimaciones realistas de los niveles de potencia disponibles [37], [38 ]. 

Para aclarar este punto, la Figura 4 muestra el diseño estándar de dos rectennas, una para FF-WPT intencional [Figura 4(a)] y la otra para fines EH [Figura 4(b)] [39]. En el primer caso, una combinación de RF de las antenas proporciona un comportamiento de matriz con una alta ganancia de la antena Rx; en el otro caso, la dirección desconocida de llegada de la señal sugiere el uso de una configuración de antenas múltiples (la combinación se realiza en corriente continua) para tener más antenas de baja ganancia (idealmente omnidireccionales).

Figura 4. Arquitecturas de rectenna para (a) transmisión intencional de energía de campo lejano (b) propósitos de RF EH [39]

 Transferencia simultánea de energía y datos .

La transferencia simultánea de energía e información inalámbrica (SWIPT) [5], [40] se está investigando actualmente en una amplia gama de sistemas diferentes para aplicaciones civiles e industriales. En la Figura 5 se ilustra un esquema de bloques de una solución disponible [41] en un entorno de máquina automática.

 La parte superior de la Figura 5 muestra el suministro del actuador donde la potencia es modulada por el convertidor CC/CA de conmutación y entregada de forma inalámbrica al actuador ( ej., un calentador) mediante una unidad de transferencia de energía sin contacto. La parte inferior de la figura consta de la ruta de retroalimentación de los datos del sensor: su lectura se elabora y se envía de regreso al controlador a través de una interfaz inalámbrica secundaria. El flujo de energía que suministra el actuador que se muestra en la Figura 5 no representa una fuente confiable de energía para la detección porque no es continuo. En este caso, se adopta una solución de detección pasiva mediante un enlace RFID de campo cercano que monitorea la variación de una variable (por ejemplo, una carga resistiva que representa un sensor de temperatura) estimando la falta de coincidencia de impedancia en el puerto de entrada del enlace, es decir, en el lado del lector. Esto se conoce como detección RFID pasiva directa. Se obtiene una sensibilidad bastante precisa configurando la fuente y el enlace en condiciones muy desiguales. De esta manera, midiendo la potencia que ingresa al puerto de entrada del enlace o detectando el voltaje a través de sus terminales, se recupera el estado del sensor resistivo. Luego, se puede caracterizar el comportamiento de tales cantidades y es posible establecer una relación precisa entre la lectura medida (potencia o voltaje) y la variable observada (por ejemplo, una carga de sensor resistivo). La ventaja de esta técnica es que es completamente pasiva y no requiere que se incruste ningún circuito de unidad de microcontrolador en la unidad de detección remota inaccesible. Más bien, la lectura del sensor se recopila en el lado del lector del enlace de datos, donde la fuente de energía está asegurada por el suministro de energía.

Figura 5. Un esquema de bloques de un sistema de máquina automática con capacidades SWIPT [41]. ADC: conversión analógica a digital.

En la Figura 6 se muestra un diagrama de bloques de todo el enlace de detección, donde el detector de temperatura resistivo (RTD) es controlado por el voltaje y la corriente rectificados de la excitación de RF. El lado del receptor está optimizado con el objetivo de proporcionar el mayor rango de potencia reflejada en su puerto de entrada con respecto a las variaciones de intervalo de la carga del RTD. El enlace inalámbrico opera en la banda de frecuencia ultraalta (UHF) y se basa en dos resonadores de anillo dividido (SRR) acoplados, cuyo diseño está diseñado para funcionar como una estructura reactiva autorresonante [41]. El sistema es capaz de proporcionar una medición de temperatura muy precisa, como se muestra en la Figura 7, donde se compara la relación medida entre la temperatura y el nivel de voltaje de CC. SWIPT para dispositivos portátiles mediante sistemas de antena existentes o dedicados Los desafíos para las redes inalámbricas celulares 5G radican principalmente en mejorar el comportamiento general del sistema en términos de rendimiento de extremo a extremo, consumo de energía y costo por transferencia de información [5].

