Enabling the internet of things through energy harvesting : a circuit-aware system synthesis-oriented analysis approach

Powering wireless sensors has become a key challenge to enable the Internet of Things vision. A common approach to achieve this is to use Energy Harvesting. By means of this technology, sensors have access to an unlimited source of energy, which can extend their operation lifetime. Unfortunately, typically the energy that is available surrounding the sensors is neither controllable nor predictable, showing significant variations in the expected harvested energy in terms of both space and time. This can cause the temporal disconnection of parts of the wireless network. The objective of this thesis is to mitigate the undesirable effects of the spatio-temporal variations of the surrounding energy, by following a two-fold approach: first, to provide a high level understanding of the involved trade-offs in the design of a wireless sensor and the interconnecting network. Then, to synthesize an energy field to guarantee the required amount of ambient energy at the surrounding of the considered nodes. The first part of the thesis starts by presenting a formal description of the environment. The derived energy model is first used to answer fundamental questions on throughput scaling and, then, to provide design guidelines for energy harvesting sensors. It is found that energy harvesting is a scalable solution to power and recharge IoT sensors, which require additional circuit design to guarantee their operation in energy scarce scenarios. On the second part of this work, wireless RF power transmission from controllable Energy Transmitters (ETs) is considered as a feasible approach to synthesize an energy field to power sensors at-a-distance, hence tackling the lack of available ambient energy in spatial regions, at the cost of occupying the available wireless spectrum. Due to the limited transmission range of this approach, the use of multiple ETs to cover entire areas is required. We first discuss on the feasibility of synthesizing energy fields with multiple ETs. We show that powering those sensors with multiple ETs stands as a scalable approach, which presents a trade-off between the channel conditions and the energy multiplexing design complexity. We, then, present an opportunistic scheme to leverage the generated interferences of multiple ETs. Finally, we propose a joint energy and communication method to circumvent the imposed trade-offs of in-band multi-ET wireless RF power transmission. Overall, we find that the analysis and design of wireless networked sensing systems, enabled by energy harvesting, and the development of novel wireless RF power transmissions schemes will play a key role in the future development of autonomous IoT deployments. Alimentar sensores inalámbricos se ha convertido en uno de los mayores problemas para permitir la visión de la Internet of Things (IoT). La recolección de energía (energy harvesting) aparece como una tecnología habitual para abordar este problema. A través de esta, los sensores tienen acceso a una fuente ilimitada de energía, que puede extender el tiempo de vida de operación. Desafortunadamente, la energía que está disponible alrededor de los sensores, típicamente, no es ni controlable ni predictible. Por lo que exhibe variaciones significativas en la cantidad de energía recolectada tanto en términos espaciales como temporales. Así, esto puede causar desconexiones temporales de ciertas áreas o partes de la red inalámbrica. El objetivo de esta tesis se centra en reducir los efectos indeseados de las variaciones espacio temporales de la energía del ambiente, siguiendo una doble aproximación: En primer lugar, proporcionar un entendimiento a alto nivel de los compromisos que intervienen tanto en el diseño de los sensores inalámbricos como de la red que los interconecta. En segundo lugar, sintetizar un campo de energía que garantice la cantidad necesaria de energía ambiente alrededor de los nodos sensores. Así, la primera parte de la tesis empieza presentando una descripción formal del entorno. Se proporciona un modelo energético que se utiliza para responder preguntas fundamentales en referencia a la capacidad de la red y para proporcionar pautas en el diseño de los nodos sensores. Tal y como se muestra, la recolección de energía es una solución escalable para alimentar y recargar los sensores IoT, aunque ellos necesitan circuitería y componentes adicionales para garantizar una operación ininterrumpida. En la segunda parte de este trabajo, la transmisión inalámbrica de energía desde transmisores de energía (ETs, por sus siglas en inglés) se considera una aproximación viable para sintetizar un campo de energía que alimente los nodos sensores. Éste permite llegar a las regiones del espacio donde no hay suficiente energía ambiente, al coste de ocupar parte del espectro radioeléctrico. Debido a que el alcance de la transmisión de energía está muy limitado, se múltiples ETs para cubrir áreas enteras. Primero, se realiza un estudio de viabilidad de síntesis de campos de energía mediante múltiples ETs. Del estudio, se extrae que el método es escalable aunque presenta un compromiso entre complejidad en el diseño de acceso múltiple al medio para transmisión de energía y calidad del canal. Después, se presenta un método oportunista para aprovechar las interferencias entre transmisiones de energía con tal de optimizar la recarga de los nodos. Finalmente, proponemos un método para permitir el acceso simultaneo de energía e información al espectro de RF. En resumen, el análisis y diseño de redes inalámbricas de sensores, alimentadas por la recolección de energía y la transmisión inalámbrica de energía jugaran un papel fundamental en el futuro desarrollo de despliegues de redes autónomas de IoT.