Un sistema para la comunicación simultánea estable entre miles de dispositivos IoT

Un equipo de investigación dirigido por el profesor Song Min Kim de la Escuela de Ingeniería Eléctrica KAIST desarrolló un sistema que puede admitir comunicaciones simultáneas para decenas de millones de dispositivos IoT utilizando ondas de nivel milimétrico de retrodispersión (mmWave).

Con su método de retrodispersión mmWave, el equipo de investigación construyó un diseño que permite la demodulación simultánea de señales en un entorno complejo para la comunicación donde decenas de miles de dispositivos IoT están dispuestos en interiores. El amplio rango de frecuencias de mmWave supera los 10 GHz, lo que proporciona una gran escalabilidad. Además, la retrodispersión refleja las señales radiadas en lugar de crearlas de forma inalámbrica, lo que permite el funcionamiento con una potencia ultrabaja. Por lo tanto, el sistema de retrodispersión mmWave ofrece conectividad a Internet a gran escala para dispositivos IoT a un bajo costo de instalación.

Esta investigación de Kangmin Bae et al. se presentó en ACM MobiSys 2022. En esta conferencia de renombre mundial para sistemas móviles, la investigación ganó el premio al mejor artículo con el título «OmniScatter: Sensitivity mmWave Backscattering Using Commodity FMCW Radar». Es significativo que los miembros de la Escuela de Ingeniería Eléctrica KAIST hayan ganado el Premio al Mejor Artículo en ACM MobiSys durante dos años consecutivos, ya que el año pasado fue la primera vez que se entregó el premio a un instituto de Asia.

IoT, como componente central de la red 5G/6G, está mostrando un crecimiento exponencial y se espera que sea parte de un billón de dispositivos para 2035. Para respaldar la conexión de dispositivos IoT a escala masiva, 5G y 6G tienen como objetivo admitir diez veces y 100 veces la densidad de red de 4G, respectivamente. Como resultado, se ha planteado la importancia de los sistemas prácticos para la comunicación a gran escala.

El mmWave es una tecnología de comunicación de próxima generación que se puede incorporar en los estándares 5G/6G, ya que utiliza ondas portadoras en frecuencias entre 30 y 300 GHz. Sin embargo, debido a la reducción de la señal a altas frecuencias y la pérdida de reflexión, el actual sistema de retrodispersión mmWave permite la comunicación en entornos limitados. En otras palabras, no puede operar en entornos complejos donde están presentes varios obstáculos y reflectores. Como resultado, se limita a la conexión a gran escala de dispositivos IoT que requieren una disposición relativamente libre.

El equipo de investigación encontró la solución en la alta ganancia de codificación de un radar FMCW. El equipo desarrolló un método de procesamiento de señales que puede separar fundamentalmente las señales de retrodispersión del ruido ambiental mientras mantiene la ganancia de codificación del radar. Lograron una sensibilidad del receptor de más de 100 mil veces la de los radares FMCW informados anteriormente, que pueden admitir la comunicación en entornos prácticos. Además, dada la propiedad del radar donde la frecuencia de la señal demodulada cambia según la ubicación física de la etiqueta, el equipo diseñó un sistema que les asigna canales de forma pasiva. Esto permite que el sistema de comunicación de retrodispersión de potencia ultrabaja aproveche al máximo el rango de frecuencia a 10 GHz o más.

El sistema desarrollado puede utilizar el radar de productos comerciales existentes como puerta de enlace, haciéndolo fácilmente compatible. Además, dado que el sistema de retrodispersión funciona a niveles de potencia ultrabajos de 10 uW o menos, puede funcionar durante más de 40 años con una sola pila de botón y reducir drásticamente los costes de instalación y mantenimiento.

El equipo de investigación confirmó que los dispositivos de retrodispersión mmWave colocados al azar en una oficina con varios obstáculos y reflectores podían comunicarse de manera efectiva. Luego, el equipo llevó las cosas un paso más allá y llevó a cabo una evaluación exitosa basada en rastreo en la que recibieron simultáneamente información enviada por 1100 dispositivos.

Su investigación presenta una conectividad que supera con creces la densidad de red requerida por la comunicación de próxima generación como 5G y 6G. Se espera que el sistema se convierta en un trampolín para el futuro hiperconectado por venir.

El profesor Kim dice que «la retrodispersión mmWave es la tecnología con la que soñamos. La escalabilidad masiva y la potencia ultrabaja a la que puede operar dispositivos IoT no tienen comparación con ninguna tecnología existente».

Agregó que esperan «que este sistema se utilice activamente para permitir la amplia disponibilidad de IoT en la próxima generación hiperconectada».

La investigación fue publicada en Actas de la 20ª Conferencia Internacional Anual sobre Sistemas, Aplicaciones y Servicios Móviles.