 En este escenario, la comunicación D2D desempeñará un papel importante, así como cualquier capacidad adicional de RF EH que los dispositivos futuros tendrán que compartir: por lo tanto, la combinación de potencia de campo cercano o lejano y transferencia de información será esencial para las próximas dispositivos móviles de nueva generación, posiblemente logrados mediante el despliegue de la mayoría de sus componentes. Esta desafiante operación se puede llevar a cabo aprovechando tanto los circuitos existentes como los nuevos componentes dedicados: por supuesto, el menor consumo de espacio del primero significa, a su vez, una menor eficiencia de transferencia que la solución dedicada. Vale la pena señalar que, cuando se trata de transmisión simultánea de datos y energía, a menudo se adopta el enfoque de división de frecuencia. Esto significa que diferentes bandas de frecuencia son responsables de la transferencia inalámbrica de información y energía. Además, esto es cierto tanto en NF-WPT [42] como en FF-WPT [43]. Qualcomm [7] ofrece un ejemplo de enlace dedicado para NF-WPT; En este caso se debe gestionar un sistema resonante débilmente acoplado debido al cuerpo metálico del teléfono. Hasta donde saben los autores, este es el primer ejemplo de un teléfono móvil con respaldo metálico recargado mediante un cargador estándar compatible con la resonancia AirFuel Alliance (aunque ya hay otras soluciones disponibles comercialmente, que utilizan un estuche adicional para fines de carga). En esta aplicación, 6,78 MHz es la HF adoptada para la transmisión de potencia.

 La idea original es explotar las corrientes parásitas inducidas en la metalización del teléfono por el campo magnético Tx: se introduce una ranura adicional en la caja metálica [como se muestra en la Figura 8(a)], forzando así a la corriente inducida a fluir alrededor del existente. orificios para cámara/flash, donde se ha colocado una nueva bobina dedicada [Figura 8(b)]. Finalmente, la bobina Rx se coloca en la carcasa de metal y el teléfono se sintoniza con un condensador para alcanzar la resonancia. De esta forma, la cubierta metálica pasa a formar parte del resonador Rx. Este truco permite aumentar la eficiencia de transferencia del sistema débilmente acoplado. Además, la bobina central está conectada en serie a dos bobinas laterales adicionales [Figura 8(b)], cuyo propósito es aumentar la inductancia general y, por tanto, el voltaje inducido en el resonador. Por supuesto, cabe señalar que los circuitos adicionales del teléfono móvil no afectan a la antena multibanda utilizada con fines de comunicación: se han realizado con éxito llamadas telefónicas regulares en presencia del resonador de carga inalámbrica [7]. 

Figura 6. El esquema del circuito equivalente de un conjuntosistema de detección pasiva inalámbrico UHF [41].Figura 7. La relación medida y prevista entre la temperatura detectada y el detector de potencia tensión de salida [41]

Figura 8. Los detalles de una carcasa metálica para un teléfono móvil: (a) una vista en perspectiva y (b) la vista posterior [7]. LTE: evolución de largo plazo; GPS: sistema de posicionamiento global.

Estudios recientes también han demostrado la posibilidad de reutilizar antenas de dispositivos portátiles existentes, diseñadas para comunicaciones multibanda de campo lejano, en un enlace de campo cercano débilmente acoplado [44], [45]. En esta aplicación, la banda industrial, científica y médica de 433 MHz está dedicada al enlace NF-WPT, mientras que las bandas de frecuencia estándar del Sistema Global para Comunicaciones Móviles (900 y 1.800 MHz) se utilizan en comunicaciones de campo lejano. La elección de una frecuencia bastante alta para el acoplamiento de campo cercano es el resultado de una solución de compromiso entre minimizar los valores de los elementos agrupados para lograr resonancia (alta frecuencia, "baja inductancia", bajas pérdidas) y seguir teniendo una antena eléctricamente pequeña, por lo que solo involucra campos reactivos. . Obviamente, el sistema no está diseñado específicamente para TIP, y esto justifica la eficiencia máxima limitada que se puede obtener aprovechando el débil acoplamiento reactivo establecido entre la metalización de las delgadas antenas planas, como se muestra en la Figura 9: aquí, la eficiencia hTF-TF de (1 ) a 433 MHz (derivado de análisis teóricos, simulación de circuitos y mediciones) se traza frente a la distancia entre dos teléfonos móviles enfrentados.

