ACM通信
研究突出了
用Wi-Fi为下十亿设备供电
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我们展示第一个对无线网络该系统为低功耗传感器和设备提供电力，并与现有的Wi-Fi芯片组一起工作。我们展示了无线通信基础设施中无处不在的部分，Wi-Fi路由器，可以提供远场无线功率，而不显著损害网络的通信性能。基于我们的设计，我们设计了无电池温度传感器和摄像头传感器的原型，分别在20英尺和17英尺的范围内使用Wi-Fi供电。我们还展示了在28英尺的距离内对镍氢和锂离子硬币电池进行无线滴充电的能力。我们将我们的系统部署在大都市地区的6个家庭中，并表明它可以在现实网络条件下成功地通过Wi-Fi传输电力，而不会显著降低网络性能。
1.简介
19世纪末，尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)梦想着消除用于供电和通信的电线。16截至21世纪初，无线通信已经非常完善，每天有数十亿人依赖它。然而，无线电力并没有那么成功。近年来，近场、近程方案在某些范围有限的应用中获得了吸引力，比如为植入医疗设备供电20.和充电汽车3.还有电力输送垫上的手机。8最近，研究人员已经证明了利用来自电视的射频信号为远场传感器和设备供电的可行性7和细胞19基站。这是令人兴奋的，因为除了能够在更远的距离上传输电力，射频信号还可以同时为多个传感器和设备充电，因为它们具有广播的特性。
在这项工作中，我们展示了无线基础设施中无处不在的部分，Wi-Fi路由器，可以用来提供远场无线电源，而不会显著影响网络性能。这有三个主要原因:
- 与电视和手机传输不同，Wi-Fi在室内环境中无处不在，并在未经许可的频谱(“ISM”频段)中运行，在这种频段中，传输可以合法地优化电力传输。重新利用Wi-Fi网络进行电力传输可以简化射频供电设备的部署，而无需额外的电力基础设施。
- Wi-Fi使用OFDM，这是一种高效的功率传输波形，因为它的峰值平均功率比很高。17考虑到Wi-Fi的规模经济，Wi-Fi芯片组为发送这些功率优化波形提供了一个廉价的平台，实现了高效的电力传输。
- 传感器和移动设备越来越多地配备2.4 GHz天线，用于通过Wi-Fi、蓝牙或ZigBee进行通信。原则上，我们可以使用相同的天线进行通信和Wi-Fi能量收集，而对设备尺寸的影响可以忽略不计。
通过Wi-Fi进行电力传输的关键挑战是电力传输需求与Wi-Fi协议之间的根本不匹配。为了说明这一点,图1绘制有Wi-Fi传输的调谐收割机的电压。虽然收割机可以在Wi-Fi传输期间收集能量，但在静默期能量会泄漏。在这种情况下，Wi-Fi传输无法满足平台的最低电压要求。不幸的是，对于电力传输来说，静默期是分布式介质访问协议(如Wi-Fi)所固有的，在这种协议中，多个设备共享相同的无线介质。路由器的持续传输对于电力输送来说是最理想的，但会显著降低Wi-Fi客户端和附近其他Wi-Fi网络的性能。
本文介绍了PoWiFi这是首个Wi-Fi供电系统，可向能量收集传感器和设备输送电力，同时保持网络性能。我们通过共同设计采集硬件电路和Wi-Fi路由器传输来实现这一目标。在较高的层次上，运行PoWiFi的路由器从收割机的角度模拟了连续传输，同时最小化了对Wi-Fi客户端和邻近Wi-Fi网络的影响。关键的直觉是，所有Wi-Fi频道不太可能在同一时刻同时被占用。PoWiFi投机地注入多余的广播流量(我们称之为能量包)在不重叠的Wi-Fi频道上，以最大化累积跨渠道的入住率。为了收集这些能量，我们推出了首个多通道收割机，它可以有效地通过多个Wi-Fi通道收集能量，并产生运行微控制器和传感器系统所需的1.82.4 V。
实际上，PoWiFi不能显著降低网络性能。因此，我们的第二个组件是传输机制，它将对Wi-Fi性能的影响降到最低，同时有效地为收割机提供持续的电力。为了降低对关联Wi-Fi客户端的影响，只有当Wi-Fi接口的队列数据包数低于阈值时，PoWiFi才会向通道注入电源报文。此外，路由器以最高的Wi-Fi比特率传输功率包，以最小化它们的持续时间，最大化对其他Wi-Fi发射器的公平性。
为了进一步减少对邻近Wi-Fi网络的影响，PoWiFi使用了两个关键技术。
