Powering the Next Billion Devices w

Powering the Next Billion Devices with Wi-Fi
Vamsi Talla, Bryce Kellogg, Benjamin Ransford, Saman Naderiparizi,
Shyamnath Gollakota and Joshua R. Smith
University of Washington
{vamsit, kellogg, samannp, ransford, gshyam, jrsjrs}@uw.edu
Abstract – We present the first power over Wi-Fi system
that delivers power and works with existing Wi-Fi chipsets.
Specifically, we show that a ubiquitous piece of wireless
communication infrastructure, the Wi-Fi router, can provide
far field wireless power without compromising the network’s
communication performance. Building on our design
we prototype, for the first time, battery-free temperature and
camera sensors that are powered using Wi-Fi chipsets with
ranges of 20 and 17 feet respectively. We also demonstrate
the ability to wirelessly recharge nickel–metal hydride and
lithium-ion coin-cell batteries at distances of up to 28 feet.
Finally, we deploy our system in six homes in a metropolitan
area and show that our design can successfully deliver
power via Wi-Fi in real-world network conditions.
1. INTRODUCTION
Starting in the late 19th century, Nikola Tesla dreamed of
eliminating wires for both power and communication [51].
As of the early 21st century, wireless communication is extremely
well established—billions of people rely on it every
day. Wireless power however has not been as successful.
In recent years, near-field, short range schemes are gaining
traction for certain range-limited applications, like powering
implanted medical devices [56] and recharging cars [21] and
phones from power delivery mats [37, 30, 20]. More recently
researchers have demonstrated the feasibility of powering
sensors and devices in the far field using RF signals from
TV [46, 36] and cellular [55, 44] base stations. This is exciting,
because in addition to enabling power delivery at farther
distances, RF signals can be used to simultaneously charge
multiple devices due to their broadcast nature.
This paper shows that a ubiquitous piece of wireless communication
infrastructure, the Wi-Fi router, can provide farfield
wireless power without significantly compromising network
performance. This is attractive for three key reasons:
 In contrast to TV and cellular transmissions,Wi-Fi is ubiquitous
in indoor environments and operates in the unlicensed
ISM band where transmissions can be legally modified
to deliver power. Repurposing Wi-Fi networks for
power delivery can ease the deployment of RF-powered
devices without additional power infrastructure.
 Wi-Fi uses OFDM, an efficient waveform for power delivery
because of its high peak-to-average ratio [53, 52].
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Voltage (in V)
time (in ms)
minimum threshold voltage
Figure 1—Key challenge with Wi-Fi power delivery. While the
harvester can gather power during Wi-Fi transmissions, the power
leaks during silent periods, limitingWi-Fi’s ability to meet the minimum
voltage requirements of the hardware.
Given Wi-Fi’s economies of scale, Wi-Fi chipsets provide
a cheap platform for sending these power-optimized waveforms,
enabling efficient power delivery.
 Sensors and mobile devices are increasingly equipped
with 2.4 GHz antennas for communication via Wi-Fi,
Bluetooth or ZigBee. We can, in principle, use the same
antenna for both communication andWi-Fi power harvesting
with a negligible footprint on the size of the device.
While recent efforts in the RFID community have focused
on designing efficient 2.4 GHz harvesters [25, 26], none of
them have demonstrated power delivery using signals from
existing Wi-Fi devices. To check if it would “just work,”
we placed a battery-free temperature sensor equipped with
2.4 GHz harvesting hardware ten feet from our organization’s
Wi-Fi router. We found that, over a 24-hour period,
the sensor could not reach the minimum voltage of 300mV
to operate the harvesting hardware.
The key reason for this is the fundamental mismatch between
the requirements for power delivery and the Wi-Fi
protocol. This is succinctly captured in Fig. 1 which plots the
voltage at the harvester in the presence of Wi-Fi transmissions.