 Figura 9. Eficiencias de enlace previstas (tanto teóricas como simuladas) y medidas para una separación de antena variable [45].

A pesar del enlace no dedicado, el 40% de la eficiencia medida se logra cuando los dos dispositivos están separados por 1 cm. Sin embargo, la gran ventaja de esta nueva idea es realizar recargas de campo cercano sin sobrecargar aún más los circuitos de los dispositivos portátiles; La investigación presentada en [44] y [45] representa la prueba de concepto de la viabilidad de esta transferencia de poder. Uno de los principales desafíos de esta arquitectura implica el diseño del diplexor de tres puertos que alimenta cada antena, como se muestra en la Figura 10. La separación de frecuencias entre la frecuencia TIP (433 MHz) y las frecuencias de comunicación (900 y 1.800 MHz) permite la Explotación del mecanismo de división de frecuencia en la síntesis del diplexor: la solución de elementos agrupados adoptada en [44] y [45] proporciona un alto aislamiento (>40 dB) entre las dos rutas, garantizando así que la comunicación sea posible mientras se transfiere energía. (y viceversa). Sin embargo, el enfoque de división de frecuencia puede ser espectralmente ineficiente, incluso si es más robusto desde el punto de vista de la interferencia EM. Alternativamente, se han propuesto soluciones SWIPT más desafiantes solo en los casos de campo lejano, donde se comparte la misma frecuencia tanto en la transferencia de energía como de datos. El principal problema es la interferencia de la TIP en la transmisión de datos [6] debido al mayor nivel de potencia. Las soluciones a este problema podrían ser la división del tiempo en el acceso a los datos y la energía [6]; técnicas de formación de haces dinámicas, como la modulación temporal atractiva del sistema radiante descrita en [21]; o el uso prometedor de la detección de canales propuesto en [46] para modificar de forma adaptativa los pesos de una señal multiseno en el lado del transmisor y así maximizar la transferencia de potencia. Esta última solución se encuentra ahora en la etapa de investigación, pero se prevé que sea ampliamente explotable en grandes plantas industriales con características EM duras como una forma de avanzar en el control de las máquinas automatizadas mediante la conexión en red de información distribuida desde sensores que se alimentan e interrogan de forma inalámbrica. Transferencia de datos y energía ultrabaja de campo lejano La comunicación y la transferencia de energía simultáneas entre teléfonos móviles y diferentes tipos de subsistemas radiantes también pueden depender de la propagación de campo lejano para ambas operaciones inalámbricas. En la literatura se dedica gran atención a este problema crucial, tanto desde el punto de vista de alto nivel (procesamiento de señales) [47]–[49] como de bajo nivel (diseño de circuitos) [10], [50]. 

Soluciones interesantes (no dedicadas específicamente a dispositivos portátiles sino más bien a RFID de próxima generación) tags) que podrían integrarse en dispositivos portátiles se centran en adoptar la banda ultraancha (UWB) para fines de comunicación/localización, mientras realizan recuperación de energía en las bandas UHF baja [51], [52] o alta [53].

Figura 10. (a) Una topología de diplexor y (b) la arquitectura del sistema basada en el mecanismo de división de frecuencia para la transferencia de energía y datos [44].

 Esta tecnología UWB cumple con los requisitos de 5G en términos de consumo de energía extremadamente bajo y, al mismo tiempo, proporciona robustez frente a un desvanecimiento rápido y, por lo tanto, una precisión submétrica en la localización en interiores [54]. Todos los trabajos citados ofrecen soluciones de colocalización de dos antenas separadas. De esta manera, se logran arquitecturas que consumen espacio debido a las huellas de la antena y a los dos puertos de antena separados: uno para comunicación UWB (típicamente, retrodispersada) y el otro para recolección UHF. Como ejemplos representativos, la Figura 11 muestra dos soluciones de antenas colocadas bastante compactas, en las que cada antena mantiene su propio puerto y red coincidente relacionada. En la Figura 11(a), se obtiene un dipolo UHF ranurado (que funciona a 868 MHz) desde el plano de tierra del monopolo UWB [52]; En la Figura 11 (b), la antena UWB y el monopolo UHF (que funciona a 2,4 GHz) comparten la misma capa de sustrato [53]. Un paso más adelante se proporciona en [8], [55], donde un subsistema radiante original, que consiste en una antena de un solo puerto sobre sustrato de papel, es capaz de comunicarse y absorber energía recurriendo a la banda baja europea UWB (3.1 – 4,8 GHz) y la banda baja UHF (868 MHz), respectivamente. Para la recuperación de energía, esta aplicación prevé el uso de intencional

