Transfert d’énergie sans fil : la solution pour des objets connectés autonomes ?

La combinaison des transferts d’énergie et d’informations sans fil ouvre de nouvelles perspectives pour l’internet industriel des objets. Une approche prometteuse pour améliorer l’efficacité énergétique des réseaux d’objets connectés industriels

L’internet industriel des objets (IIoT) fait référence à une technologie qui associe des capteurs sans fil, des contrôleurs et des technologies de communication mobile pour rendre intelligents et efficaces tous les aspects des processus de production industrielle.

Comme les IIoT peuvent impliquer plusieurs petits appareils et capteurs fonctionnant sur batterie, il est de plus en plus nécessaire de développer un réseau robuste pour la transmission de données et le transfert d’énergie afin de surveiller l’environnement IIoT.

Dans ce contexte, le transfert d’énergie sans fil est une technologie stimulante. Elle utilise des signaux radiofréquence pour alimenter de petits appareils qui consomment une puissance minimale. Récemment, le transfert simultané d’informations et d’énergie sans fil (SWIPT), qui utilise un seul signal radiofréquence pour effectuer simultanément la récupération d’énergie et le décodage d’informations, a suscité un intérêt significatif pour les IIoT.

De plus, avec la croissance rapide du nombre d’appareils intelligents, le SWIPT a été combiné avec un système d’accès multiple non orthogonal (NOMA), qui est un candidat prometteur pour les IIoT en raison de sa capacité à prolonger la durée de vie des batteries des capteurs et autres appareils. Cependant, l’efficacité énergétique de ce système diminue considérablement avec la distance de transmission depuis le contrôleur central.

Une nouvelle approche basée sur un système d’antennes distribuées

Pour surmonter cette limitation, une équipe de chercheurs de Corée du Sud, dirigée par le professeur Dong-Wook Seo de l’université maritime et océanique de Corée, a développé un nouveau cadre en appliquant le SWIPT assisté par NOMA à un système d’antennes distribuées (DAS), améliorant considérablement les efficacités énergétique et spectrale des IIoT.

« En appliquant un DAS avec des antennes de support relativement proches des utilisateurs périphériques aux côtés d’une station de base centrale, la perte du SWIPT-NOMA avec la distance croissante peut être réduite efficacement. Cela améliore les performances de décodage d’informations et de récupération d’énergie », commente le Dr Seo.

Un algorithme pour maximiser l’efficacité énergétique

Les chercheurs ont formulé un algorithme itératif en trois étapes pour maximiser l’efficacité énergétique du système SWIPT-NOMA-DAS. Ils ont d’abord optimisé l’allocation de puissance pour le contrôleur IoT central. Après cela, l’allocation de puissance pour la signalisation NOMA et l’attribution de séparation de puissance (PS) pour le SWIPT ont été optimisées conjointement, tout en minimisant les débits de données et les exigences en énergie récupérée.

Enfin, l’équipe a analysé un événement de panne dans lequel le système ne peut pas fournir suffisamment d’énergie et de débits de données, étendant ainsi la méthode d’optimisation de l’allocation de puissance conjointe et de l’attribution PS au scénario multi-clusters.

Ils ont validé leur algorithme par de nombreuses simulations numériques, constatant que le système SWIPT-NOMA-DAS proposé est cinq fois plus économe en énergie que le SWIPT-NOMA sans DAS. De plus, il montre une amélioration des performances de plus de 10% par rapport au SWIPT-OMA-DAS.

Des applications riche de possibilités

Soulignant l’importance de leur étude, le Dr Seo conclut : « Cette technologie assure une consommation d’énergie très efficace et offre divers avantages tels que la commodité, la faible consommation et l’extension de la durée de vie de la batterie. Ainsi, elle peut être appliquée aux smartphones, ordinateurs portables, appareils portables et véhicules électriques. Surtout, le système SWIPT-NOMA-DAS peut optimiser l’allocation des ressources et effectuer efficacement la recharge sans fil et la transmission d’informations pour les utilisateurs dans un environnement IoT.»

En synthèse

La combinaison du transfert d’énergie et d’informations sans fil (SWIPT) avec l’accès multiple non orthogonal (NOMA) et un système d’antennes distribuées (DAS) est une approche prometteuse pour améliorer l’efficacité énergétique des réseaux d’objets connectés industriels.

L’algorithme développé par les chercheurs coréens permet d’optimiser l’allocation des ressources pour maximiser les performances.

Cette technologie ouvre des perspectives intéressantes pour de nombreuses applications comme les smartphones, les véhicules électriques ou les appareils portables.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que l’internet industriel des objets (IIoT) ?

L’IIoT désigne l’utilisation de capteurs, contrôleurs et technologies de communication mobile pour connecter et optimiser les processus de production industrielle.

En quoi le transfert d’énergie sans fil est-il intéressant pour l’IIoT ?

Il permet d’alimenter à distance les petits capteurs et appareils sur batterie de l’IIoT, améliorant leur autonomie.

Qu’est-ce que le SWIPT ?

Le SWIPT combine transfert d’énergie et d’informations sur un même signal radiofréquence.

Comment le SWIPT-NOMA-DAS améliore l’efficacité ?

Le DAS compense la perte d’efficacité du SWIPT-NOMA sur longue distance. L’algorithme optimise l’allocation des ressources.

Quelles sont les applications potentielles ?

Smartphones, ordinateurs, objets connectés, véhicules électriques…

Article : « Energy-Efficient Power Control for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer―Nonorthogonal Multiple Access in Distributed Antenna Systems » – DOI: 10.1109/TII.2022.3217503