La miniaturización del dispositivo y el consumo de energía se encuentran entre las dos consideraciones más importantes en el diseño de IoT. A veces, estos objetivos pueden estar en desacuerdo con la naturaleza inherente de los dispositivos IoT: necesitan transmitir y recibir datos de forma inalámbrica para poder comunicarse.
Un método para garantizar un bajo consumo de energía en los dispositivos IoT es usar un receptor de activación, que mantiene el dispositivo en modo de bajo consumo a menos que se active para activarse. Esta semana, los investigadores del MIT anunciaron un nuevo tipo de receptor despertador que utiliza ondas de terahercios para permitir tamaños extremadamente pequeños.
Al comunicarse a través de ondas de terahercios, el receptor despertador del MIT es 10 veces más pequeño que dispositivos similares. Imagen cortesía de Jose-Luis Olivares/MIT
En este artículo, evaluaremos los principios operativos detrás de los receptores de activación, los desafíos para escalar estos dispositivos y el nuevo receptor de activación de terahercios del MIT.
Las ventajas de energía de los receptores Wake-up
Un receptor despertador (WuRx), también conocido como radio reloj, es un componente crítico en los dispositivos IoT que proporciona un bajo consumo de energía.
Para que los dispositivos IoT funcionen correctamente, deben transmitir datos de forma inalámbrica hacia y desde un concentrador central. Sin embargo, la comunicación inalámbrica continua requiere un consumo de energía significativo, lo cual no es factible para dispositivos IoT pequeños que funcionan con baterías. Además, la mayoría de los datos transmitidos no son útiles; en cambio, el dispositivo solo necesita responder a datos sobre eventos de interés.
Ilustración de un receptor de activación en un dispositivo IoT. Imagen cortesía de Ericsson
Para superar esto, los diseñadores de IoT utilizan receptores de activación: receptores inalámbricos especializados de baja potencia que actúan como compañeros del transceptor principal y están sintonizados a una frecuencia inalámbrica específica. En esta configuración, el transceptor principal permanece inactivo (consumiendo una cantidad insignificante de energía), mientras que el WuRx espera recibir una señal especial, conocida como paquete de activación (WUP), del concentrador principal. Cuando el WUP es detectado por el WuRx, el WuRx notifica al dispositivo IoT que encienda el transceptor maestro y comience a comunicar datos al concentrador.
Este esquema es similar a un modo de suspensión para una MCU con activación desde un disparador externo. Al mantener inactiva la parte principal del dispositivo IoT que consume mucha energía hasta que se necesite, los receptores de activación permiten dispositivos IoT de muy bajo consumo.
Los desafíos de escalabilidad de WuRx
Si bien los receptores de despertador son una herramienta muy poderosa y ampliamente utilizada, están limitados a ciertas aplicaciones debido a su tamaño.
En particular, los receptores despertadores requieren una antena para recibir WUP, y el tamaño de la antena está determinado por la longitud de onda del operador inalámbrico. Si bien la transmisión de WuRx se mostró en el rango de GHz, las antenas resultantes todavía están en el rango de cm2 nivel: pequeño, pero no lo suficientemente pequeño como para construir la robótica en miniatura que muchos desarrolladores imaginan. En cambio, los dispositivos IoT miniaturizados requieren que WuRx funcione a frecuencias portadoras extremadamente altas, lo que permite factores de forma más pequeños.
El MIT construye un WuRx operado por terahercios
Para desarrollar dispositivos IoT en miniatura de baja potencia, los investigadores del MIT diseñaron recientemente un WuRx que opera en el rango de frecuencia de terahercios (THz).
Los investigadores utilizaron una arquitectura de detección de energía que consiste en una interfaz de THz que consta de un par de detectores CMOS pseudodiferenciales con alimentación de antena dual. La salida de este detector se alimenta a una cadena de amplificador-filtro-comparador y finalmente a un motor de autenticación de reactivación. El motor de autenticación compara los paquetes entrantes con un token almacenado para ver si el mensaje recibido era el WUP correcto, lo que luego enciende el transceptor principal.
Diagrama de bloques del sistema THz WuRx. Imagen cortesía de Lee et al.
El WuRx resultante logra un equilibrio efectivo entre rendimiento, potencia y tamaño. El WuRx, que tiene un tamaño de 1,54 milímetros cuadrados, funciona a 0,8 V y consume 2,88 µW de potencia mientras mantiene una sensibilidad de solo -48 dBm a una velocidad de datos de 1,02 kbps.
La nueva solución elimina la necesidad de mezclar frecuencias y agrega características de seguridad contra ataques de denegación de sueño.
Reducción de dispositivos IoT
Con su nuevo diseño, los investigadores del MIT esperan dar lugar a una nueva clase de dispositivos miniaturizados con una vida extremadamente larga con una sola carga de batería. En el futuro, los investigadores declararon sus planes para mejorar su diseño aumentando la integridad de la señal y aplicando su WuRx en dispositivos del mundo real.