La comunicación simultánea y la transferencia de energía entre teléfonos móviles y diferentes tipos de subsistemas radiantes también pueden depender de la propagación de campo lejano para ambas operaciones inalámbricas.

fuentes que funcionan a 868 MHz (o “duchas de RF”) para proporcionar periódicamente la cantidad de energía solicitada a las etiquetas sin batería, realizadas en materiales ecocompatibles y equipadas con sistemas de recena. Un En la Figura 12 se muestra un diseño de antena extremadamente compacto y de bajo perfil: aquí, una antena en espiral de Arquímedes estándar cubre la banda UWB, mientras que un dipolo plano, resonante a 868 MHz, se obtiene prolongando los brazos en espiral, como se muestra en la Figura 12( a), e involucra todas las espiras anidadas de la espiral, proporcionando así un dipolo de 1 5, m de largo. La Figura 12(b) muestra el prototipo de papel; aquí, el área cuadrada discontinua informada da la huella de la red diplexante de tres puertos, cuya función es idéntica a la de uno de los ejemplos anteriores [consulte la Figura 10(a)]. En este caso, la división de frecuencia se obtiene mediante una red de filtrado/adaptación de elementos agrupados y de elementos distribuidos para los trayectos UHF y UWB, respectivamente.

Figura 12. (a) Integración de antena de puerto único UWB-UHF. (b) El prototipo final sobre sustrato de papel (el área discontinua indica el diplexor posterior) [55].

 La vista esquemática del diplexor y su diseño diseñado electromagnéticamente se muestran en la Figura 13 (a) y (b), respectivamente. 

Figura 13. (a) El esquema del circuito del diplexor de tres puertos y (b) el diseño correspondiente en sustrato de papel (dimensiones en milímetros) [8].

La comunicación y la transferencia de energía simultáneas son factibles debido a un alto desacoplamiento entre las dos bandas y una buena adaptación entre la antena de dos modos y la ruta correspondiente. Estos comportamientos se demuestran en la Figura 14, donde se trazan el coeficiente de reflexión en el puerto de la antena (S11) y el coeficiente de transmisión de la ruta UHF (S12) para diferentes condiciones de carga en el puerto UWB; Además, se traza el coeficiente de transmisión de la ruta UWB (S13) para diferentes niveles de potencia UHF en el puerto de entrada del rectificador no lineal. 

Conclusiones 

En este artículo, hemos proporcionado una descripción general de varias soluciones recientes para la alimentación inalámbrica de dispositivos que explotan técnicas de campo cercano o lejano. Primero introdujimos un procedimiento general de diseño del sistema, así como su figura de méritos y sus componentes principales. 

Un número creciente de ingenieros e investigadores han estado estudiando esta tecnología en los últimos años, tanto para la transferencia de energía intencional como para la EH ambiental y abordando una variedad de aplicaciones independientes que explotan diferentes mecanismos físicos, frecuencias de operación y niveles de potencia. Debido a este interés generalizado, se están realizando esfuerzos cada vez mayores para definir reglas estándar para propósitos específicos, pero aún no se han unificado. Al mismo tiempo, esta tecnología ha asumido un papel de liderazgo en la realización del paradigma IoT/IoE dentro del marco de los próximos sistemas 5G: de hecho, actualmente hay bastantes pruebas de concepto disponibles en escenarios civiles e industriales que pueden integrarse en las características de los sistemas 5G. Desde esta perspectiva, el WPC se considera fundamental para la implementación real de una arquitectura multicapa 5G. Así, se ha introducido un nuevo paradigma de redes, las WPCN [55] que integra dos paradigmas: WPT y comunicaciones inalámbricas. Esto abrirá el camino a una serie de investigaciones futuras relacionadas con las arquitecturas generales de los sistemas y con el desarrollo de soluciones de hardware y software capaces de explotar la energía disponible y minimizar su consumo, teniendo en cuenta no sólo el impacto de la densidad de usuarios y su movilidad, sino también para posibles problemas regulatorios. De hecho, los principales desafíos para las WPCN serán adaptarse a la baja potencia inalámbrica disponible en largas distancias, así como a la complejidad que implica la transferencia conjunta de información y energía inalámbrica a través de la misma red. Estos desafíos abrirán el camino para una mayor exploración de la ya rica literatura sobre procesamiento de señales combinada con soluciones inteligentes de formación de haces. 