The figure shows that while the harvester can gather
power during Wi-Fi transmissions, the power leaks during
silent periods, significantly limiting Wi-Fi’s ability to meet
the minimum voltage requirement. These silent periods however
are inherent to a distributed medium access protocol
such as Wi-Fi, where multiple devices share the same wireless
medium. A continuous transmission from the router
would significantly deteriorate the performance of its own
Wi-Fi clients as well as other Wi-Fi networks in the vicinity.
1
arXiv:1505.06815v1 [cs.NI] 26 May 2015
(a) Battery Free Camera (b) Temperature Sensor (c) Li-Ion Battery Charger (d) NiMH Battery Charger
Figure 2—Prototype hardware demonstrating PoWiFi’s potential. The prototypes harvest energy from Wi-Fi signals through a standard
2 dBi Wi-Fi antenna [2] (not shown). The low gain antenna ensures that the device is agnostic to th

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

เปิดอุปกรณ์ถัดไปพันล้านกับ Wi-FiVamsi Talla บี.ไบร์ซ เบนจามิน Ransford โรงแรมซาแมน NaderipariziShyamnath Gollakota และโยชูวาอาร์สมิธมหาวิทยาลัยวอชิงตัน{vamsit บี., samannp, ransford, gshyam, jrsjrs}@uw.eduนามธรรม – เรานำเสนอพลังงานแรกผ่านระบบ Wi-Fiที่ให้พลังงาน และทำงานกับ chipsets Wi-Fi ที่มีอยู่โดยเฉพาะ เราแสดงว่าชิ้นส่วนสมบูรณ์ของเครือข่ายไร้สายจัดหาโครงสร้างพื้นฐานในการสื่อสาร เราเตอร์ไร้สายไกลเขตไฟฟ้าไร้สายโดยไม่สูญเสียของเครือข่ายประสิทธิภาพของการสื่อสาร อาคารออกแบบของเราเราสร้าง ครั้งแรก ฟรีแบตเตอรี่อุณหภูมิ และเซนเซอร์กล้องที่ขับเคลื่อนโดยใช้ chipsets Wi-Fi ด้วยช่วงเท้า 17 และ 20 ตามลำดับ เรายังแสดงให้เห็นถึงความสามารถในแบบไร้สายชาร์จนิกเกิลโลหะไฮไดรด์ และแบตเตอรี่เซลล์เหรียญลิเทียมไอออนที่มีระยะห่างถึง 28 ฟุตสุดท้าย เราจัดวางระบบของเราในมหานครบ้านหกที่ตั้งและการแสดงที่ออกแบบเราสามารถจัดส่งเรียบร้อยแล้วไฟฟ้าผ่าน Wi-Fi ในสภาพเครือข่ายจริง1. บทนำเริ่มต้นในช่วงปลายศตวรรษ Tesla สเวตินิโกลาฝันของตัดสายไฟฟ้าและการสื่อสาร [51]ณ ช่วงต้นศตวรรษ สื่อสารไร้สายเป็นอย่างมากกำหนดขึ้นด้วย — พันล้านคนอาศัยในทุกวันที่ พลังงานไร้สายแต่ไม่ได้ประสบความสำเร็จเป็นในปีที่ผ่านมา แผนงานช่วงใกล้ฟิลด์ สั้นจะได้รับลากสำหรับบางช่วงจำกัด เช่นเปิดimplanted อุปกรณ์ทางการแพทย์ [56] และการชาร์จรถยนต์ [21] และโทรศัพท์จากพลังงานส่งเสื่อ [37, 30, 20] เมื่อเร็ว ๆ นี้นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าความเป็นไปได้ของการเปิดเซนเซอร์และอุปกรณ์ในฟิลด์มากที่ใช้สัญญาณ RF จากโทรทัศน์ [46, 36] และสถานีฐานโทรศัพท์เคลื่อนที่ [55, 44] นี้เป็นที่น่าตื่นเต้นเพราะนอกจากสามารถทำการส่งพลังงานที่ไกลออกไปความยาวมากกว่า RF สัญญาณสามารถใช้พร้อมกันค่าอุปกรณ์หลายชนิดเนื่องจากธรรมชาติของพวกเขาออกอากาศเอกสารนี้แสดงให้เห็นว่าชิ้นส่วนสมบูรณ์ของการสื่อสารไร้สายโครงสร้างพื้นฐาน เราเตอร์ Wi-Fi ให้ farfieldไฟฟ้าแบบไร้สายโดยไม่สูญเสียเครือข่ายอย่างมีนัยสำคัญประสิทธิภาพของ นี่คือน่าสนใจเหตุผลหลักสาม:ตรงข้ามทีวีและโทรศัพท์มือถือส่ง Wi-Fi จะแพร่หลายในสภาพแวดล้อมภายใน และทำงานที่ใช้วง ISM ที่ส่งสามารถกฎหมายแก้ไขส่งพลังงาน แม้เครือข่าย Wi-Fi สำหรับจ่ายพลังงานที่สามารถช่วยใช้พลังงาน RFอุปกรณ์ไม่ มีโครงสร้างพื้นฐานพลังงานเพิ่มเติมWi-Fi ใช้ OFDM รูปคลื่นมีประสิทธิภาพสำหรับการจัดส่งพลังงานเนื่องจากความสูงสูงสุดค่าเฉลี่ยอัตราส่วน [53, 52]00.10.20.30.40 0.5 1 1.5 2 2.5แรงดันไฟฟ้า (V)เวลา (ms)แรงดันขีดจำกัดต่ำสุดรูปที่ 1 คือสำคัญท้าทายกับส่งพลังงานไร้สาย ในขณะเก็บเกี่ยวสามารถรวบรวมพลังงานระหว่างส่ง Wi-Fi อำนาจรั่วไหลช่วงที่เงียบ limitingWi ไร้ความสามารถในการตอบสนองต่ำสุดความต้องการแรงดันไฟฟ้าของฮาร์ดแวร์กำหนด Wi-Fi เศรษฐกิจของขนาด Wi-Fi chipsets ให้แพลตฟอร์มประหยัดส่ง waveforms เหล่านี้ปรับไฟฟ้าสามารถทำการส่งพลังงานที่มีประสิทธิภาพเซนเซอร์และอุปกรณ์เคลื่อนที่มากขึ้นพร้อมมีเสาอากาศ 2.4 GHz สำหรับการสื่อสารผ่าน Wi-Fiบลูทูธหรือ ZigBee เราสามารถ หลัก ใช้เหมือนกันเสาอากาศทั้งสองสื่อสารไร้สาย andWi กำลังเก็บเกี่ยวมีรอยเท้าระยะขนาดของอุปกรณ์ในขณะที่มีการมุ่งเน้นความพยายามล่าสุดในชุมชน RFIDการออกแบบมีประสิทธิภาพ harvesters 2.4 GHz [25, 26], ไม่มีพวกเขาได้แสดงให้เห็นว่าส่งพลังงานโดยใช้สัญญาณจากอุปกรณ์ไร้สายที่มีอยู่ การตรวจสอบถ้ามันจะ "ห้องทำงานเราใส่เซนเซอร์อุณหภูมิแบตเตอรี่ฟรีพร้อม2.4 GHz เก็บเกี่ยวฮาร์ดแวร์ 10 