- Rectifier-aware传输。关键的直觉是，当空气中有数据包时，收割机的临时能量供应会呈指数增长，但在静默期也会呈指数增长。为了平衡功率传输和通道占用，PoWiFi必须将泄漏造成的能量损失降至最低。我们通过设计一种占用调制方案来实现这一目标，该方案联合优化整流器的电压行为和Wi-Fi网络的吞吐量，以确保收集传感器能够满足其负载循环要求(参见整流器感知的PoWiFi传输部分)。
- 可扩展的并行传输。一个关键目标是在一个区域内有多个PoWiFi路由器时保持良好的网络性能。我们的见解是，PoWiFi的功率包不包含有用的数据，因此来自多个PoWiFi路由器的传输可以安全地碰撞。此外，通过让每个PoWiFi路由器发送随机功率数据包，我们确保并发数据包传输不会破坏性地干扰以减少传感器的可用功率。
我们使用Atheros芯片组和使用现成组件的收割机构建了原型PoWiFi路由器。我们的实验证明如下:
- PoWiFi路由器上的功率包不会显著影响TCP或UDP吞吐量或网页加载时间1在关联的客户端。同时，PoWiFi在三个不重叠的2.4 GHz Wi-Fi通道上实现了95.4%的平均累计占用率。
- PoWiFi的非干扰传输策略允许相邻的Wi-Fi网络实现比平等共享更好的公平性，因为PoWiFi路由器以最高比特率传输功率包，以最小化其通道占用率。
- 采用整流器感知传输方案，可以适应收割机的能源需求，PoWiFi的每通道占用率低至4.4%，同时向16英尺外的传感器发送电力，每分钟读取一次温度值。
- 我们使用一个、三个和六个PoWiFi路由器对我们的并发传输机制进行了概念验证评估。相邻Wi-Fi网络的吞吐量差异略有增加，但其平均吞吐量没有统计学差异。这表明了我们的设计在多个PoWiFi路由器上扩展的可行性。
为了展示我们设计的潜力，我们构建了两个无电池，Wi-Fi供电的传感系统，如图图2:一个温度传感器和一个相机。这些设备使用Wi-Fi电源运行传感器和可编程微控制器，后者收集数据并通过UART接口发送。摄像头和温度传感器原型机可以在距离PoWiFi路由器17英尺和20英尺的距离内无电池工作。正如预期的那样，这些传感器可以工作的占空比随着距离的增加而减小。此外，当传感器与路由器被各种墙壁材料隔开时，传感器可以在穿墙场景中工作。
我们还集成了2.4 V镍金属氢化物(NiMH)和3.0 V锂离子(Li-Ion)硬币电池的收割机。我们制造了上述传感器的电池充电版本，其中PoWiFi滴流充电电池。电池充电传感器可以在28英尺的距离内进行能量中立操作。
最后，我们在一个大都市地区的6个家庭中部署了PoWiFi路由器。每个家庭的住户使用PoWiFi路由器上网24小时。即使在真实的网络条件下，PoWiFi也能有效地提供电力，同时对用户体验的影响最小。
1.1.限制
鉴于目前FCC对Wi-Fi使用的ISM频段的发射机的1w限制，Wi-Fi的电源仅限于低功率传感器和设备，不能为需要5w的智能手机充电。此外，我们的系统范围是由我们的收割机硬件的灵敏度决定的，这是由现成的组件构建的。我们相信ASIC设计能够提高收割机的灵敏度，并使PoWiFi的功率输送范围翻倍。最后，虽然我们目前的设计使用的是单天线，但原则上我们可以使用多天线将更多的功率集中到传感器上，并增加范围，但这种优化超出了本文的范围。
2.理解wi - fi的权力
为了了解Wi-Fi路由器的供电能力，我们用华硕RT-AC68U路由器和一个温度传感器进行了实验。路由器工作在Channel 5上，在它的三个4.04 dBi天线上每个天线发送23 dBm的功率。温度传感器是无电池的，使用我们的射频收割机从Wi-Fi信号中获取能量。射频收割机是一种将传入的交流(AC)无线电信号转换为直流电(DC)的设备。一个典型的射频收割机包括两个阶段:一个整流器将以2.4 GHz振荡的入射无线电信号转换为直流电压，一个DC-DC转换器将电压提升到更高的值。每个传感器或微控制器都需要一个最低电压来运行有意义的操作，DCDC转换器确保这些要求得到满足。收集电能的关键限制是每个DCDC转换器都有一个最小输入电压阈值，低于该阈值就不能工作。我们使用最低阈值为300 mV的DCDC转换器。12