Reconocimiento

 Este trabajo fue financiado en parte por el Proyecto Operativo Regional HABITAT (Asistencia en el Hogar Basado en Internet de las Cosas para la Autonomía de Todos) apoyado por la UE (http://www.habitatproject.info) y por la acción COST IC1301 WiPE (Wireless Power Transmisión para Electrónica Sostenible) (http://www .cost-ic1301.org/)

.

Figura 14. (a) Distorsión del rendimiento de filtrado y adaptación de UHF durante la modulación UWB. (b) La inserción UWB pérdida para diferentes niveles de potencia de RF incidente [55]. SC: cortocircuito; OC: circuito abierto.

References

 [1] L. Roselli, N. B. Carvalho, F. Alimenti, P. Mezzanotte, G. Orecchini, and M. Vi. “Smart surfaces: Large area electronics systems for Internet of Things enabled by energy harvesting,” Proc. IEEE, vol. 102, no. 11, pp. 1723–1746, Nov. 2014.

 [2] M. Magno, V. Jelicic, B. Srbinovski, V. Bilas, E. Popovici, and L. Benini, “Design, implementation, and performance evaluation of a flexible low-latency nanowatt wake-up radio receiver,” IEEE Trans. Ind. Inform., vol. 12, no. 2, pp. 633–644, Apr. 2016. 

[3] D. Bandyopadhyay and J. Sen, “Internet of Things: Applications and challenges in technology and standardization,” Wireless Pers. Commun., vol. 58, no. 1, pp. 49–69, 2011. 

[4] M. R. Palattella, M. Dohler, A. Grieco, G. Rizzo, J. Torsner, T. Engel, and L. Ladid. “Internet of Things in the 5G Era: Enablers, architecture, and business models,” IEEE J. Sel. Area. Commun., vol. 34, no. 3, pp. 510–527, Mar. 2016. 

[5]E. Hossain, M. Rasti, H. Tabassum, and A. Abdelnasser, “Evolution toward 5G multi-tier cellular wireless networks: An interference management perspective,” IEEE Wireless Commun., vol. 21, no.  3, pp. 118–127, June 2014. 

[6] S. Bi, C. K. Ho, and R. Zhang, “Wireless powered communication: opportunities and challenges,” IEEE Commun. Mag., vol. 53, no. 4, pp. 117–125, Apr. 2015. 

[7]N. S. Jeong and F. Carobolante, “Enabling wireless power transfer though a metal encased handheld device,” in Proc. IEEE Wireless Power Transfer Conf., Aveiro, 2016, pp. 1–3. 

[8] M. Fantuzzi, D. Masotti, and A. Costanzo, “A novel integrated UWB–UHF one-port antenna for localization and energy harvesting,” IEEE Trans. Antennas. Propagat., vol. 63, no. 9, pp. 3839–3848, Sept. 2015. 

[9] C. Edwards, “Smart dust,” Eng.Technol., vol. 7, no. 6, pp. 74–77, July 2012. 

[10] M. Del Prete, A. Costanzo, D. Masotti, T. Polonelli, M. Magno, and L. Benini, “Experimental analysis of power optimized waveforms for enhancing wake-up radio sensitivity,” in Proc. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp., San Francisco, CA, 2016, pp. 1–4. 

[11] A. Costanzo and D. Masotti, “Wirelessly powering: An enabling technology for zero-power sensors, IoT and D2D communication,” in Proc. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp., Phoenix, AZ, 2015, pp. 1–4. 

