제로 전력 무선 블랙 기술, 사물의 인터넷의 구세주?

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사물의 인터넷이 발전함에 따라 센서가 일상생활에 점점 더 많이 분포될 것이다. 센서는 곳곳에 분포되어 있으며, 일반적으로 최소 1 년 동안 배터리를 교체하지 않도록 보장해야 합니다 (특히 인체에 이식된 센서는 배터리 교체 비용과 안전성에 문제가 있음). 또한 센서의 비용과 크기 문제로 인해 센서의 내장 배터리도 너무 클 수 없습니다.

임베디드 소 코: 초 저전력 RF 회로 통신

임베디드 소 문제: 제로 전력 무선 블랙 기술, 사물의 인터넷의 구세주?

반면 센서에서 수집한 정보를 전송하기 위해 센서는 일반적으로 무선 연결을 사용하여 중앙 노드와 통신해야 합니다. 그러나 기존의 무선 집적 회로는 전력 소비량이 낮지 않아 배터리 전력을 너무 빨리 소모한다. 따라서 IOT 센서를 더욱 확대하기 위해서는 새로운 초저전력 무선 회로를 설계할 필요가 있다.

신호 전송은 정말로 무선 주파수 신호를 전송해야 합니까?

초 저전력 RF 회로 설계 방법? 우리는 사물인터넷 무선 회로의 전력 소비량을 분석해 볼 수 있다. 첫째, 사물의 인터넷에서 센서 노드로서 주로 정보를 보내고 수신자는 주로 일부 제어 정보이므로 발신자가 더 자주 사용합니다. 둘째, 현재 주류 무선 충실도에는 최소 0dBm 의 송신 전력인 1 mW 가 필요합니다. 송신기의 전체 효율이 약 10% 인 것을 감안하면 전체 전력 소비량은 최소한 10mW 이상이며, 이 전력 소비량은 사물인터넷 센서 응용에서 너무 커서 방법을 강구해야 한다.

그렇다면 송신기의 전력 소비량을 어떻게 줄일 수 있을까요? 일반적인 회로 최적화로 효율성을 높이는 것 외에 전력 소비량을 줄일 수 있는 방법은 무엇입니까? 먼저 정보 전달의 물리적 기초를 살펴 보겠습니다. 정보론과 물리학에 따르면 한 정보를 전송하는 데 필요한 에너지는 kTln2 로 실온에서 약 2.75* 10-2 1 줄, 무선 전송에서 각1*/; 그래서 우리를 제한하는 것은 물리학의 기본 법칙이 아니라 공사 중 신호 전송 방식의 설계다.

무선 신호를 전송할 때 센서가 무선 주파수 신호를 전송할 필요가 있는지 다시 한 번 생각해 보는 것이 어떻겠습니까? (윌리엄 셰익스피어, 무선, 무선, 무선, 무선, 무선, 무선, 무선, 무선) 일상생활에서는 에너지를 소비하지 않는 신호 전송 방식이 있다. 내비게이션과 야외 탐사에 사용되는 태양광 신호경은 서로 다른 각도의 태양광을 반사하여 정보를 전달한다. (존 F. 케네디, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 과학명언) 여기서 신호의 전달체는 태양빛이지만, 태양열은 신호를 전송하는 사람이 보낸 것이 아니라 제 3 자의 태양으로 제공된다. 그래서 우리는 제 3 자를 통해 에너지를 공급하여 신호를 전송할 수 있습니다.

햇빛 정보경은 제 3 자 (태양) 가 제공하는 에너지를 정보 전달체로 활용하므로 정보를 전달하는 사람은 스스로 정보를 전달할 필요가 없다.

패시브 wifi-무선 전송은 거의 제로 전력 소비입니다

앞서 나는 태양광을 이용하여 에너지를 공급하지 않고 신호를 전송할 수 있는 예를 언급했다. 사실 태양광과 우리의 일반적인 무선 통신은 모두 전자파를 사용하기 때문에 태양광 반사기를 무선 통신에 이식할 수 있다.

이 방법은 위성 통신에 가장 먼저 사용되었다. 위성 통신에서 위성이 지상 기지국에서 멀리 떨어져 있고 신호 감쇠가 크기 때문에 매우 강한 신호 송신 전력이 필요합니다. 분명히, 지상에서는 위성보다 고전력을 더 쉽게 전송할 수 있다. 따라서 엔지니어들의 해결책은 위성에 반사광을 조절할 수 있는 반사기를 설치하고 지면은 고전력 신호 (조명 신호) 를 발사하는 것이다. 송신기는 반사기의 각도를 변경하여 반사 신호를 조절하여 정보를 방출할 수 있습니다. 예를 들어, 위성은 지면에서 온 신호를 완전히 반사하여 1 을 나타내고, 전혀 반사되지 않으면 0 을 나타내므로 위성이 무선 신호를 발사하지 않고 무선 전송을 할 수 있습니다. 여기에서, 지상에 발사 역은 태양 거울의 예에 있는 태양과 동등 하, 인공위성에 거울은 거울과 동등 하다.