我们将传感器放置在距离路由器10英尺的地方24小时，并在整个实验过程中测量整流器的输出电压。我们还使用通过分配器连接的高频示波器从路由器捕获数据包传输。在测试期间，传感器没有达到300 mV阈值。图1在网络利用率达到峰值期间，绘制分组传输和整流电压。这表明，虽然传感器可以在Wi-Fi包传输期间收集能量，但在静默槽期间没有输入功率。这些期间的能量泄漏确保电压不超过300 mV阈值。
3.PoWiFi
PoWiFi结合了两个元素:(1)Wi-Fi传输策略，在多个Wi-Fi通道上传输电能;(2)能量收集硬件，可以有效地同时从多个Wi-Fi通道中获取能量。参见附带的技术报告14有关能量收集硬件设计的详情。
3.1.PoWiFi路由器设计
我们的关键见解是，在任何时候，不太可能所有Wi-Fi频道都被占用。因此，PoWiFi机会性地在多个Wi-Fi通道中注入功率包，目标是最大化累积入住率。具体来说，它在三个不重叠的2.4 GHz Wi-Fi通道(1、6和11)上注入1500字节的UDP广播数据报，包间延迟为100 us，最高的802.11g比特率为54 Mbps。只有当无线接口的发送队列中的帧数低于阈值(5帧)时，PoWiFi路由器才对这些广播数据包进行排队。如果队列的深度等于或高于这个阈值，那么队列中已经有足够的电力和Wi-Fi客户端数据包来最大化通道占用。
PoWiFi还必须为邻近网络的流量提供公平性。由于PoWiFi路由器执行载波感知并以最高的802.11g比特率传输广播包，因此它的单个帧尽可能短且不受干扰。因此，PoWiFi为来自其他网络的传输提供了优于平等共享的公平性。本节的其余部分将描述进一步降低PoWiFi对相邻网络影响的两种技术。
Rectifier-aware PoWiFi传输。当PoWiFi发射器知道收割机的电特性时，它可以调整其传输策略，以精确地适应设备的功率需求。例如，假设我们需要每分钟读取一次温度传感器。PoWiFi可以调节其占用率，将能量传输到收割机，使传感器及时达到所需的2.4 V电压，从而最小化符合此目标的总通道占用率，从而最小化其对其他网络的影响。
经验建模整流电压。整流器将传入的Wi-Fi传输转换为直流电压，为存储电容充电。一旦电容器上的电压达到所需的阈值(Vth= 2.4 V用于温度传感器)，读数出现。设收割机经过多径反射和衰减后的平均功率为P在PoWiFi路由器报文的通道占用率为C。对于第一个近似，收割机的行为可以建模为直流电压源通过电阻充电电容。然而，不同之处在于，近似的电阻值取决于收割机二极管的阻抗，这是的函数P在而且C。我们可以把电压写成时间的函数
在哪里V0为初始电压，时间是常数吗V马克斯为可达到的最大电压。请注意,这两个而且V马克斯是函数的P在渠道占有率。
考虑到二极管的非线性，很难得到的闭合解（P在，C),V马克斯（P在，C)．相反，我们通过电缆将收割机连接到具有可变输入功率和通道占用率的Wi-Fi源，并测量输出电压。我们将结果数据与提出的指数模型进行拟合，以估计如何而且V马克斯根据输入功率和通道占用情况而变化。我们的模型拟合的关键属性是:(1)V马克斯与输入功率和信道占用率成反比线性关系;(2)时间常数与输入功率和/或信道占用率成指数正比;(3)相同电压增量，在较高电压值时所花费的时间比在较低电压值时多出指数级。
接下来，我们将描述PoWiFi如何使用该经验模型调节其通道占用率，同时最小化其对邻近Wi-Fi网络的影响。
联合优化高效电力输送。为了减少功率包对相邻Wi-Fi网络的影响，PoWiFi必须最小化收集传感器读数所需的功率包总数。我们的关键直觉是，当空气中有包时，电容以指数方式充电。然而，当没有包时，电容上的电压呈指数级放电。为了最大限度地提高功率传输的有效性，PoWiFi必须尽量减少电容泄漏。我们通过使用上述和中所示的信道占用调制方案来实现这一点图3．在每个传感器更新时间窗口(T)时，路由器在一段时间内不发送功率报文(Tt)，发送功率报文，发送时间为t，目标渠道占有率为0 <C1.当通道占用为零时，电容器上的电压很低，没有泄漏。然而，当需要更新传感器时，高通道占用持续为电容器充电(最小化泄漏)，以最大化功率传输的有效性。我们的目标是找到t而且C使功率包占用率的平均值最小
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我们通过代入不同来求出这些值C而且t在我们的经验模型中计算最小值。我们通过注意到对于一个给定的P在，有一个最小值C低于阈值电压是无法达到的。此外，给定一个渠道占用率，我们知道时间常数的限制t的最大值（P在，C)．最后，我们限制了可以将通道占用率调制为10%的粒度。使用这些值，我们将搜索空间减少到75点。
