[论文解读] Powering the Next Billion Devices with Wi-Fi

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

Energy Harvesting in Wireless NetworksEngineering参考文献 24被引用 18

一句话总结

该论文提出了PoWiFi，这是首个利用现有Wi-Fi路由器和芯片组实现远场无线供电的系统，且不会降低网络性能。通过将多信道传输与冗余广播流量协同设计，并结合多频段能量收集器，PoWiFi可在28英尺外为无电池传感器供电，并为纽扣电池充电，已在真实家庭环境中验证，传感器的供电范围为20至17英尺，可穿戴设备在2.5小时内充电达41%。

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.

研究动机与目标

• 通过现有Wi-Fi基础设施实现远场无线供电，且不损害通信性能。
• 解决Wi-Fi的空闲时段导致能量泄漏的问题，防止能量收集器无法达到工作电压。
• 协同设计路由器传输与能量收集器硬件，实现在多个Wi-Fi信道上持续有效的功率信号。
• 在真实室内环境中展示能量收集传感器和电池充电器的实用部署。
• 利用广泛使用的2.4 GHz ISM频段，实现可扩展、低成本且无处不在的无线供电。

提出的方法

• PoWiFi路由器在多个Wi-Fi信道（1、6、11）上发送冗余的UDP广播数据包，以保持高累积信道占用率，模拟连续传输。
• 设计了多信道能量收集器，可在2.4 GHz频段内收集射频能量，通过在不同频率下优化阻抗匹配，减少信号反射。
• 系统使用标准Wi-Fi芯片组的OFDM波形，利用其高峰均功率比实现高效供电。
• 收集到的能量可为无电池传感器（温度和摄像头）供电，并无线为NiMH和Li-ion纽扣电池充电。
• 收集器与2 dBi全向天线集成，以确保方向无关性并最大化接收范围。
• 构建了一个通用型USB充电器原型，用于验证对Jawbone UP24等消费类可穿戴设备的充电能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过修改现有Wi-Fi路由器，在不降低网络性能的前提下实现可用的远场无线供电？
• RQ2 多信道传输策略能否克服分布式介质访问协议中因Wi-Fi空闲时段导致的能量泄漏问题？
• RQ3 能否使用标准Wi-Fi芯片组和天线，在实际距离内为无电池传感器供电并为小型电池充电？
• RQ4 在典型干扰和信道条件下，此类系统是否可在真实住宅Wi-Fi环境中部署？
• RQ5 该系统能否扩展以支持使用标准USB接口的商用可穿戴设备充电？

主要发现

• PoWiFi在真实环境中成功为20英尺外的无电池温度传感器和17英尺外的无电池摄像头传感器供电。
• 系统利用标准Wi-Fi信号，在最远28英尺的距离内为镍氢和锂离子纽扣电池充电。
• 基于PoWiFi的USB充电器原型在距离路由器5–7厘米处，2.5小时内将Jawbone UP24可穿戴设备从0%充电至41%。
• 在六个城市家庭中的部署验证了在真实Wi-Fi环境下的可靠供电，包括干扰和多用户竞争情况。
• 多信道传输策略保持了高累积信道占用率，即使在协议调度的空闲时段也能实现连续能量收集。
• 系统对Wi-Fi性能影响极小，新增流量为低速率广播UDP数据包，无需解码。