Los investigadores han encontrado una forma económica y de bajo consumo de energía para que una gran cantidad de dispositivos, como máquinas en fábricas e instrumentos en laboratorios, compartan información mediante el uso eficiente de señales en altas frecuencias no utilizadas.
Esta tecnología puede permitir instantáneamente un monitoreo en tiempo real eficiente y de bajo costo en entornos industriales, como la detección del estado de fabricación de robots o la detección de fugas de gas en refinerías, eliminando la necesidad de transmisores de señales que consumen mucha energía. Con algunas mejoras de ingeniería, la tecnología podría usarse para aplicaciones a gran escala, como ciudades inteligentes y agricultura, dijeron los investigadores.
La tecnología es una versión avanzada de un dispositivo que transmite datos en un sistema inalámbrico, comúnmente conocido como etiqueta. La nueva etiqueta puede admitir la transmisión de datos para una gran red de dispositivos mediante una técnica llamada retrodispersión. Aquí es donde un lector central envía una señal a una etiqueta de sensor para recopilar información, y la etiqueta devuelve esta señal ambiental directamente al lector. La retrodispersión ya se utiliza en sistemas simples como pagos inteligentes y tarjetas de entrada a edificios, pero hasta ahora solo es posible a bajas frecuencias.
El rango de baja frecuencia crea un problema cuando muchos dispositivos intentan comunicarse al mismo tiempo porque cuando se introducen más señales, es más probable que colisionen e interfieran entre sí. Los diseños tradicionales de retrodispersión también tienen velocidades de comunicación más lentas, porque las señales de baja frecuencia limitan la cantidad de información que se puede enviar de un lado a otro simultáneamente.
La nueva etiqueta, desarrollada por investigadores de Princeton, la Universidad Rice y la Universidad Brown, es la primera de su tipo que puede utilizar retrodispersión en el rango de subterahercios, una parte de alta frecuencia del espectro de radio. Este rango puede soportar la transmisión de datos de alta velocidad a través de amplios anchos de banda. El desarrollo significa que puede ser posible alimentar la transmisión de señales para redes densas de dispositivos utilizando etiquetas pasivas, ahorrando una cantidad significativa de energía e infraestructura en comparación con los sistemas inalámbricos tradicionales.
“Creo que esta tecnología encontrará aplicaciones en muchos entornos interesantes”, afirmó Yasman Ghassimpour, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en Princeton e investigador principal del estudio. “A pesar de la sabiduría convencional, este artículo muestra que las comunicaciones escalables y de bajo consumo en el rango de subterahercios son posibles”.
Este artículo fue publicado el 9 de octubre. Comunicaciones de la naturaleza.
La retrodispersión es difícil de utilizar en frecuencias más altas porque las señales son más propensas a desvanecerse a medida que se propagan y deben ser muy precisas para viajar largas distancias. “El lector tiene que crear un haz estrecho en forma de lápiz para brillar en la ubicación exacta de la etiqueta, y una etiqueta de baja potencia tiene que hacer lo mismo sin ningún tipo de energía. Ese es el verdadero desafío”, dijo Ghasimpour.
Las etiquetas de retrodispersión tradicionales reflejan las señales hacia su fuente utilizando antenas simples que generalmente irradian energía en todas direcciones, lo que hace que solo una fracción de la energía llegue al lector. Aunque algunas etiquetas modernas pueden ajustar la dirección de su señal, su capacidad para hacerlo es limitada y están limitadas a un rango estrecho de frecuencias. Lograr la retrodispersión por debajo de los hercios requirió que el equipo repensara toda la arquitectura de la etiqueta, dijo Ghassimpour. “No va a funcionar utilizando el mismo diseño de hardware antiguo y ampliándolo”, afirmó.
Para abordar estas limitaciones, los investigadores idearon una estructura de antena completamente nueva. Las antenas más nuevas permiten que la dirección de la señal cambie automáticamente en respuesta a cambios de frecuencia. Al hacerlo, la etiqueta puede conducir la señal para permitir la comunicación de largo alcance y evitar interferencias de otras señales. En otras palabras, la señal de interferencia de cada etiqueta está limitada en los dominios espacial y espectral.
Ghasimpour dijo que espera que otros lean el documento y encuentren mejoras en ingeniería para aplicaciones modernas. Al implementar una forma económica de amplificar las señales en el sistema, por ejemplo, la tecnología podría alimentar redes de sensores para monitorear la calidad del aire o el flujo de tráfico en las ciudades.
Las etiquetas se pueden colocar en las señales de tráfico para que las detecten los vehículos autónomos, ya que pueden utilizar ondas de radio para transmitir mensajes como “detente” o “cede el paso” incluso en niebla o nieve debido a que la visibilidad no es buena. En agricultura, la tecnología puede ayudar a construir extensas redes de sensores de suelo en campos o bosques, proporcionando datos en tiempo real sobre los niveles de humedad o temperatura.
El desarrollo de moduladores de datos de baja potencia en este tipo de sistemas es un área activa de investigación, dijo Ghasimpour, y esta innovación es un paso hacia la reducción de costos y consumo de energía para todo el sistema inalámbrico.