我们注意到两点。首先，上面的描述假设路由器可以估计可用功率，P在，对着传感器。为了引导这个值，PoWiFi最初在大约90%的高占用率下传输功率包，并记录传感器输出读数的时间。PoWiFi使用我们的经验模型进行估计P在下一个循环。在每个周期结束时，它会重新评估P在考虑无线频道的变化。其次，在多个传感器存在的情况下，我们可以优化参数，以满足所有传感器的最小占空比要求，但为了简洁起见，我们省略了这个简单的扩展。
通过并发的PoWiFi传输进行伸缩。每个PoWiFi路由器独立引入功率包的一个实际问题是，在存在许多PoWiFi路由器的情况下，这样的系统将无法保持网络性能。有用的Wi-Fi容量至少会随着PoWiFi路由器的数量线性下降。
为了解决这个伸缩问题，我们启用了在彼此解码范围内的PoWiFi路由器的并发传输。我们的关键见解是，由于功率包不包含有用的数据，来自多个PoWiFi路由器的传输可以安全地碰撞。此外，如果每个PoWiFi路由器发送一个随机功率包，我们可以确保并发的数据包传输不会破坏性地干扰，从而减少对收割机可用的功率。
具体地说，在我们的系统中，我们有一个领头的PoWiFi路由器，它传输的能量模式如图所示图4．该模式由一个1字节有效载荷以54 Mbps传输的短包组成，然后是一个分布式帧间空间(DIFS)周期，然后是一个功率包。其他poifi路由器解码此短报文，在DIFS周期内加入leader路由器的报文传输。该策略保证了附近所有的PoWiFi路由器都能同时传输功率报文，不会减少Wi-Fi网络的容量。
与之前使用并发传输的工作一样，6我们通过调整争用窗口和噪声地板参数来防止载波感知后退，并通过将功率包放在高优先级队列中，使跟随路由器在软件中同步传输。然而，在一个DIFS持续时间内，PoWiFi不能从软件层开始转换和传输;我们相信，通过更好地访问路由器的硬件队列，PoWiFi可以在DIFS周期内恢复。此外，可以设计分布式算法来寻找传输可以被所有其他poifi路由器解码的领头路由器，但我们认为这超出了本文的范围。
4.评价
我们在印刷电路板上使用商业现成组件来构建我们的收割机原型。我们使用三个Atheros AR9580芯片组实现了PoWiFi路由器，这些芯片组在通道1、6和11上独立运行3.1节中的算法。芯片组通过放大器连接到间隔6.5厘米的6dbi Wi-Fi天线。我们的原型路由器通过NAT向channel 1上的相关客户端提供Internet访问，并以30 dBm传输，这是ISM频段的FCC功率限制。我们所有的传感器和收割机基准评估都是在一个繁忙的办公网络中执行的，其中三个渠道的平均累计占用率约为90%。
电源和数据包都对路由器的信道占用率有贡献。为了测量入住率，我们使用aircrackng的airmon-ng工具，用于向每个路由器的活动无线接口添加监视器接口。然后，在每个监视器接口上开始tcpdump记录所有帧及其重传的无线电头。我们使用tshark提取路由器发送的帧，记录相应的比特率和帧大小(以字节为单位)。然后我们计算平均渠道占用率为
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4.1.对Wi-Fi客户端的影响
PoWiFi旨在为电力传输提供高累积通道占有率，同时最小化对Wi-Fi流量的影响。为了评估这一点，我们部署了一个PoWiFi路由器，并评估它对Wi-Fi流量的影响。我们使用一台带有Atheros芯片组的戴尔Inspiron 1525笔记本电脑作为与通道1上的路由器相关联的客户端。
我们比较了四种不同的方案:
- 基线。在路由器上禁用PoWiFi，即路由器的任何接口都不会引入额外的流量。
- BlindUDP。路由器以1mbps的速度传输UDP广播流量，以最大化其通道占用率。
- PoWiFi。路由器以54mbps的速度发送UDP广播流量，并使用3.1节中的队列阈值检查。
- NoQueue。路由器以54mbps的速度发送UDP广播流量，但禁用队列阈值检查。
我们用各种Wi-Fi流量模式和指标来评估PoWiFi: UDP和TCP下载流量的吞吐量，美国最受欢迎的10个网站的页面加载时间(PLT)，1以及在我们的基准网络附近的其他Wi-Fi网络上的流量。