[12] National Italian Project PRIN-GRETA. (2012-2015). GREen TAgs and sensors with ultra-wideband identification and localization capabilities [Online]. Available: http://www.greentags.eu/ 

[13] O. Galinina, H. Tabassum, K. Mikhaylov, S. Andreev, E. Hossain, and Y. Koucheryavy, “On feasibility of 5G-grade dedicated RF charging technology for wireless-powered wearables,” IEEE Wireless Commun., vol. 23, no. 2, pp. 28–37, Apr. 2016.

 [14] K. Huang, C. Zhong, and G. Zhu, “Some new research trends in wirelessly powered communications,” IEEE Wireless Commun., vol. 23, no. 2, pp. 19–27, Apr. 2016. 

[15] A. Costanzo and D. Masotti, “Smart solutions in smart spaces: Getting the most from far-field wireless power transfer,” IEEE Microwave Mag., vol. 17, no. 5, pp. 30–45, May 2016. 

[16] A. Boaventura, D. Belo, R. Fernandes, A. Collado, A. Georgiadis, and N. Borges Carvalho, “Boosting the efficiency: Unconventional waveform design for efficient wireless power transfer,” IEEE Microwave Mag., vol. 16, no. 3, pp. 87–96, Apr. 2015. 

[17] Y. Shen, C. Jiang, T. Q. S. Quek, and Y. Ren, “Location-aware device communication design: exploration and exploitation on energy,” IEEE Wireless Commun., vol. 23, no. 2, pp. 46–52, Apr. 2016. –12 –10 –8 –6 –4 –2 0 800 820 840 860 880 900 920 (dB) Frequency (MHz) –12 –10 –8 –6 –4 –2 0 800 820 840 860 880 900 920 (dB) –12 –10 –8 –6 –4 –2 0 (dB) Frequency (MHz) Frequency (MHz) (a) (b) S11 (50 Ω) S11 (SC) S11 (OC) S21 (50 Ω) S21 (SC) S21 (OC) 2,500 3,000 3,500 4,000 4,500 5,000 Pin = –10 dBm Pin = 0 dBm Pin = 10 dBm Figure 14. (a) The UHF matching and filtering performance distortion during the UWB modulation. (b) The UWB insertion loss for different incident RF power levels 

[55]. SC: short circuit; OC: open circuit. 136 May 2017 

[18] V. Rizzoli, D. Masotti, N. Arbizzani, and A. Costanzo, “CAD procedure for predicting the energy received by wireless scavenging systems in the near- and far-field regions,” in Proc. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest, Anaheim, CA, 2010, pp. 1768–1771. 

[19] EU-Supported Regional Operative Project HABITAT. (2016-2018). Home assistance based on the Internet of Things for the autonomy [Online]. Available: http://www.habitatproject.info/ 

[20] J. L. Gómez-Tornero, M. Poveda-García, R. Guzmán-Quirós, and J. C. Sánchez-Arnause, “Design of Ku-band wireless power transfer system to empower light drones,” in Proc. IEEE Wireless Power Transfer Conf., Aveiro, 2016, pp. 1–4. 

[21] D. Masotti, A. Costanzo, M. Del Prete, and V. Rizzoli, “Timemodulation of linear arrays for real-time reconfigurable wireless power transmission,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 64, no. 2, pp. 331–342, Feb. 2016. 

[22] G. Chattopadhyay, H. Manohara, M. Mojarradi, T. Vo, H. Mojarradi;, S. Bae, and N. Marzwell., “Millimeter-wave wireless power transfer technology for space applications,” in Proc. Asia-Pacific Microwave Conf., Macau, 2008, pp. 1–4. 

[23] M. Nariman, F. Shirinfar, A. Papió Toda, S. Pamarti, A. Rofougaran, and F. De Flaviis, “A compact 60-GHz wireless power transfer system,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 64, no. 8, pp. 2664–2677, Aug. 2016. 

[24] S. Mao, J. Zhang, K. Song, G. Wei, and C. Zhu, “Wireless power transfer using a field-enhancing coil and a small-sized receiver with low coupling coefficient,” IET Power Electron., vol. 9, no. 7, pp. 1546–1552, Aug. 2016. 