사물인터넷이 보급됨에 따라 전송 신호를 반사하는 방법도 센서 분야에 진입하기 시작했다. 워싱턴대학교 컴퓨터과학과 공학과 교수인 Shyam GollakotaJoshua 와 R. Smith 는 Interscatter 의 개념을 제시하고 SIGCOMM 에 연구결과를 발표했다. Interscatter 의 생각은 앞서 언급한 햇빛 정보경, 위성 반사통신과 동일하며 반사를 통해 정보를 전달한다. 일반적인 적용 예는 다음 그림과 같습니다. 배터리 간 칩은 체내에 이식된 센서나 RFID 같은 칩으로 초저전력 소모가 필요하다. 시계나 블루투스 헤드셋과 같은 외부 장치는 무선 주파수 신호 (조명 신호) 를 방출합니다. 배터리 간 칩은 안테나의 임피던스를 변경하여 반사 신호를 조절하며, 반사 신호는 휴대폰에 의해 수신되어 배터리 간 칩이 전송하는 정보를 얻습니다. 전체 과정에서 Interscatter 칩은 무선 주파수 신호를 전송하지 않고 비트스트림을 안테나 임피던스 변조로 변환하기만 하면 전력 소비량이 매우 낮을 수 있습니다.

Interscatter 칩은 장면 다이어그램을 사용하여 외부 장치에서 무선 주파수 신호를 전송하며, Interscatter 칩은 안테나 임피던스를 변경하여 반사 신호를 변조하여 정보 전송을 완료합니다. 전체 과정에서 산란 칩은 무선 주파수 신호를 생성하지 않습니다.

Interscatter 이후 워싱턴 대학의 연구팀은 이 개념을 와이파이 (WiFi) 로 확장하고, 패시브 와이파이 (WiFi) 를 제시하고, 와이파이 라우터를 통해 무선 주파수 신호를 전송하며, 패시브 와이파이 칩은 안테나 임피던스만 조절하면 와이파이 프로토콜을 통해 라우터와 통신할 수 있다. 무선 주파수 신호 전송 링크가 생략되었기 때문이다. 칩의 전력 소비량은 주로 주파수 합성기와 안테나 변조 모듈에서 비롯됩니다 (아래 그림 참조). 이를 통해 패시브 WiFi 는 최대 1 1Mbps 의 통신 속도를 얻을 수 있으며 전력 소비량은 50uW 에 불과합니다. -응?

패시브 WiFi

회로 시스템 설계에서 패시브 wifi 의 기본 프로세스는 중앙 무선 소스 (라우터 등) 입니다. ) 수동 wifi 칩에 무선 주파수 신호를 보내려면 빔 방향을 정확하게 제어해야 합니다. 그렇지 않으면 여러 개의 수동 wifi 칩이 동시에 반사되어 상호 간섭을 일으킬 수 있으므로 무선 주파수 소스에 빔 포밍 기술이 필요합니다. 하지만 빔이 매번 정확할 수는 없기 때문에 또 다른 수동 wifi 시스템의 과제는 다중 채널 반사와 환경 반사입니다. 이 문제를 해결하기 위해 UC 로스앤젤레스 분교 전자공학과 교수 Frank Chang 이 이끄는 실험실은 미국 항공우주국 /JPL 과 협력하여 칩을 완성했다. 이 프로젝트는 반사 개념을 기반으로 최대 54Mbps 의 데이터 전송 속도를 가진 칩셋 (송신기 및 반사기 포함) 을 구현합니다. 동시에 칩셋은 이퀄라이제이션 기술을 이용하여 멀티플렉싱 문제를 해결할 수 있다. 따라서 패시브 WiFi 는 저전력 통신뿐 아니라 데이터 속도에서도 기존 WiFi 와 비교할 수 있습니다. 구체적인 논문' 기호 사전 왜곡과 송신 펄스 성형이 있는 WLAN 용 5.8GHz 54 MB/s 역산광기' 가 IEEE 마이크로웨이브 무선 구성 요소 속보에 발표됐다.

UCLA 와 JPL 이 구현하는 칩셋은 송신기와 반사기의 두 부분으로 구성됩니다.

물론 수동 WiFi 에도 한계가 있습니다. 현재 패시브 와이파이에 가장 적합한 장면은 포인트 투 포인트 통신으로, 조명 신호의 활용도를 극대화하고 다양한 패시브 와이파이 반사의 상호 간섭을 줄일 수 있습니다. 따라서 여러 노드가 동시에 통신해야 하는 경우에는 수동 WiFi 가 최선의 선택이 아닙니다. 또한 패시브 WiFi 는 수신기의 전력 소비량을 줄일 수 없습니다. 요약하면, 패시브 WiFi 에 가장 적합한 응용 프로그램 시나리오는 송신기의 가장 중요한 부분이며 노드 간 통신이 필요하지 않은 사물인터넷 센서입니다. 미래에는 여러 노드가 동시에 통신할 수 있도록 CDMA 와 같은 기술을 사용할 수 있습니다.