对UDP流量的影响。UDP是媒体应用(如视频流媒体)中常用的传输协议。我们运行iperf的UDP流量到一个客户端7英尺远的路由器。客户端将其Wi-Fi比特率设置为54 Mbps，并运行五个连续的iperf副本，间隔3秒。我们以1到50 Mbps之间的目标UDP数据速率重复实验，并测量超过500毫秒间隔计算得到的吞吐量。所有的实验都是在繁忙的工作日在UW CSE进行的，有多个其他客户端和43个其他Wi-Fi网络在2.4 GHz工作。
图5一个绘制平均UDP吞吐量作为11个测试的UDP数据速率的函数。该图显示BlindUDP大大降低吞吐量。与NoQueue，路由器的内核不会优先考虑客户端的iperf流量而不是电源流量。这导致iperf流量的数据速率大约减半，因为无线接口在两个流之间平均共享。然而，使用PoWiFi，客户机的iperf流量实现了与基线大致相同的速率。这一结果表明，PoWiFi有效地将客户端流量优先于电源流量。
对于上面的PoWiFi实验，图6绘制三个Wi-Fi通道上单个通道占有率的cdf。该图显示，各个渠道的入住率约为550%。另一方面，平均累计占用率为97.6%，这表明即使在UDP下载流量存在的情况下，PoWiFi也可以有效地交付功率。
对TCP流量的影响。接下来，我们在客户机上使用iperf对TCP流量进行实验。路由器被配置为运行默认的Wi-Fi速率适应算法。我们在3小时内进行了30次实验。在每次运行中，我们运行iperf的五个连续副本，间隔3秒，并使用上面描述的所有方案计算超过500毫秒间隔的可实现吞吐量。
图5 b绘制所有实验中所测吞吐量值的cdf。这幅图显示BlindUDP显著降低TCP吞吐量。像以前一样,因为NoQueue它没有优先考虑客户端流量而不是功率包，它大致减半了可实现的吞吐量。PoWiFi有时实现比基线更高的吞吐量。这是由于在3-h的实验期间发生的通道条件的变化。然而，总的趋势表明，PoWiFi对客户端的TCP吞吐量没有明显的影响。
图6 b绘制了上述实验中PoWiFi通道占有率的cdf。从图中可以看出，PoWiFi的平均累计占用率为100.9%，可以有效地提供电力。
对PLT的影响。我们开发了一个使用PhantomJS无头浏览器的测试工具11下载美国十大最受欢迎网站的首页1100×。我们清除缓存并在页面加载之间暂停1秒。流量被记录tcpdump并通过离线分析确定PLT和渠道占用率。路由器使用默认速率自适应来修改其Wi-Fi比特率。实验是在繁忙的工作日在UW CSE进行的，持续时间为2小时。
图5 c显示,BlindUDP显著增加PLT。这是意料之中的，因为1mbps的功率流量占用了更大一部分的介质，因此增加了对客户端的数据包延迟。NoQueue提高了PLT /BlindUDP，平均比基线延迟294毫秒。PoWiFi进一步将延迟降至101毫秒(跨网站平均)。这种剩余延迟是由内核执行的每个包检查带来的计算开销造成的。这会降低操作系统中的所有进程，从而导致额外的延迟。然而，增加处理能力并将这些检查转移到硬件可以进一步减少这些延迟。在我们的家庭部署中(第6节)，用户对他们的web性能没有感觉到任何明显的影响。
为完整起见，我们绘制了poifi的通道占有率的cdf图6 c．图中与之前趋势相同，平均累计入住率为87.6%。
4.2.对相邻Wi-Fi网络的影响
高累积频道占用率传输。PoWiFi利用Wi-Fi介质访问控制的固有公平性，确保它对其他Wi-Fi网络是公平的。作为最坏情况的评估，我们考虑一种情况，即PoWiFi总是试图在任何时候都达到较高的累积通道占有率。为此，我们将我们的PoWiFi路由器放置在通道1上运行的相邻Wi-Fi路由器客户端对的附近。我们将PoWiFi路由器配置为在所有三个非重叠通道上使用我们的算法以最高可达到的通道占有率发送功率包。我们在相邻的路由器客户端对上以最高的数据速率运行UDP流量的iperf，并像以前一样测量可实现的吞吐量。我们在相邻的Wi-Fi路由器客户端对上重复不同的Wi-Fi比特率的实验。我们比较了三种方案:BlindUDP我们的路由器以1mbps的速度传输UDP数据包，EqualShare我们将路由器设置为以与相邻路由器-客户端对相同的Wi-Fi比特率传输UDP包，最后设置为PoWiFi。EqualShare当网络中的每个路由器都获得同等份额的无线介质时，提供一个基线。
