物聯網后向散射系統的關鍵技術之能量捕獲技術探討
后向散射系統目前受到國內外學術界和工業界的廣泛關注,是Sigcomm、NSDI、Mobicom等國際頂級會議上的持續熱點和焦點。我國國家自然科學基金委從2014年開始,相繼在該領域設置了“無源感知網絡基礎理論與關鍵技術”“無源傳輸網絡基礎理論與關鍵技術”等重點項目,用以資助對無源物聯網基礎理論與關鍵技術的深入研究。其中,低功耗、高吞吐、遠距離是后向散射通信系統需要解決的三個核心問題,下面針對其解決方案相關的關鍵技術分別進行闡述。
能量捕獲技術給無源通信插上了翅膀。從環境中獲取的能量可以給后向散射系統提供計算的支持,如FPGA、MSP430等供電(當然,流片之后這些器件變成微電路,功耗會大大降低)。同時,能量捕獲可以十分方便地擴展其功能,例如對傳感器供電,可以更為方便地感知數據。

目前,能量捕獲研究主要聚焦從射頻、光、振動、風、熱、磁場、溫度以及壓力變化獲取能量。其中,環境中泛在的電磁波源于電臺廣播、蜂窩基站、Wi-Fi以及RFID等物聯網設備,可以成為后向散射系統最廣泛的能量來源之一。射頻能量捕獲技術通過天線獲取環境中存在的射頻能量。為了提高能量轉換效益,通常會增加阻抗匹配模塊,接收的能量既可以直接用在射頻(RF)負載上,也可以用于RFDC整流器上,整流器將接收到的射頻能量通過整流電路轉換成直流電,提供給負載。
英特爾(Intel)公司提出射頻能量捕獲技術,華盛頓大學(University of Washington)基于該技術實現無線識別和感知平臺(Wireless Identification Sensing Platform,WISP),通過設計節點的天線阻抗匹配,使節點電路的頻率與接收信號的頻率匹配,最大化地捕獲RFID的射頻信號作為能量。現有射頻能量捕獲技術大多針對窄帶寬信號,一旦節點部署環境改變,環境中信號中心頻率發生變化,能量捕獲效率會急劇下降甚至能量捕獲失效,對此,寬頻信號能量捕獲技術的研究意義深遠。同時,射頻能量捕獲技術在植入體內醫療設備、可穿戴低功耗設備等領域都有廣泛的應用前景,也取得了一定的研究進展。
目前,射頻能量捕獲技術還存在較大的完善空間:(1)射頻信號在遠距離傳輸中衰減較大,且僅能近距離充電,無法滿足能量捕獲閾值要求,對于持續數據發送難以保障;(2)天線的小型化往往會帶來增益和帶寬的下降,從而使可收集的電磁功率下降;(3)某些環境中射頻信號源稀缺場景下,利用無人機掛載射頻信號源巡航,將極大地彌補現有能量捕獲技術的不足。



