Simultaneous wireless information and power transfer schemes

Abstract

Το διαδίκτυο των πραγμάτων (Internet of Things - IoT) οδηγεί στην ενσωμάτωση τεράστιου αριθμού συσκευών στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, γεγονός που δημιουργεί διάφορες προκλήσεις στα πλαίσια της έρευνας και της πρακτικής υλοποίησης. To IoT επόμενης γενιάς απαιτεί την ανάπτυξη αξιόπιστων, χαμηλού κόστους καθώς και επεκτάσιμων ασύρματων δικτύων που χαρακτηρίζονται από ενεργειακή αυτονομία. Η ασύρματη συλλογή ενέργειας αποτελεί μία υποσχόμενη λύση για την επέκταση της διάρκειας ζωής των IoT δικτύων, καθώς περιορίζει και ορισμένες φορές εξαλείφει τη χρήση μπαταρίας. Τα τελευταία χρόνια, η προσοχή έχει επικεντρωθεί στις ραδιοσυχνότητες οι οποίες αποτελούν το κλασικό μέσο για την ασύρματη μεταφορά πληροφορίας. Συγκεκριμένα, τα σήματα στις ραδιοσυχνοτήτες είναι δυνατό να αποτελέσουν μέσο ασύρματης μεταφοράς ισχύος. Συνδυάζοντας τις δύο παραπάνω χρήσεις των σημάτων στις ραδιοσυχνότητες, δηλαδή τη λειτουργία τους ως όχημα για ασύρματη εκπομπή πληροφορίας αλλά και ως πηγή ασύρματης μεταφοράς ισχύος, προκύπτει ένα σύστημα ταυτόχρονης ασύρματης μεταφοράς πληροφορίας και ισχύος (simultaneous wireless information and power transfer - SWIPT), το οποίο αποτελεί το γενικότερο αντικείμενο μελέτης της παρούσας διατριβής. Το δεύτερο κεφάλαιο μελετά και βελτιστοποιεί ένα SWIPT σύστημα που χρησιμοποιεί ένα δέκτη χαμηλής πολυπλοκότητας πετυχαίνοντας ικανοποιητικό ρυθμό μετάδοσης, αποθηκεύοντας ταυτόχρονα ισχύ και προσφέροντας χαμηλή ενεργειακή κατανάλωση. Συγκεκριμένα, εξάγεται μία έκφραση για τον επιτεύξιμο ρυθμό μετάδοσης και ποσοτικοποιείται η περιοχή αποθηκευμένης ενέργειας-ρυθμού μετάδοσης. Επιπλέον, ορίζεται και ελαχιστοποιείται η από κοινού πιθανότητα διακοπής λειτουργίας για την αποθηκευμένη ενέργεια και τον ρυθμό μετάδοσης. Στη συνέχεια, μοντελοποιείται και επιλύεται ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης που στοχεύει στην μεγιστοποίηση της αποθηκευμένης ενέργειας από τις συσκευές του συστήματος με περιορισμό στον ρυθμό μετάδοσης της εκάστοτε συσκευής. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται αποτελέσματα για τις στατιστικές ιδιότητες των κατανομών Pearson type III και log Pearson type III τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιούνται για τη διερεύνηση της στατιστικής συμπεριφοράς της ασύρματης μεταφοράς ισχύος λαμβάνοντας υπόψη τη μη γραμμική σχέση μεταξύ της λαμβανόμενης και της αποθηκευμένης ισχύος. Σε αυτό το πλαίσιο, εισάγεται η κατανομή logit Pearson type III, για την οποία εξάγονται εκφράσεις κλειστής μορφής για τη συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας, τη συνάρτηση αθροιστικής πιθανότητας και τις ροπές. Επιπλέον, προκύπτουν οι στατιστικές ιδιότητες της κατανομής της αποθηκευμένης ισχύος. Στο τέταρτο κεφάλαιο προτείνονται δύο πρωτόκολλα τυχαίας προσπέλασης που βασίζονται στο slotted ALOHA και στη μη ορθογώνια πολλαπλή πρόσβαση άνω ζεύξης. Σε σύγκριση με άλλα πρωτόκολλα τυχαίας προσπέλασης, το slotted ALOHA έχει τα πλεονεκτήματα της χαμηλής πολυπλοκότητας και της εξάλειψης των μερικώς επικαλυπτόμενων μεταδόσεων, μειώνοντας τον αριθμό των συγκρούσεων. Για τη μείωση του αριθμού των συγκρούσεων και την αύξηση της απόδοσης του slotted ALOHA, διατηρώντας παράλληλα χαμηλή πολυπλοκότητα, χρησιμοποιείται μη ορθογώνια πολλαπλή πρόσβαση. Για την αξιολόγηση της απόδοσης των προτεινόμενων πρωτοκόλλων, υπολογίζεται η πιθανότητα διακοπής επικοινωνίας, η οποία αξιοποιείται για να εξαχθεί το μέσο throughput κάθε πρωτοκόλλου. Στο πέμπτο κεφάλαιο μελετάται η επικοινωνία άνω ζεύξης σε ένα σύστημα, αποτελούμενο από δύο συσκευές, στο οποίο αξιοποιείται η τεχνική rate-splitting multiple access (RSMA), λαμβάνοντας υπόψη όλες τις πιθανές σειρές αποκωδικοποίησης. Συγκεκριμένα, εξάγονται εκφράσεις κλειστής μορφής για την πιθανότητα διακοπής επικοινωνίας, οι οποίες χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του μέσου throughput σε ένα δίκτυο τυχαίας προσπέλασης με πρωτόκολλο βασισμένο στο slotted ALOHA και το RSMA.