[25] K. F. Warnick, R. B. Gottula, S. Shrestha, and J. Smith, “Optimizing power transfer efficiency and bandwidth for near field communication systems,” IEEE Trans. Antennas. Propagat., vol. 61, no. 2, pp. 927–933, Feb. 2013. 

[26] F. Mastri, A. Costanzo, and M. Mongiardo, “Coupling-independent wireless power transfer,” IEEE Microwave Wireless Compon. Lett., vol. 26, no. 3, pp. 222–224, Mar. 2016. 

[27] B. W. Flynn and K. Fotopoulou, “Rectifying loose coils: Wireless power transfer in loosely coupled inductive links with lateral and angular misalignment,” IEEE Microwave Mag., vol. 14, no. 2, pp. 48–54, Mar./Apr. 2013. 

[28] A. Costanzo, M. Dionigi, D. Masotti, M. Mongiardo, G. Monti, L. Tarricone, and R. Sorrentino, “Electromagnetic energy harvesting and wireless power transmission: A unified approach,” Proc. IEEE, vol. 102, no. 11, pp. 1692–1711, Nov. 2014. 

[29] A. Pacini, F. Mastri, R. Trevisan, D. Masotti, and A. Costanzo, “Geometry optimization of sliding inductive links for positionindependent wireless power transfer,” in Proc. IEEE Int. Microwave Symp., San Francisco, CA, 2016, pp. 1–4. 

[30] J. Kim, D. H. Kim, J. Choi, K. H. Kim, and Y. J. Park, “Free-positioning wireless charging system for small electronic devices using a bowl-shaped transmitting coil,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 63, no. 3, pp. 791–800, Mar. 2015. 

[31] S. Yoshida, N. Hasegawa, and S. Kawasaki, “Experimental demonstration of microwave power transmission and wireless communication within a prototype reusable spacecraft,” IEEE Microwave Wireless Compon. Lett., vol. 25, no. 8, pp. 556–558, Aug. 2015. 

[32] H. Tonomura, J. Miyakoshi, and N. Shinohara, “Researches of microwave safety issue of wireless power transfer technology for commercial vehicles,” in Proc. 9th European Conf. Antennas and Propagation, Lisbon, 2015, pp. 1–4. 

[33] A. Yakovlev, S. Kim, and A. Poon, “Implantable biomedical devices: Wireless powering and communication,” IEEE Commun. Mag., vol. 50, no. 4, pp. 152–159, Apr. 2012. 

[34] A. S. Y. Poon, S. O’Driscoll, and T. H. Meng, “Optimal frequency for wireless power transmission into dispersive tissue,” IEEE Trans. Antennas. Propagat., vol. 58, no. 5, pp. 1739–1750, May 2010. 

[35] Z. Popovic, “Cut the cord: Low-power far-field wireless powering,” IEEE Microwave Mag., vol. 14, no. 2, pp. 55–62, Mar./Apr. 2013. 

[36] A. Costanzo, A. Romani, D. Masotti, N. Arbizzani, and V. Rizzoli, “RF/baseband co-design of switching receivers for multiband microwave energy harvesting,” Sens. Actuators A Phys., vol. 179, no. 1, pp. 158–168, Mar. 2012. 

[37] H.J. Visser, A.C.F. Reniers, and J.A.C. Theeuwes, “Ambient RF energy scavenging: GSM and WLAN power density measurements,” in Proc. 38th European Microwave Conf., Oct. 2008, pp. 721–724. 

[38] M. Pinuela, P. D. Mitcheson, and S. Lucyszyn, “Ambient RF energy harvesting in urban and semi-urban environments,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 61, no. 7, pp. 2715–2726, July 2013. 

[39] A. Costanzo, D. Masotti, A. Romani, and M. Tartagni, “Energy scavenging and storage for RFID systems”, chapter in book,” in Green RFID Systems, L. Roselli, Ed. Cambridge, U.K.: Cambridge Univ. Press, Sept. 2014. 

