Evaluation of energy consumption of 5G devices for self-sustainable operation through multi-source energy harvesting

Abstract

Com a aplicação de sensores sem fio vendo um uso crescente e generalizado na indústria à medida que a tecnologia de telecomunicações avança, a introdução da tecnologia New Radio de 5ª Geração (NR5G), projetada para atender às necessidades industriais, torna-se ainda mais atraente, permitindo transmissão de grandes quantidades de dados com alta confiabilidade e baixa latência. No entanto, essas capacidades aumentadas vem a custo de um aumento no consumo de energia, representando desafios para unidades alimentadas por bateria. Embora haja esforços para reduzir o consumo de energia do 5G e aumentar a capacidade das baterias, as tecnologias de coleta de energia podem ser uma solução adicional. Essas tecnologias focam em coletar energia do ambiente, muitas vezes gerada pelos processos que estão sendo monitorados, e transformá-la em energia elétrica que pode alimentar os sensores e transceptores. Com essa geração local, as baterias podem ser recarregadas e usadas apenas como um suporte, em vez de serem um fator limitante na operação. Este documento investiga a possibilidade de usar a coleta de energia para atender às demandas dos transceptores 5G. Várias medições de potência foram realizadas usando múltiplos dispositivos 5G para mapear seus usos de energia e identificar quais fatores são mais críticos para o consumo de energia. Esta informação não apenas fornece uma maneira de adaptar a transmissão para ser mais eficiente em termos de energia, mas também oferece uma base para inúmeras aplicações possíveis. Os dados foram então comparados com o rendimento potencial de diferentes técnicas de coleta de energia, a fim de investigar as condições necessárias para alimentar parcial ou totalmente os dispositivos 5G. Por fim, uma aplicação teórica usando operações de fresagem como base foi proposta para demonstrar que pode ser possível alimentar completamente um dispositivo usando múltiplas unidades de diferentes tipos de coletores de energia, desde que certas condições sejam atendidas.

With the application of wireless sensors seeing widespread, increasing use in the industry as telecommunications technology advances. The introduction of New Radio 5th Generation (NR5G) technology designed to meet industrial needs makes it even more attractive by enabling high reliability and low latency transmission of large amounts of data. However, these increased capabilities come at a cost of an increase in energy usage, posing challenges for battery powered units. While there are efforts to reduce the power consumption of 5G and increase battery capacity, energy harvesting technologies may be one more possible solution. These technologies focus on collecting energy from the environment, often generated by the processes being monitored, and transforming it into electrical energy that can power the sensors and transceivers. With this local generation, batteries can be recharged and used as an aid, rather than being a limiting factor in operation. This document investigates the possibility of using energy harvesting to meet the demands of the 5G transceivers. Multiple power measurements were conducted using multiple 5G devices in order to map their energy usage and identify what factors are the most critical to energy consumption. This information not only provides a way to tailor the transmission to be more energy efficient, but also offers a basis for numerous possible applications. The data was then compared with the potential energy yield of different energy harvesting techniques in order to investigate the conditions required to partially or fully power the 5G devices. Finally, a theoretical application using milling operations as a basis was proposed in order to demonstrate that it may be possible to fully power a device by using multiple units of different types of energy harvesters, provided certain conditions are met.