Procesamiento de señales para mejorar la eficiencia energética y la seguridad en internet de las cosas

Abstract

En la historia de la humanidad las comunicaciones siempre han sido de vital importancia, pero es en estos últimos años que la necesidad de la hiperconectividad se ha vuelo una realidad. Diversos dispositivos, ya sean electrónicos o no, cuentan con elementos que les permiten conectarse a internet y ser monitoreados. Es a partir de estos conceptos que nace el paradigma de Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT). Esta intrincada red de comunicaciones plantea varios desafíos en términos de conectividad y alimentación, y más aún, cuando se espera que el número de estos dispositivos llegue a los casi 100 mil millones en un futuro muy cercano. Considerando este enorme y acelerado incremento del número de dispositivos de IoT se hace necesaria la implementación de técnicas eficientes para proveerlos de energía para su funcionamiento. Una manera alternativa al uso de las clásicas baterías, tan contaminantes para el medio ambiente, es por medio de la cosecha de energía a través de señales de radio frecuencia (RF). En este sentido, y tratándose de señales RF, pueden aprovecharse las mismas tanto para la transferencia de energía como para la de información. Para poder realizar simultáneamente esta transferencia de energía e información es necesario aplicar ciertas técnicas que permitan separar estos dos tipos de señales, tanto en la transmisión como en la recepción. En la práctica, esta transferencia de energía no es un asunto trivial, debido a las limitaciones que existen en la transmisión y recepción de este tipo de señales, como así también a las grandes pérdidas que provocan los canales inalámbricos. Es por esto que es necesario proveer técnicas que mejoren la eficiencia desde el punto de vista tanto del transmisor como del cosechador de energía, localizado en el receptor. Por otro lado, desde el punto de vista de las pérdidas ocasionadas por el canal, pueden aprovecharse técnicas nuevas que mitiguen esta problemática, extendiendo el rango de trabajo de los sistemas. Como requisito adicional en el camino hacia las tecnologías de Sexta Generación (6G), la provisión de seguridad es una preocupación importante en el contexto de las futuras redes inalámbricas, y aquellas que operan bajo el paradigma de la cosecha de energía no son una excepción. La inherente naturaleza de las comunicaciones inalámbricas de esparcir la señal en todas direcciones (broadcast) las hace vulnerables a amenazas de agentes externos capaces de robar información. Pero, en el contexto de IoT donde los nodos de bajo costo/complejidad, con limitaciones estrictas de energía y recursos, son los componentes principales, las técnicas tradicionales para la transmisión segura de información no son compatibles. Por esto, es necesario proveer técnicas que no necesiten de un costo computacional tan elevado y puedan ser aprovechadas por cualquier dispositivo.

In the history of mankind, communications have always been of vital importance, but it is in recent years that the need for hyperconnectivity has become a reality. Various devices, whether electronic or not, have elements that allow them to connect to the Internet and be monitored. It is from these concepts that the Internet of Things (IoT) paradigm is born. This intricate communications network poses several challenges in terms of connectivity and power, and even more so, when the number of these devices is expected to reach almost 100 billion in the very near future. Considering this huge and accelerated increase in the number of IoT devices, it becomes necessary to implement efficient techniques to provide them with power for their operation. An alternative to the use of classic batteries, so polluting for the environment, is by means of energy harvesting through radio frequency (RF) signals. In this sense, RF signals can be used for both energy and information transfer. In order to carry out this energy and information transfer simultaneously, it is necessary to apply certain techniques that allow separating these two types of signals, both in transmission and reception. In practice, this energy transfer is not a trivial matter, due to the limitations that exist in the transmission and reception of this type of signals, as well as the high losses caused by wireless channels. This is why it is necessary to provide techniques that improve efficiency from the point of view of both the transmitter and the energy harvester, located at the receiver. On the other hand, from the point of view of the losses caused by the channel, new techniques can be used to mitigate this problem, extending the working range of the systems. As an additional requirement on the road to Sixth Generation (6G) technologies, the provision of security is a major concern in the context of future wireless networks, and those operating under the energy harvesting paradigm are no exception. The inherent nature of wireless communications to spread the signal in all directions (broadcast) makes them vulnerable to threats from external agents capable of stealing information. But, in the context of IoT where low-cost/complexity nodes, with strict energy and resource constraints, are the main components, traditional techniques for secure information transmission are not compatible. Therefore, it is necessary to provide techniques that do not require such a high computational cost and can be exploited by any device.