图7显示三个方案的吞吐量，平均经过5次运行。正如所料,BlindUDP显著降低邻居路由器客户端的性能。此外，这种恶化在较高的比特率时更加明显。然而，使用PoWiFi，在相邻的路由器客户端对上实现的吞吐量要高于EqualShare。这是因为PoWiFi以54 Mbps的速度传输功率数据包;这样高速率的传输占用通道的时间比相邻路由器以16mbps传输的时间要短。这个属性意味着PoWiFi为其他Wi-Fi网络提供了比平等共享更好的公平性。我们注意到，虽然我们的实验是基于802.11g，但PoWiFi的功率包使用了Wi-Fi可用的最高比特率。因此，上述公平性属性即使在802.11n/ac下也成立。
Rectifier-aware电力传输。接下来，我们评估整流器感知技术的潜力，以显著减少功率传输的平均通道占用，同时有效地向传感器传输功率。为此，我们将无电池温度传感器放置在距离PoWiFi路由器16英尺处，接近其最大工作范围;传感器设置为每分钟通过UART接口传输一次温度值。路由器实现了“整流器感知的PoWiFi传输部分”的联合优化算法。
我们总共运行了10分钟的实验，观察到温度传感器的更新之间的平均时间为59.93 s，方差为0.43 s。更重要的是，与一直在高通道占有率(>90%)下传输相比，我们的算法估计路由器应该在80%的累计占有率下传输9秒，并在剩余时间内保持安静。图7 b显示了相邻Wi-Fi路由器客户端对中正在进行的TCP流的吞吐量，表明在高占用率的PoWiFi下，平均吞吐量显著提高，更接近没有任何电源数据包的基线吞吐量。图7 c整流器感知传输的平均每通道占用率为3.3%，而PoWiFi传输的平均每通道占用率为40%，平均占用率降低了10倍。
可扩展的并发功率传输。最后，我们对我们的并发传输机制进行了概念验证评估。Wi-Fi硬件被设计成在短帧间空间(Short Interframe Space, SIFS)持续时间内完成解码和传输之间的转换，因此，原则上可以很容易地在短帧间空间(Short Interframe Space, SIFS)内实现定时要求图4 d．由于只有软件访问路由器，我们只能使用高速计时器和高优先级队列实现PoWiFi计时。我们目前的软件系统的平均周转时间为36.15 s，方差为4.61 s。
使用上述平均周转时间作为静默期，我们做了一个概念验证评估。为了简化实现，我们设置了一个USRP N210来传输模式图430%的渠道占有率。PoWiFi路由器加入此USRP传输，并发传输功率报文。当我们增加PoWiFi路由器的数量时，我们评估了对相邻Wi-Fi路由器-客户端对TCP吞吐量的影响。图7 d表明随着设备数量的增加，吞吐量差异略有增加。这是因为随着设备数量的增加，Wi-Fi功率传输之间的周转时间差异也在增加。然而，该图显示，当PoWiFi设备的数量从1增加到6时，平均吞吐量受到的影响最小。这说明了扩展到多个PoWiFi路由器的可行性。
5.传感器的应用
我们开发了Wi-Fi收集传感器，用于能量消耗谱的两端:温度传感器和摄像头。我们分别生产无电池和充电版本。
5.1.Wi-Fi温度传感器
我们使用我们的Wi-Fi收割机将传入的Wi-Fi信号转换为直流，并为LMT84温度传感器和MSP430FR5969微控制器供电。微控制器读取和传输传感器数据。14我们优化了传感器的功率，每次温度测量和传输操作只消耗2.77 j。在电池充电传感器中，我们使用两个AAA 750毫安2.4伏低放电电流镍氢电池，并使用我们的电池充电采集器充电(参见参考文献)。14更多的细节)。
实验。我们通过测量传感器的更新速率作为操作距离的函数来评估我们的温度传感器。具体来说，我们使用一个PoWiFi路由器，并将电池充电和无电池传感器放置在不断增加的距离上。在无电池的情况下，我们通过计算连续传感器读数之间的时间来测量更新速率。在电池操作的情况下，我们测量电池电压和从收割机流入电池的充电电流。由于每次温度测量和数据传输需要2.77 J，我们计算传入功率与该值的比值，以确定能量中性操作的传感器更新速率。我们实验的平均累计入住率为91.3%。
