Tecnologías de RF para Comunicaciones Inalámbricas de Baja Potencia: Retrodispersión Ambiental

Tv Antennas

Me encantan las reuniones familiares, sin embargo, con cuarenta miembros en mi gran familia, las reuniones pueden ser un poco agitadas. Ya sea que estemos jugando a las cartas, nadando o en la mesa siempre hay alguien contando chistes e historias. De hecho, la mayoría de la gente está intentando hablar, así que a veces tienes que gritar para que te escuchen. También puede ser difícil comunicarse en el espectro electromagnético. Tus dispositivos a menudo tienen que "gritar" sus propias señales al vacío para transmitir datos. Esa transmisión requiere electrónica y energía para la que algunos dispositivos no tienen espacio o duración de la batería. Un grupo de investigación de la Universidad de Washington está intentando abordar esos problemas comunicándose a través de una retrodispersión ambiental. Este método podría reducir los circuitos y la potencia necesarios para transmitir datos en varios órdenes de magnitud. Si la retrodispersión ambiental realmente se puede utilizar para redes inalámbricas, sería extremadamente útil para grandes redes de sensores de Internet de las Cosas.

Retrodispersión ambiental

Como ingenieros, sabemos que el mundo que nos rodea está lleno de señales electromagnéticas, muchas de ellas generadas por dispositivos que diseñamos. Estas transmisiones pueden ser detectadas e incluso recolectadas por otros dispositivos. También pueden interferir con receptores no deseados, por lo que la FCC se pone tan delicada con las pruebas de emisiones radiadas. Sin embargo, estos investigadores han encontrado una manera de aprovechar las señales ambientales en el aire y usarlas para comunicar información entre dispositivos.

Recientemente se ha hablado mucho sobre el reemplazo de baterías en sensores y dispositivos IoT con sistemas de recolección de energía. Algunas personas incluso han afirmado que las señales de RF de alta energía, como las transmisiones de estaciones de TV, se pueden recolectar para alimentar dispositivos. Esta idea no es totalmente práctica por diversas razones. Sin embargo, una de los principales es que simplemente no hay suficiente potencia. Deberías poder alimentar un microprocesador, un sensor y una conexión inalámbrica al menos, y posiblemente incluso memoria. Hay procesadores, sensores y memoria de baja potencia, pero las conexiones inalámbricas tienen un precio. Es decir, hasta que la retrodispersión ambiental entre en la ecuación.

La retrodispersión ambiental se puede usar para transmitir señales utilizando significativamente menos energía que los módulos inalámbricos convencionales. Funciona modulando las señales de RF que ya están en el aire para comunicar datos. Así que, en lugar de recibir una señal y luego crear una respuesta, una PCB de retrodispersión ambiental podría simplemente modular y redirigir una señal cercana sin tener que crear la suya propia. Esto resuelve el problema de necesitar chips inalámbricos que consumen mucha energía y abre la posibilidad de operar dispositivos IoT utilizando energía de RF recolectada.

 
Wireless tag for RFID

La retrodispersión ambiental actúa de manera similar a una etiqueta RFID, pero sin un transmisor dedicado.

Prueba de Concepto

El grupo de investigación de la Universidad de Washington no solo teorizó acerca de este sistema, sino que en realidad lo creó. Para hacer esto, diseñaron una PCB bastante simple que puede recolectar energía, recibir y transmitir señales.

Un factor principal en el uso de la retrodispersión ambiental es elegir qué señales de RF deseas usar. Deseas una señal con alta potencia, para el recolector de energía, y eso también es constante, lo que permitirá la comunicación. Por lo tanto, los investigadores decidieron aprovechar las estaciones de televisión. Siempre están encendidas, tienen una gran cobertura y usan una señal muy fuerte. Otro punto importante es que las señales de TV y los receptores tienen en cuenta la distorsión por trayectos múltiples. Cuando retrodispersas una señal, estás interfiriendo deliberadamente con esa señal. Aparentemente, esto no es técnicamente ilegal porque estos dispositivos solo modulan y reflejan las señales existentes, pero en realidad no "transmiten". Legal o no, no deberías probar esto con una señal que no pueda manejar la interferencia.

Ahora veamos su dispositivo. Utiliza una sola antena para recolectar energía, transmitir y recibir, un diseño eficiente. Para la transmisión, la placa modula la impedancia de la antena para distorsionar y reflejar las señales de TV. El grupo quería recibir señales sin usar componentes hambrientos de energía como ADC u osciladores. En cambio, utilizaron un receptor digital tradicional y teorizaron uno analógico de ultra baja potencia. Diferencian sus señales reflejadas de las transmisiones originales al verificar las velocidades de datos. Sus señales moduladas se transmiten mucho más lentamente que las estaciones de TV y la antena, por lo que pueden afinar su señal y decodificarla. Usando estos componentes, los investigadores pudieron transmitir datos entre dispositivos de retrodispersión ambiental. Eso significa que esta tecnología podría permitir una comunicación de máquina a máquina de muy baja potencia.

 
American football on a TV screen

Ahora puedes ayudar a tu dispositivo a hacer su trabajo simplemente mirando la televisión.

Aplicaciones

Hay más aplicaciones para esta tecnología que miembros en mi familia. Algunos de los más interesantes son los portátiles, el IoT e incluso el procesamiento de pagos.

  • Portátiles - Actualmente, si deseas comparar recuentos de pasos con alguien, tu dispositivo deberá cargar esos recuentos en un servidor y luego tu dispositivo tendrá que descargarlos. Con este tipo de tecnología, tus dispositivos portátiles podrían comunicarse directamente entre sí, lo que permite un enfoque más orgánico para la transmisión de datos.

  • El IoT - El Internet de las Cosas tendrá grandes redes de sensores de baja potencia que deberán comunicarse entre sí. Al utilizar este tipo de sistema, estos sensores podrían usar mucha menos energía, lo que llevaría a un sistema más eficiente y confiable.

  • Procesamiento de Pago - Este último ejemplo es del estudio mismo. Crearon “pases de autobús” que podían transmitir dinero directamente de una tarjeta a otra. Imagina poder pagarle a alguien electrónicamente sin necesidad de una señal móvil o WiFi.

Esta tecnología será increíblemente útil en el futuro cercano. No solo permite la comunicación de dispositivo a dispositivo sin el uso de módulos inalámbricos. También podría permitir una generación de dispositivos sin batería que pueden recolectar energía del aire. La Universidad de Washington ya nos ha mostrado cómo se puede hacer esto y nos ha proporcionado algunas ideas sobre formas aún más eficientes de usar la dispersión ambiental. Todo, desde el IoT hasta nuestras tarjetas de crédito, podría hacer uso de este sistema de comunicación.

Si has querido diseñar un dispositivo IoT de potencia ultra baja pero estabas preocupado por la transmisión de datos, es posible que hayas encontrado una varita mágica. Eso significa que es hora de comenzar a diseñar, y si quieres hacerlo bien, deberás utilizar un excelente software de diseño de PCB. CircuitStudio® está a la vanguardia del diseño de PCB y puede ayudarte a hacer realidad tus sueños con su amplia gama de excelentes herramientas.

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