物联网后向射系统的关键技术之低功耗技术与信号检测简介

物联网后向射系统的关键技术主要指的是低功耗技术,当然信号检测也非常重要。

低功耗技术:

1. 轻量级能量管理

当前能量捕获技术采集的功率一般仅为负载功率的千分之一。同时,节点自带的储能设备由于尺寸的限制,容量也仅仅是一颗纽扣电池的万分之一。更为重要的是,入射的电磁波随时间和环境的波动性强,而负载变化通常是随机的,因此,要保证传输的可靠性,就必须引入能量管理电路,用以根据当前系统的能量状况来适配任务执行,保证系统稳定发送数据。适配任务执行主要有以下两种方式。

一次执行:系统为每个任务分配能量阈值,在采集足够的能量后一次性执行完一个任务而没有任何中断。这种策略适合短时、轻量级的任务,如环境温度感知。

断点执行:对于无法短时间内完成的任务,可划分成多个短时轻量级子任务,系统处于激活期间尽可能执行多个子任务。当能量不足时,系统将存储任务执行的断点(即执行状态和数据),待能量充足后,从断点处恢复任务继续执行,完成任务。

但是,传统嵌入式系统能量管理需要MCU一直监控能量收集引脚,导致自身能耗过高,比如WISP中能量轮询的平均功耗占系统总功耗的一半,提高其能量利用率可以采用以下思路:

(1)优化能量轮询频率策略。该方法可将能量用率提升到647%,但效率无法让人满意。

(2)动态设定阈值的触发式探测策略。该方法根据能量是否达到阈值,决定设备的工作状态:处于探测能量并低功耗模式充电,或是被唤醒工作。这使得设备免于周期性激活轮询操作以及处理轮询结果,其功耗仅为轮询式探测的52%,可将能量利用率提高到94.9%。

2. 计算迁移

除了最大程度地从环境中捕获能量,节点还需要尽量降低负载功耗,计算迁移成为解决后向散射系统功耗的有效思路。计算迁移指将后向散射节点的计算迁移到能量和计算资源丰富的物联网边缘节点上(如收发机、基站),从而降低后向散射节点计算功耗。例如,华盛顿大学实现的无源低功耗摄像头,从无线信号中获能并传输视频流,仅以252uW功耗实现了30fps720p视频流的传输。为了避免摄像头中图像数字化和图像压缩带来的高能耗问题,他们将图像传感器的模拟电压输出进行脉冲宽度调制(PWM)后,直接通过后向散射系统发送给收发机,由收发机进行数字化和图像处理计算。基于同样的思路,华盛顿大学还设计了一款低功耗无源感知平台,能对接多种模拟传感器,如心电传感器、温度传感器、麦克风等。

信号检测:

为了进一步降低功耗,需要让节点在闲暇时休息。那么节点什么时候工作呢?一旦节点的信号测电路检测到需要反射的载波源发射信号时,就给节点的计算部分一个触发信号,启动节点工作。

信号检测电路一般包括三部分:阻抗匹配、包络检波和比较器。阻抗匹配和包络检波主要实现将天线接收到的电磁波转换为电信号并测量其大小,比较器则是将其输出和自身设置的阈值做比较,从而判断周围是否有可以反射的载波源信号。这里值得注意的是,此类电路虽然能识别不同频段的信号,却难以区分相同频段的不同信号,如它可以区分2.4GHz的Wi-Fi信号和900MHz的RFID信号,但是不能区分同为2.4GHz的Wi-Fi信号和ZigBee信号,这将导致后向散射系统在真实场景下的适用性大打折扣。因此,该问题还需研究人员深入研究。

最为重要的是,载波源与节点上的信号检测电路的距离,即信号检测距离,是制约后向散射通信系统普适的关键问题。由于环境中的载波源信号强度极小,天线转换效率有限,信号检测电路本身损耗,器件对信号的衰减等问题导致检测距离不能大幅提升。目前,商用信号检测距离不足百米。同时,信号检测距离越大时,节点与接收端的通信距离越近,如HitchHike。在大范围应用场景,目前的研究进展明显难以满足应用的需求。因而提升信号检测电路的检测距离将成为当前一个主要挑战。

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