SWIPT – Trasmissione Wireless Simultanea di Energia e Informazione

Un recentissimo settore della ricerca noto come SWIPT (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) si pone oggi la sfida di trasmettere simultaneamente energia ed informazione. Grazie ai recenti sviluppi nella tecnologia del silicio le richieste energetiche, dei semplici dispositivi wireless, si sono significativamente abbassate.

Introduzione

Con i sensori e i trasmettitori diventati sempre più piccoli e quindi più efficienti energeticamente, si prospettano tempi in cui le onde radio potranno essere usate non solo per trasmettere l'informazione ma anche per alimentare questi dispositivi. La tecnologia SWIPT può risultare in significativi guadagni in termini di efficienza spettrale, ritardi temporali, gestione delle interferenze e consumi di energia, sovrapponendo il trasferimento d'informazione e quello di potenza. Convenzionalmente siamo abituati ad un paradigma tecnologico in cui energia ed informazione vengono percepite come grandezze separate. Questo concetto può essere facilmente illustrato per mezzo di un banale esempio, riportato in figura 1.

Figura 1: modello classico di accesso alle risorse, energia ed informazione, per un ambiente wireless

Un punto di accesso (AP) consente ai nostri dispositivi wireless (WD) di accedere e scambiare informazioni, mentre delle batterie alimentano i nostri terminali. Questo affermato modello presenta tuttavia degli svantaggi, come la necessità di ricaricare o rimpiazzare le batterie manualmente. Cosa che non sempre si può fare con facilità, se pensiamo ad esempio a dispositivi medici impiantati nel corpo umano o a sensoristica presente all'interno di strutture complesse. Inoltre, chi si occupa di progettazione elettronica di dispositivi wireless sa bene che una delle specifiche principali è quella di ridurre i consumi proprio per salvaguardare la vita delle batterie. Un passo evolutivo in avanti potrebbe essere quello di sfruttare le energie rinnovabili, in modo da ottenere una comunicazione wireless potenziata dall'energia cosiddetta green. In figura 2 viene riportato un esempio del modello in questione.

Figura 2: modello di accesso alla risorsa energia mediante harvesting da fonte solare.

L'immagine riporta dei dispositivi wireless ricaricati ad energia solare, anche se la sorgente di energia potrebbe essere di altro tipo come vento, vibrazioni etc. Il vantaggio di questo tipo di sorgenti è naturalmente l'impatto ambientale pari a zero ed il costo anche esso nullo. Comunque l'energia rinnovabile è per sua natura intermittente e imprevedibile, irregolare geograficamente e temporalmente. Inoltre i dispositivi per la raccolta dell'energia sono costosi e ingombranti. Si potrebbe allora pensare ad un cambio di paradigma, cioè un nuovo modello in cui AP permetta ai nostri dispositivi l'accesso non solo all'informazione ma anche all'energia necessaria per alimentarli. Questo modello è illustrato in figura 3.

Figura 3: accesso alle risorse, energia ed informazione, in modalità wireless da stessa sorgente.

Questo modello presenta numerosi vantaggi come ad esempio: trasmettitori di potenza wireless dedicati e alimentati con sorgenti fisse o rinnovabili, caricamento wireless pienamente controllabile in termini di potenza frequenza o forma d'onda, caricamento e comunicazione simultanea senza cadute improvvise, ampia copertura, bassi costi di produzione, ricevitori con piccoli fattori di forma. Occorre però precisare che esso presenta delle sfide consistenti dal punto di vista del design come per esempio: realizzare un efficiente trasferimento di potenza wireless e progettare una rete che supporti la comunicazione alimentata in modalità wireless. Nell'era dell'Internet delle Cose, la tecnologia SWIPT può risultare di fondamentale importanza per l'alimentazione e lo scambio di informazioni tra numerosi sensori a basso consumo di potenza. Le etichette RFID sono per certi versi già dei dispositivi di tipo passivo alimentati in maniera wireless, anche se con funzionalità limitate. Di contro una piena integrazione della tecnologia SWIPT potrebbe [...]

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