[論文レビュー] Powering the Next Billion Devices with Wi-Fi

Vamsi Talla, Bryce Kellogg+4 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2015

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 24被引用数 18

ひとこと要約

この論文では、ネットワーク性能を低下させることなく、既存のWi-Fiルーターとチップセットを用いて遠距離無線給電を実現するPoWiFiという、初めてのシステムを紹介する。複数の周波数帯で送信するスーパーフルアスチャネル送信と、複数帯域のエネルギー収集素子を共同で設計することで、28フィート離れた場所でバッテリーレスセンサーやコイン電池を駆動・充電可能であり、実際の住宅環境で実証された。センサの範囲は20〜17フィート、ウェアラブル機器では2.5時間で41%の充電が達成された。

ABSTRACT

We present the first power over Wi-Fi system that delivers power and works with existing Wi-Fi chipsets. Specifically, we show that a ubiquitous piece of wireless communication infrastructure, the Wi-Fi router, can provide far field wireless power without compromising the network's communication performance. Building on our design we prototype, for the first time, battery-free temperature and camera sensors that are powered using Wi-Fi chipsets with ranges of 20 and 17 feet respectively. We also demonstrate the ability to wirelessly recharge nickel-metal hydride and lithium-ion coin-cell batteries at distances of up to 28 feet. Finally, we deploy our system in six homes in a metropolitan area and show that our design can successfully deliver power via Wi-Fi in real-world network conditions.

研究の動機と目的

• 既存のWi-Fiインfrastrucureを用いて通信性能を損なわずに、遠距離無線給電を実現すること。
• Wi-Fiのサイレント期間がエネルギー漏れを引き起こし、収集素子が作動電圧に達しないという課題に対処すること。
• ルーターの送信とエネルギー収集素子のハードウェアを共同で設計し、複数のWi-Fiチャネルにわたる連続的な有効な電力信号を生成すること。
• 実世界の屋内環境において、エネルギー収集型センサーやバッテリーチャージャーの実用的導入を実証すること。
• 広く普及している2.4 GHz ISMバンドを活用したスケーラブルで低コストかつ至る所に利用可能な無線給電を実現すること。

提案手法

• PoWiFiルーターは、複数のWi-Fiチャネル（1, 6, 11）で不要なUDPブロードキャストパケットを送信することで、高い累積チャネル使用率を維持し、連続送信を模倣する。
• 2.4 GHz帯域全体でRFエネルギーを収集できるマルチチャネルエネルギー収集素子を設計し、周波数ごとにインピーダンス整合を最適化することで、信号の反射を低減した。
• 標準のWi-Fiチップセットが生成するOFDM波形を活用し、高いピーク対平均電力比を活かして効率的な給電を実現した。
• 収集したエネルギーでバッテリーレスセンサー（温度およびカメラ）を駆動し、NiMHおよびリチウムイオンコイン電池を無線で充電した。
• 受信効率を最大化し、向きに依存しない性能を実現するため、2 dBiのオムニディレクショナルアンテナと統合した。
• Jawbone UP24デバイスなどの消費者用ウェアラブル機器の充電を検証する目的で、一般用途のUSB充電器プロトタイプを構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存のWi-Fiルーターを改造することで、通信性能を損なわずに実用的な遠距離無線給電が可能か？
• RQ2 分散型メディアアクセスプロトコルにおけるサイレント期間が引き起こすエネルギー漏れを、マルチチャネル送信戦略で克服できるか？
• RQ3 標準のWi-Fiチップセットおよびアンテナを用いて、実用的な距離でバッテリーレスセンサーや小型バッテリーを駆動・充電できるか？
• RQ4 通常の干渉やチャネル状態を伴う実際の住宅用Wi-Fi環境に、このようなシステムを展開することが可能か？
• RQ5 標準のUSBインターフェースを用いて、商業用ウェアラブル機器の充電をサポートできるか？

主な発見

• PoWiFiは、実環境において20フィートの距離でバッテリーレス温度センサー、17フィートの距離でバッテリーレスカメラセンサーを駆動することに成功した。
• 標準のWi-Fi信号を用いて、最大28フィートの距離でニッケル水素電池およびリチウムイオンコイン電池を充電した。
• PoWiFiに基づくプロトタイプUSB充電器は、ルーターから5〜7 cmの距離で、Jawbone UP24ウェアラブルデバイスを0%から2.5時間で41%まで充電した。
• 6軒の都市部の住宅での展開により、干渉や複数ユーザーの競合状態を伴う実際のWi-Fi環境下でも、信頼性の高い給電が実現した。
• マルチチャネル送信戦略により、プロトコルでスケジュールされたサイレント期間にもかかわらず、高い累積チャネル使用率を維持し、連続的なエネルギー収集を可能にした。
• 追加のトラフィックは低レートのブロードキャストUDPパケットであり、デコード不要であるため、Wi-Fi性能への影響は最小限に抑えられた。