ฟุตจากองค์กรของเราเราเตอร์ไร้สาย เราพบว่า ช่วงระยะเวลา 24 ชั่วโมงการเซ็นเซอร์ไม่ถึงแรงดันไฟฟ้าต่ำของ 300mVการใช้งานฮาร์ดแวร์ harvestingสาเหตุสำคัญคือ พื้นฐานตรงข้อกำหนดสำหรับการจัดส่งพลังงานและ Wi-Fiโพรโทคอลการ นี้ succinctly จับภาพใน 1 Fig. ซึ่งลงจุดแรงดันไฟฟ้าที่เก็บเกี่ยวในต่อหน้าของส่งจอดตัวเลขแสดงให้เห็นว่าในขณะที่การเก็บเกี่ยวสามารถรวบรวมพลังงานระหว่างส่ง Wi-Fi รั่วไฟฟ้าระหว่างรอบเงียบ Wi-Fi สามารถตอบสนองการจำกัดอย่างมีนัยสำคัญความต้องการแรงดันต่ำ รอบเงียบอย่างไรก็ตามเป็นสิ่งที่แฝงการโพรโทคอเข้าถึงปานกลางกระจายเช่น Wi-Fi ที่อุปกรณ์หลายร่วมไร้สายเดียวกันสื่อ ส่งเนื่องจากเราเตอร์อย่างมีนัยสำคัญจะเสื่อมประสิทธิภาพการทำงานของตัวเองไคลเอนต์ไร้สายเป็นเครือข่ายไร้สายอื่น ๆ ในบริเวณใกล้เคียง1arXiv:1505.06815v1 [ซีเอส NI] 26 2015 พฤษภาคม(ก) กล้องฟรี (ข) อุณหภูมิเซ็นเซอร์ (c) Li-Ion แบตเตอรี่เครื่องชาร์จ (d) NiMH แบตเตอรี่เครื่องชาร์จแบตเตอรี่รูปที่ 2 — ฮาร์ดแวร์ต้นแบบที่เห็น PoWiFi ของเป็นไป แบบตัวอย่างเก็บเกี่ยวพลังงานจากสัญญาณ Wi-Fi ผ่านมาตรฐาน2 dBi ไร้สายเสาอากาศ [2] (ไม่แสดง) เสาอากาศกำไรต่ำเพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ agnostic ไป

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

เปิดเครื่องพันล้านถัดไปอุปกรณ์ที่มี Wi-Fi
Vamsi Talla, ไบรซ์เคลล็อก, เบนจามิน Ransford, สมาน Naderiparizi,
Shyamnath Gollakota และโจชัวอาร์สมิ ธ
มหาวิทยาลัยวอชิงตัน
{vamsit, เคลล็อกก์ samannp, Ransford, gshyam, jrsjrs}@uw.edu
บทคัดย่อ - เรานำเสนอการใช้พลังงานครั้งแรกระบบ Wi-Fi
ที่ให้พลังงานและทำงานร่วมกับชิปเซ็ตที่มีอยู่ Wi-Fi.
โดยเฉพาะเราแสดงให้เห็นว่าเป็นชิ้นส่วนที่แพร่หลายของไร้โครงสร้างพื้นฐานการสื่อสารเราเตอร์ Wi-Fi สามารถให้ไกลสนามพลังงานไร้สายโดยไม่สูญเสียเครือข่ายประสิทธิภาพการสื่อสาร อาคารในการออกแบบของเราเราต้นแบบเป็นครั้งแรกที่อุณหภูมิของแบตเตอรี่ฟรีและเซ็นเซอร์กล้องที่จะขับเคลื่อนโดยใช้ชิปเซ็ตWi-Fi กับช่วงวันที่20 และ 17 ตามลำดับฟุต นอกจากนี้เรายังแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการแบบไร้สายชาร์จนิกเกิลโลหะและแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกระดุมที่ระยะทางได้ถึง28 ฟุต. สุดท้ายเราปรับใช้ระบบของเราอยู่ในที่หกที่อยู่อาศัยในเมืองหลวงในพื้นที่และแสดงให้เห็นว่าการออกแบบของเราประสบความสำเร็จสามารถส่งมอบพลังงานผ่าน Wi-Fi ในเงื่อนไขของเครือข่ายที่แท้จริงของโลก. 