[论文解读] BEH: Indoor Batteryless BLE Beacons using RF Energy Harvesting for Internet of Things

Qingzhi Liu, Wieger IJntema+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2019

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 35被引用 4

一句话总结

BEH 提出了一种基于射频能量采集的无电池室内蓝牙低能耗（BLE）信标系统，采用基于碰撞的信标、被动唤醒、基于距离的激活以及两波信标传输机制，以最小化能耗。该系统在16 m²的室内环境中实现了超过99%的分组接收率，支持持续运行。

ABSTRACT

Indoor beacon system is a cornerstone of internet of things. Until now, most of the research effort has focused on achieving various applications based on beacon communication. However, the power consumption on beacon devices becomes the bottleneck for the large-scale deployments of indoor networks. On one hand, the size of beacon devices is required to be small enough for easy deployment, which further limits the size of battery. On the other hand, replacing the batteries of the beacon devices could lead to high maintenance costs. It is important to provide them with full energy autonomy. To tackle this problem we propose BEH: an indoor beacon system aimed at operating perpetually without batteries. Our contributions are twofold. Firstly, we propose four methods to increase the utilization efficiency of harvested RF energy in the beacon system, by which the energy consumption level becomes low enough to fit within the energy harvesting budget. Secondly, we implement BEH using Bluetooth Low Energy (BLE) and Radio Frequency (RF) energy harvesting devices, and test BEH extensively in a laboratory environment. Our test results show that BEH can enable perpetual lifetime operation of mobile and static BLE beacon devices in a (16 m$^{ ext{2}}$) room. The average value of packet reception rate achieves more than 99% in the best case.

研究动机与目标

• 解决大规模室内BLE信标部署中高维护成本和电池更换不切实际的问题。
• 通过将能量采集与通信能耗需求对齐，实现无电池BLE信标设备的持续运行。
• 设计一种系统，支持移动和静态信标节点，且无需依赖电池或视距约束。
• 仅使用采集到的射频能量，实现可靠的双向信标通信和距离检测。
• 通过智能唤醒、传输调度和碰撞管理优化能量利用。

提出的方法

• 利用捕获效应和正交码实现基于碰撞的信标机制，以减少消息接收过程中的能耗。
• 使用标准射频发射器实现静态信标节点的被动唤醒，最大限度降低空闲监听的功耗。
• 通过射频信号强度估计移动节点的距离，并仅唤醒附近区域的静态信标，以减少不必要的传输。
• 引入两波信标传输方案，重新分配能量负载，优先让采集到更多能量的EHAs提前发送。
• 集成现成的BLE模块和射频能量采集器，确保快速部署和实际应用可行性。
• 设计一种动态调整信标传输的系统，根据能量可用性和节点间距离优化能效。

实验结果

研究问题

• RQ1 射频能量采集能否支持无电池室内设备中持续的双向BLE信标通信？
• RQ2 在移动BLE信标设备中，如何通过基于碰撞的接收机制最小化消息接收过程中的能耗？
• RQ3 使用被动射频唤醒技术，如何减少静态信标节点的空闲监听和不必要的唤醒？
• RQ4 基于距离的静态信标激活如何提升能效并减少干扰？
• RQ5 在能量采集不平衡的情况下，两波信标传输方案在多大程度上改善了能量利用和系统性能？

主要发现

• BEH 在16 m²的室内环境中，仅依靠采集到的射频能量，实现了移动和静态BLE信标设备的持续运行。
• 在理想条件下，系统保持超过99%的分组接收率（PRR），表现出高可靠性。
• 与同时唤醒所有EHAs相比，两波信标方法将能量采集代理（EHAs）的平均充电周期减少了约47%。
• 由于减少了分组碰撞，PRR随两波方法提高，尽管距离检测精度（PDA）略有下降。
• 系统成功使用正交码解码信标消息，但随着EHAs数量增加，解码所有码变得能耗较高。
• 实验结果证实，所提技术协同实现了能量自主的信标通信，完全不依赖电池或外部电源。