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物联网后向散射系统的关键技术之能量捕获技术探讨

作者:本站收录
来源:网络
日期:2020-02-03 13:51:51
摘要:能量捕获技术给无源通信插上了翅膀。从环境中获取的能量可以给后向散射系统提供计算的支持,如FPGA、MSP430等供电(当然,流片之后这些器件变成微电路,功耗会大大降低)。

后向散射系统目前受到国内外学术界和工业界的广泛关注,是Sigcomm、NSDI、Mobicom等国际顶级会议上的持续热点和焦点。我国国家自然科学基金委从2014年开始,相继在该领域设置了“无源感知网络基础理论与关键技术”“无源传输网络基础理论与关键技术”等重点项目,用以资助对无源物联网基础理论与关键技术的深入研究。其中,低功耗、高吞吐、远距离是后向散射通信系统需要解决的三个核心问题,下面针对其解决方案相关的关键技术分别进行阐述。

能量捕获技术给无源通信插上了翅膀。从环境中获取的能量可以给后向散射系统提供计算的支持,如FPGA、MSP430等供电(当然,流片之后这些器件变成微电路,功耗会大大降低)。同时,能量捕获可以十分方便地扩展其功能,例如对传感器供电,可以更为方便地感知数据。

目前,能量捕获研究主要聚焦从射频、光、振动、风、热、磁场、温度以及压力变化获取能量。其中,环境中泛在的电磁波源于电台广播、蜂窝基站、Wi-Fi以及RFID等物联网设备,可以成为后向散射系统最广泛的能量来源之一。射频能量捕获技术通过天线获取环境中存在的射频能量。为了提高能量转换效益,通常会增加阻抗匹配模块,接收的能量既可以直接用在射频(RF)负载上,也可以用于RFDC整流器上,整流器将接收到的射频能量通过整流电路转换成直流电,提供给负载。

英特尔(Intel)公司提出射频能量捕获技术,华盛顿大学(University of Washington)基于该技术实现无线识别和感知平台(Wireless Identification Sensing Platform,WISP),通过设计节点的天线阻抗匹配,使节点电路的频率与接收信号的频率匹配,最大化地捕获RFID的射频信号作为能量。现有射频能量捕获技术大多针对窄带宽信号,一旦节点部署环境改变,环境中信号中心频率发生变化,能量捕获效率会急剧下降甚至能量捕获失效,对此,宽频信号能量捕获技术的研究意义深远。同时,射频能量捕获技术在植入体内医疗设备、可穿戴低功耗设备等领域都有广泛的应用前景,也取得了一定的研究进展。

目前,射频能量捕获技术还存在较大的完善空间:(1)射频信号在远距离传输中衰减较大,且仅能近距离充电,无法满足能量捕获阈值要求,对于持续数据发送难以保障;(2)天线的小型化往往会带来增益和带宽的下降,从而使可收集的电磁功率下降;(3)某些环境中射频信号源稀缺场景下,利用无人机挂载射频信号源巡航,将极大地弥补现有能量捕获技术的不足。