Un equipo de investigación, liderado por Doménico Giustiniano, Research Associate Professor en IMDEA Networks Institute (Madrid), ha presentado importantes avances en la creación de sistemas de comunicación inalámbrica sostenibles a través de la luz, mediante la utilización de dos tecnologías emergentes: LiFi y retrodispersión por radiofrecuencia (RF).
Se espera que más de 64 billones de dispositivos IoT se encuentren desplegados en 2025, y todos ellos operarán con baterías. Aunque las baterías en formato diminuto pueden durar mucho tiempo, incluso años, cualquier tipo de computación o comunicación puede agotarlas rápidamente, por lo que se necesitan soluciones que no necesitan ningún tipo de batería. Además, los componentes químicos de estas suponen un impacto medioambiental negativo, más si tenemos en cuanto el exponencial crecimiento de dispositivos IoT y los retos que comporta su reciclaje. Es por ello, que cada vez más hay una necesidad urgente de encontrar una solución para eliminar las baterías sin afectar el rendimiento de comunicación y los servicios IoT.
Investigadores de IMDEA proponen que dispositivos IoT funcionen con la energía proporcionada por una fuente de luz LED, enviando los datos mediante la modulación de la luz de estos LED (LiFI), y que los dispositivos sean capaces de enviar de vuelta los datos mediante la reflexión y modulación de señales RF presentes en el entorno, una técnica de transmisión de bajo consumo energético llamado retrodispersión por RF.
“Nuestro trabajo abre las puertas a aplicaciones del Internet de las Cosas de largo alcance y sin baterías, aprovechando la infraestructura de iluminación para la comunicación, algo que no era posible lograr antes. Es el resultado de tres años de investigación; cuando empezamos, LiFi y retrodispersión por RF se consideraban tecnologías independientes la una de la otra, y nosotros hemos demostrado que LiFi puede resolver las limitaciones que presenta la retrodispersión por RF, y puede ser aplicado a un nuevo campo, la comunicación sin baterías”, señala el Dr. Giustiniano.
LiFi + Retrodispersión de RF
Los esfuerzos actuales de investigación en relación a los sistemas de batería se centran en la electrónica de bajo consumo y las nuevas técnicas de comunicación y procesamiento. La retrodispersión de RF es ahora una tecnología consolidada para la transmisión de datos del IoT a la red debido a su eficiencia energética y a la ausencia de radio frecuencias activas que consuman mucha energía para la transmisión.
En investigaciones anteriores, ya se mostraba el diseño de una etiqueta IoT sin batería que recibe datos a través de la luz en un sistema en red. A continuación, se enviaban los datos a través de la retrodispersión de RF. Con ello, se consiguió un alcance de enlace ascendente (uplink) de unos 20 m en interiores, ubicando el receptor de RF con la bombilla LiFi, y consumiendo 70 𝜇W de energía para la comunicación de enlace ascendente (uplink). Este estudió demostró que el LiFi y la retrodispersión de RF son incompletos como tecnologías independientes para la comunicación pasiva, pero tienen propiedades complementarias que pueden aprovecharse para utilizar el LiFi en el enlace descendente (downlink) y la retrodispersión de RF en el ascendente (uplink).
Esta nueva investigación introduce el concepto de PassiveLiFi, el cual es capaz de explotar las interacciones hasta ahora inexploradas entre la comunicación LiFi downlink y la retrodispersión RF uplink. Estas interacciones permiten aumentar significativamente tanto el alcance de la retrodispersión de RF como la eficiencia energética de la etiqueta IoT.
Así, se utiliza la tecnología LiFi no sólo para transmitir datos downlink, sino también para generar la señal de reloj que necesita la etiqueta IoT para transmitir la retrodispersión de RF en el enlace ascendente, eliminando así la necesidad de un reloj en la etiqueta IoT. Además, se propone un diseño que utiliza una única célula solar tanto para la comunicación como para la recolección, desacoplando las señales LiFi moduladas.
“Las células solares se han utilizado ampliamente para captar energía. En este trabajo, damos un paso más y demostramos que pueden utilizarse de forma eficiente y simultánea como fuente de captación de energía y receptor de comunicaciones. Nuestra solución encuentra un equilibrio entre la energía captada requerida por el dispositivo IoT y la tasa de datos deseada, lo que permite que nuestro sistema opere sin baterías”, subraya Borja Genovés, Investigador postdoctoral en IMDEA Networks y uno de los coautores del artículo científico.
Las aplicaciones del nuevo sistema son múltiples, ya que los sistemas LiFi se están desplegando en una gran multitud de escenarios para el apoyo de las nuevas redes de comunicación de alta velocidad. Desde su despliegue en exteriores aprovechando los nuevos conceptos de ciudad inteligente y la sensorización de la ciudad, pasando por su aplicación en el Hogar aprovechando la iluminación artificial que está omnipresente en ellos, y finalmente en aplicaciones de agricultura interior, donde se requiere el despliegue de sensores para controlar diferentes parámetros como la humedad del suelo, la temperatura, etc y donde se utilizan seistema de iluminación artificial para mejorar el crecimiento y producción de los cultivos.
El equipo de IMDEA Networks (formado por Domenico Giustiniano, Borja Genovés Guzmán y Muhammad Sarmad Mir) ha contado con la colaboración del Dr. Ambuj Varshney (Uppsala University, y próximo Assistant Professor en la Universidad Nacional de Singapur).
Fuente de imágenes: “PassiveLiFi: Rethinking LiFi for Low-Power and Long Range RF Backscatter” 2021.