1 บทนำเริ่มต้นในช่วงปลายศตวรรษที่ 19, Nikola Tesla ฝันของการกำจัดสายทั้งพลังงานและการสื่อสาร[51]. ณ ช่วงต้นศตวรรษที่ 21, การสื่อสารไร้สายเป็นอย่างมากที่จัดตั้งขึ้นพันล้านดีของคนที่อาศัยอยู่กับมันทุกวัน พลังงานไร้สาย แต่ไม่ได้รับการประสบความสำเร็จ. ในปีที่ผ่านมาที่อยู่ใกล้สนามแบบช่วงสั้นจะดึงดูดฉุดสำหรับการใช้งานในระยะ จำกัด บางอย่างเช่นการเปิดเครื่องฝังอุปกรณ์ทางการแพทย์[56] และรถยนต์ชาร์จประจุใหม่ [21] และโทรศัพท์จากเสื่อจัดส่งพลังงาน[37, 30, 20] เมื่อเร็ว ๆ นี้นักวิจัยได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของการเปิดเครื่องเซ็นเซอร์และอุปกรณ์ในเขตห่างไกลการใช้สัญญาณRF จากทีวี[46, 36] และโทรศัพท์มือถือ [55, 44] สถานีฐาน นี้เป็นที่น่าตื่นเต้นเพราะนอกจากจะช่วยให้การจัดส่งพลังงานที่ไกลออกไปในระยะทางสัญญาณRF สามารถนำมาใช้พร้อมกันคิดค่าอุปกรณ์หลายเนื่องจากลักษณะการออกอากาศของพวกเขา. กระดาษนี้จะแสดงให้เห็นว่าเป็นชิ้นส่วนที่แพร่หลายของการสื่อสารไร้สายโครงสร้างพื้นฐานเราเตอร์ Wi-Fi สามารถ ให้ farfield พลังงานไร้สายโดยไม่ต้องสูญเสียอย่างมีนัยสำคัญของเครือข่ายการปฏิบัติงาน นี้เป็นที่น่าสนใจสำหรับสามเหตุผลที่สำคัญ:? ในทางตรงกันข้ามกับทีวีและการส่งโทรศัพท์มือถือ, Wi-Fi เป็นที่แพร่หลายในสภาพแวดล้อมในร่มและทำงานในที่ไม่มีใบอนุญาตวงISM ที่ส่งสามารถแก้ไขได้ถูกต้องตามกฎหมายที่จะส่งมอบพลังงาน repurposing เครือข่าย Wi-Fi สำหรับการจัดส่งพลังงานสามารถอำนวยความสะดวกการใช้งานของRF ขับเคลื่อนอุปกรณ์โดยไม่ต้องโครงสร้างพื้นฐานพลังงานเพิ่มเติม.? Wi-Fi ที่ใช้ OFDM ซึ่งเป็นรูปแบบของคลื่นที่มีประสิทธิภาพสำหรับการจัดส่งพลังงานเพราะอัตราส่วนสูงสุดต่อการเฉลี่ยสูง[53, 52]. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 แรงดัน (วี) เวลา (ในมิลลิวินาที) ขั้นต่ำ แรงดันเกณฑ์รูปที่1 ความท้าทายที่สำคัญที่มีการจัดส่งพลังงาน Wi-Fi ในขณะที่เครื่องเกี่ยวนวดและสามารถรวบรวมพลังงานในระหว่างการส่งสัญญาณ Wi-Fi อำนาจการรั่วไหลในช่วงระยะเวลาเงียบความสามารถlimitingWi-Fi เพื่อตอบสนองขั้นต่ำความต้องการแรงดันไฟฟ้าของฮาร์ดแวร์. ป.