结果。图8表明我们的传感器的电池充电和无电池版本的更新速率都随着与路由器的距离而降低。这是因为当路由器和传感器之间的距离增加时，可用的电力减少，因此获得的电力减少。此外，我们观察到，无电池传感器的工作距离为20英尺，而电池充电传感器，优化了较低的输入功率，在15英尺以上的距离有更好的更新率，可以工作到距离路由器28英尺。
5.2.wi - fi的相机
我们使用Omnivision的低功耗VGA图像传感器OV7670，将其与MSP430FR5969微控制器连接，并用我们的收割机为其供电。我们优化了固件的功率，实现了10.4 mJ的每张图像捕获能量。在我们的无电池相机上，我们使用一个超低漏气量的AVX BestCap 6.8 mF超级电容作为存储元件。我们的电池充电相机由相同的硬件组成，但使用我们的无线充电1毫安时的锂离子硬币电池3.0 V(参见参考。14详情)。
实验1。我们通过测量连续帧之间的时间作为距离路由器的函数来评估相机。与之前一样，我们使用的是PoWiFi路由器，在整个实验中观察到的平均累计占用率为90.9%。在每个距离，我们等待相机拍摄至少六帧，并测量连续帧之间的时间。对于电池充电相机，我们确定帧间持续时间为能量中立的图像捕获。
结果1。图8 b显示无电池相机可以在距离路由器17英尺的地方工作，每35分钟捕获一次图像。另一方面，电池充电相机的工作范围扩大到23英尺，每34.5分钟捕获一次图像，并且是中性的。这两种传感器在距离路由器15英尺的范围内都有相似的图像捕获率。我们还注意到图8 b将范围限制为23英尺，以专注于较小的值。然而，我们的实验表明，电池充电相机可以运行到26.5英尺，每2.6小时捕捉一个图像。
6.家部署研究
在4.2节中，我们展示了PoWiFi的通道占用可以针对不同的传感器应用进行优化，并将对相邻Wi-Fi设备的影响降到最低。然而，PoWiFi有效供电的能力取决于附近其他Wi-Fi网络的流量模式以及路由器自身的客户端流量，这两者都是不可预测的。因此，我们将我们的系统部署在大都市地区的6个家庭中，并测量PoWiFi持续实现高通道入住率的能力。
表1总结了我们每个部署中附近的用户、设备和其他2.4 GHz路由器的数量。我们将每个家庭的路由器替换为PoWiFi路由器，住户使用它进行24小时的正常互联网访问。我们的路由器使用与原来的路由器相同的SSID和认证信息，我们将其断开。我们将我们的路由器放置在原始路由器几英尺内，具体位置由用户喜好决定。在所有六个部署中，我们将路由器设置为在通道1上提供Internet连接，并使用3.1节中的算法在通道1、6和11上传输电源数据包。
我们以60秒的分辨率记录路由器在三个Wi-Fi通道上的通道占用情况。图9绘制每个Wi-Fi通道在24小时部署期间的占用值。我们还绘制了各渠道的累计入住率。数据显示:
- 我们看到不同家庭的每个频道占用率有显著差异。这是因为我们的路由器使用载波感知来加强与其他Wi-Fi网络的公平性。它在高占用信道上减少传输，但当邻近网络的负载较低时，路由器会占用更大的无线信道份额。
- 在我们所有的家庭部署中，随着时间的推移，累计入住率都很高。具体来说，这六套住宅的平均累计入住率在78127%之间。虽然其中一些入住率远高于100%，但可以根据累计入住率降低一次功率流量率，以确保其低于100%。PoWiFi目前还没有实现这个特性。
- 14号家庭的用户在他们的用户体验上没有感觉到任何明显的区别。然而，家庭5的用户注意到plt的显著改善和更好的流媒体体验。这主要是因为home 5最初使用的是一种规格更差的廉价低档路由器。家住6号的一名用户指出，在30分钟的时间里，观看YouTube的体验略有恶化。我们的分析显示，我们的路由器占用率(包括客户端和电源流量)在此期间有所下降。这指向外部原因，包括来自环境中其他设备的干扰。
7.相关工作
早期的射频功率传输系统被开发为RFID系统的一部分，从专用的900 MHz UHF RFID阅读器获取少量功率。13从射频识别(RFID)信号中获取的能量已被用于操作加速度计，13温度传感器、13最近相机。9我们在Wi-Fi供电方面的努力与RFID系统是互补的。原则上可以将900mhz、2.4 GHz、5ghz等多个ISM频段结合起来，设计出最优的供电系统。本文朝着这一目标迈出了重要的一步。
最近，研究人员已经证明了从环境电视中获取少量电力的可行性7以及蜂窝基站信号19在环境中。虽然电视和手机信号在室外环境中更强，但它们在室内显著减弱，限制了相应的收获机会。使用Wi-Fi为设备供电的能力可以增强上述功能，并实现在室内收集电能。
