RF energiutvinning för nollenergienheter och omkonfigurerbara intelligenta ytor

QC 20240214

Abstract

Ökningen av antalet Internet of Things (IoT)-nätverk har gjort batteri-byte i IoT-enheter alltmer utmanande. Detta problem är särskilt besvärligt i scenarier med ett stort antal IoT-enheter, på platser där IoT-enheter är svåra att komma åt, eller när frekventa batteribyten är nödvändiga. Risken att förlora eller glömma bort vissa IoT-enheter finns också, vilket leder till en risk för farligt kemiskt läckage och elektronikskrot i naturen. Trådlös energiöverföring(eng. wireless power transfer, WPT) via radiofrekvens-signaler erbjuder en alternativ lösning för att strömförsörja dessa enheter. När en trådlösa sändare skickar signaler når mindre än en miljondel av energin till de tilltänkta mottagarna,medan resten absorberas av omgivningen. Denna situation skapar möjligheten att utnyttja befintlig trådlös infrastruktur, såsom basstationer,för att ladda IoT-enheter med WPT-teknik. I denna avhandling fokuserar vi på att analysera genomförbarheten och begränsningarna av batterilös drift av IoT-enheter med radiofrekvens-WPT-teknologi, tillsammans med energi utvinningfrån befintlig trådlös kommunikationsinfrastruktur. Vi utforskar energiförsörjning av IoT-enheter både i inomhus- och utomhusscenarier.

Först utforskar vi en utomhusmiljö där en IoT-enhet periodiskt skördar energi från befintliga basstationers signaler och använder den till att sända datapaket relaterade till sensormätningar. Vi analyserar täckningsområdet runten basstation för energiutvinning, vilket visar en avvägning mellan räckvidd och sensormätningens frekvens. Vi jämför WPT-lösningen med batteridrivna teknologier. Därefter analyserar vi täckningssannolikheten i ett fall medmånga basstationer. Detta är sannolikheten att en slumpmässigt placeradIoT-enhet kan skörda tillräckligt med kraft för sin drift. Vi härleder ett uttryck för denna sannolikhet för en given mätningfrekvens.

Därefter analyserar vi energiförsörjning till IoT-enheter inuti ett flygplan.Kabelanslutna sensorer adderar vikt och underhållskostnader till flygplan.Även om kostnaderna minskar ifall datakablar ersätts med trådlös kommunikation så krävs fortfarande strömkablar, men dessa kan eventuellt ersättasmed WPT. Vi antar att IoT-enheterna har förutbestämda placeringar inuti ett flygplan. Målet är att minimera antalet WPT-sändare med hänsyn till kabinens geometri och IoT-enheternas driftcykler. Vi adresserar WPT systemdesign under kanalosäkerheter genom robust optimering.

Efter detta vänder vi vår uppmärksamhet mot energiutvinning för en omkonfigurerbar intelligent yta (eng. reconfigurable intelligent surface, RIS). De potentiella fördelarna med RIS jämfört med traditionella reläer när det gäller att förbättra trådlös täckning har debatterats i tidigare arbeten, under antagandet att båda teknikerna är kabelanslutna till en strömkälla. Jämförelsen blir en annan ifall vi kan göra RIS självförsörjande, eftersom detta inte är möjligt för reläer. Därför utforskar vi trådlös energiutvinning för RIS och föreslår en algoritm för fasjustering för att maximera energiutvinning från radiofrekvens-signaler baserat på energimätningar.

Slutligen utforskar vi laddning av nollenergienheter (eng. zero-energy devices,ZED) med stöd av en RIS som reflekterar signaler mot enheterna. Föratt motverka utbredningsförlusterna i WPT krävs traditionellt stora gruppantennerpå basstationen, vilket leder till ökad hårdvarukomplexitet, eftersomivdet kräver en radio per antennelement. Alternativt erbjuder RIS hög lobformningsvinstmed enklare hårdvara. Därför analyserar vi RIS-assisterad WPTladdningav ZED. Vi utvecklar dynamiska algoritmer för batterimedvetna ochkömedvetna scenarier där vi justerar RIS-faser och sändningseffekten för attuppfylla kraven.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-343226