ร. ให้เศรษฐกิจ Wi-Fi ของขนาดชิปเซ็ต Wi-Fi ให้เป็นแพลตฟอร์มที่ราคาถูกเหล่านี้ส่งคลื่นพลังงานที่ดีที่สุดที่ช่วยให้การจัดส่งพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ.? เซนเซอร์และโทรศัพท์มือถือมีความพร้อมมากขึ้นด้วยความถี่ 2.4 GHz เสาอากาศสำหรับการสื่อสารผ่าน Wi-Fi, Bluetooth หรือ ZigBee เราสามารถในหลักการใช้เหมือนเสาอากาศสำหรับการเก็บเกี่ยวทั้งการสื่อสารพลังงาน andWi-Fi ที่มีรอยเล็กน้อยกับขนาดของอุปกรณ์. ในขณะที่ความพยายามล่าสุดในชุมชน RFID ที่มีการมุ่งเน้นในการออกแบบที่มีประสิทธิภาพ2.4 GHz เก็บเกี่ยว [25 26] ไม่มีของพวกเขาได้แสดงให้เห็นการจัดส่งพลังงานการใช้สัญญาณจากอุปกรณ์ที่มีอยู่Wi-Fi เพื่อตรวจสอบว่ามันจะ "เพียงทำงาน" เราวางเซ็นเซอร์อุณหภูมิแบตเตอรี่พร้อมกับ2.4 GHz ฮาร์ดแวร์เก็บเกี่ยวสิบฟุตจากองค์กรของเราของเราเตอร์Wi-Fi เราพบว่าในช่วงระยะเวลา 24 ชั่วโมงเซ็นเซอร์อาจจะไม่ถึงขั้นต่ำของแรงดันไฟฟ้า300mV ต่อการใช้งานฮาร์ดแวร์เก็บเกี่ยว. เหตุผลที่สำคัญสำหรับการนี้เป็นพื้นฐานที่ไม่ตรงกันระหว่างความต้องการสำหรับการจัดส่งพลังงานและ Wi-Fi โปรโตคอล นี้ถูกจับในรูปที่ชัดถ้อยชัดคำ 1 ที่แปลงแรงดันไฟฟ้าที่ตัดไม้ในการปรากฏตัวของการส่งผ่านWi-Fi ที่. ตัวเลขที่แสดงให้เห็นว่าในขณะที่เก็บเกี่ยวสามารถรวบรวมพลังงานในระหว่างการส่งสัญญาณ Wi-Fi การรั่วไหลของพลังงานในช่วงระยะเวลาที่เงียบอย่างจำกัด ความสามารถในการเชื่อมต่อ Wi-Fi เพื่อตอบสนองความต้องการขั้นต่ำต้องการแรงดันไฟฟ้า เหล่านี้ช่วงเวลาที่เงียบ แต่มีการจดทะเบียนโปรโตคอลการเข้าถึงสื่อที่กระจายเช่นWi-Fi ที่อุปกรณ์หลายแบ่งปันไร้สายเดียวกันกลาง เกียร์อย่างต่อเนื่องจากเราเตอร์อย่างมีนัยสำคัญจะเสื่อมประสิทธิภาพการทำงานของตัวเองลูกค้าWi-Fi เช่นเดียวกับเครือข่ายอื่น ๆ Wi-Fi ในบริเวณใกล้เคียง. 1 arXiv: 1505.06815v1 [cs.NI] 26 พฤษภาคม 2015 (ก) แบตเตอรี่กล้องฟรี ( ข) เซนเซอร์วัดอุณหภูมิ (ค) Li-Ion Battery Charger (ง) การชาร์จแบตเตอรี่ NiMH ฮาร์ดแวร์รูปที่ 2 แสดงให้เห็นถึงศักยภาพต้นแบบ PoWiFi ของ ต้นแบบเก็บเกี่ยวพลังงานจากสัญญาณ Wi-Fi ผ่านมาตรฐาน2 dBi เสาอากาศ Wi-Fi [2] (ไม่แสดง) เสาอากาศกำไรต่ำเพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ที่ไม่เชื่อเรื่องพระเจ้าเพื่อ th