研究人员已经探索了在2.4 GHz ISM波段收集功率的可行性。4，10，15，18这些努力已经证明了从连续波(CW)传输中获取能量，但没有任何设备使用现有的Wi-Fi芯片组。相比之下，PoWiFi是第一个与现有Wi-Fi芯片组一起工作的Wi-Fi电源系统，并将其对Wi-Fi性能的影响降到最低。此外，没有系统电源传感器和微控制器或充电电池，并在此工作演示的距离操作。
我们的工作也与Ossia等初创公司的努力有关2和Wattup。21据称在15英尺高的地方可以提供约1W的电力，并为手机充电。5然而，粗略的计算表明，这需要EIRP(等效各向同性辐射功率)为83.3 dBm (213 kW)的连续传输。这不仅堵塞了Wi-Fi通道，而且比FCC法规第15部分所允许的点对多点链接的功率高5万倍。相比之下，我们的系统设计在FCC的限制下运行，对Wi-Fi流量的影响最小。我们注意到，在FCC对这些初创公司的例外情况下，我们的多通道设计可以用于交付如此高的功率，而不会对Wi-Fi性能产生重大影响。
8.结论
人们对物联网越来越感兴趣，在物联网中，小型计算传感器和移动设备被嵌入到日常物品和环境中。一个关键问题是，当这些设备变得越来越小、越来越多时，如何为它们提供动力;把它们插进去供电不方便，大规模使用也很困难。我们介绍了一种新颖的远场电源传输系统，该系统使用现有的Wi-Fi芯片组，同时将对Wi-Fi网络性能的影响降到最低。虽然这是将Wi-Fi用于电力输送系统的第一步，但我们相信，随着收割机的后续迭代，我们可以显著提高我们系统的能力。
致谢
本研究部分由美国国家科学基金会拨款CNS-1452494和CNS-1407583、高通创新奖学金、英特尔奖学金和华盛顿大学资助。
参考文献
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数据
图1。Wi-Fi供电的主要挑战。虽然收割机可以在Wi-Fi传输期间收集电力，但在静默期会漏电，限制了Wi-Fi满足硬件最低电压要求的能力。
图2。展示PoWiFi潜力的原型硬件。原型通过一个标准的2dbi Wi-Fi天线(未显示)从Wi-Fi信号中获取能量。低增益天线确保了该设备对天线的方向和位置不可知。我们开发了(a)捕获图像的无电池相机，(b)测量温度的温度传感器，(c)锂离子电池充电器，(d)镍氢电池充电器。
图3。整流器感知电源Wi-Fi传输和相应的整流器电压。图中显示了优化的整流器感知的PoWiFi传输和存储电容对应的电压。Vth在最大工作距离下，温度传感器每分钟读数= 2.4 V, t = 10 s。
图4。并发功率分组传输的能量模式。它由一个1字节有效载荷以54 Mbps传输的短包组成，随后是一个DIFS周期和一个功率包传输。
图5。对Wi-Fi流量的影响。图中显示了各种方案对TCP和UDP吞吐量的影响，以及美国排名前10的网站的页面加载时间。1图中显示，PoWiFi对Wi-Fi流量的影响最小。(a) UDP实验，(b) TCP实验，(c) PLT实验。
图6。PoWiFi通道入住率。图中显示了上述UDP (a)、TCP (b)和PLT (c)实验与PoWiFi的占有率。
图7。PoWiFi、整流器感知和并发功率传输对相邻Wi-Fi网络的影响。图中显示，PoWiFi功率传输提供优于EqualShare吞吐量性能。整流器感知的功率传输通过将每个通道的占用率降低10倍，进一步提高了吞吐量。另外，增加并发发送的PoWiFi设备数量并不会降低相邻Wi-Fi设备的性能。(a) PoWiFi比特率，(b)整流器感知吞吐量，(c)整流器感知占有率，和(d)并发传输。
图8。传感器更新率。温度(相机)传感器可以分别在20(17)英尺和28(23)英尺的范围内进行无电池和能量中性电池充电。(a)温度传感器(b)相机。
图9。家庭部署中的PoWiFi通道占有率。我们看到各个家庭的每个频道入住率值有显著差异。这是因为PoWiFi使用载波感知，在邻近网络加载时减少其占用率。然而，在所有家庭部署中，累计入住率都很高。(a)家园1，(b)家园2，(c)家园3，(d)家园4，(e)家园5，(f)家园6。
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