[40] R. Zhang and C. K. Ho, “MIMO broadcasting for simultaneous wireless information and power transfer,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 12, no. 5, pp. 1989–2001, May 2013. 

[41] R. Trevisan and A. Costanzo, “A UHF near-field link for passive sensing in industrial wireless power transfer systems,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 64, no. 5, pp. 1634–1643, May 2016. 

[42] J. Wu, C. Zhao, Z. Lin, J. Du, Y. Hu, and X. He, “Wireless power and data transfer via a common inductive link using frequency division multiplexing,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 62, no. 12, pp. 7810–7820, Dec. 2015. 

[43] S. Radiom, M. Baghaei-Nejad, K. Aghdam, G. A. E. Vandenbosch, L. R. Zheng, and G. G. E. Gielen, “Far-field on-chip antennas monolithically integrated in a wireless-powered 5.8-GHz downlink/UWB Uplink RFID Tag in 0.18- μm standard CMOS,” IEEE J. Solid-State Circuits., vol. 45, no. 9, pp. 1746–1758, Sept. 2010. 

[44] M. Del Prete, F. Berra, A. Costanzo and D. Masotti, “Exploitation of a dual-band cell phone antenna for near-field WPT,” in Proc. IEEE Wireless Power Transfer Conf., Boulder, CO, 2015, pp. 1–4. 

[45] M. Del Prete, F. Berra, A. Costanzo, and D. Masotti, “Seamless exploitation of cell-phone antennas for near-field wpt by a frequency-diplexing approach,” IET Microwave Antenna Propagat., pp. 1–16, Nov. 2016. 

[46] B. Clerckx and E. Bayguzina, “Waveform design for wireless power transfer,” IEEE Trans. Sig. Process., vol. 64, no. 23, pp. 6313–6328, Dec. 2016. 

[47] Y. Liu, L. Wang, S. A. Raza Zaidi, M. Elkashlan, and T. Q. Duong, “Secure D2D communication in large-scale cognitive cellular networks: A wireless power transfer model,” IEEE Trans. Commun., vol. 64, no. 1, pp. 329–342, Jan. 2016. 

[48] D. Zhang, Z. Zhou, S. Mumtaz, J. Rodrigues, and T. Sato, “One integrated energy efficiency proposal for 5G IoT communications,” IEEE Internet Things J., vol. 3, no. 6, pp. 1346–1354, Aug. 2016. 

[49] X. Zhou, R. Zhang, and C. K. Ho, “Wireless information and power transfer: Architecture design and rate-energy tradeoff,” IEEE Trans. Commun., vol. 61, no. 11, pp. 4754–4767, Nov. 2013. 

[50] A. S. Boaventura and N. B. Carvalho, “Evaluation of simultaneous wireless power transfer and backscattering data communication through multisine signals,” in Proc. IEEE Wireless Power Transfer Conf., Boulder, CO, 2015, pp. 1–3. 

[51] C. C. Cruz, J. R. Costa, and C. A. Fernandes, “Hybrid UHF/UWB antenna for passive indoor identification and localization systems,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 61, no. 1, pp. 354–361, Jan. 2013. 

[52] M. Pigeon, R. D’Errico, and C. Delaveaud, ““UHF-UWB tag antenna for passive RFID applications,” in Proc. 7th European Conf. Antennas and Propagation, 2013, pp. 3968–3972. 

[53] A. Ramos, A. Lazaro, and D. Girbau, “Semi-passive time-domain UWB RFID system,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 61, no. 4, pp. 1700–1708, Apr. 2013. 

[54] D. Dardari, R. D’Errico, C. Roblin, A. Sibille, and M. Win, “Ultrawide bandwidth RFID: The next generation?” Proc. IEEE, vol. 98, no. 9, pp. 1570–1582, Aug. 2010. 

[55] M. Fantuzzi, D. Masotti, and A. Costanzo, “Simultaneous UHF energy harvesting and UWB-RFID communication,” in Proc. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp., May 2015, pp. 1–4. 

[56] D. Niyato, D. I. Kim, Z. Han, and M. Maso, “Wireless powered communication networks: architectures, protocol designs, and standardization,” IEEE Wireless Commun., vol. 23, no. 2, pp. 8–9, 2016.