Next-generation internet of energy harvesting things
Gelecek-nesil enerji hasadı yapan nesnelerin interneti
- Tez No: 492502
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGÜR BARIŞ AKAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 209
Özet
Nesnelerin İnternet'i (NI), yaygın sistemlerin sürekli olarak gözetlenmesi, yönetimi ve denetimi için herhangi bir nesneyi, hizmeti veya süreci kesintisiz bir biçimde birbirine bağlayan seçkin bir teknolojidir. NI'nın her yerde bulunan yapısı, çok sayıda hizmet çeşidi de dahil olmak üzere yepyeni bir dizi avantaj sağladığı için mevcut kablosuz ağların çalışmasını belirgin bir şekilde değiştirmiştir. Son teknolojilerin birleşmesi, NI paradigmasının hızla yaygınlaşmasına sebep olmuş olup, İnternet'e bağlanacak nesne sayısının 2020 yılına kadar 16 milyarı aşması ve bunun da çok büyük sorunlara yol açması öngörülmektedir. NI cihazlarını genellikle kesintili olarak çalışsa da, tipik bir pil beklenen ömründen daha kısa sürede, ortalama 2 yıl içerisinde, tükenmesi sebebiyle sık sık yenileme/bakım gerektirmektedir. Fakat bu durum iki nedenden ötürü uygulanabilir değildir. Birincisi, NI paradigması farklı güç ihtiyaçlarına sahip çeşitli aygıtlarla heterojen ağlar öngördüğünden, pillerin rastgele tükeneceği açıktır. İkincisi ise, kaynak-kısıtlı NI cihazlarının çok fazla sayıda olmasıdır. Dolayısıyla bakım işlemi, sürekli çalışması gereken aşırı insan gücü gerektirmesi nedeniyle mümkün olmayan bir hal almaktadır. Bu durum, NI cihazlarının enerji kısıtlamalarını azaltmak adına enerji toplama (EH) teknolojisinin ön plana çıktığı yardımcı veya tamamen ayrı bir güç kaynağının kullanımını gerekli kılmaktadır. Fakat enerji kıtlığı sorunu özelleşmiş NI uygulamalarının artan taleplerine paralel olarak daha da şiddetlenmektedir. Bu sonuç araştırma faaliyetlerini NI hizmetlerinin kendi kendine yeter ve bakım gerektirmeyen çalışmalarını sürdürmek adına daha verimli ve güvenilir hasat prosedürleri bulmaya yöneltmektedir. Bu amaçla, seçkin ve gelecek vaat eden özellikleri nedeniyle elektrik alan (E-alan) enerji hasadı bu tezin temel konusu olarak dikkate alınmaktadır. Yürütülen araştırma faaliyetlerinin çıktıları üç ana alan altında detaylı bir şekilde incelenmektedir. Bu tez, ağırlıklı olarak, NI'ya göre uyarlanmış düşük güçlü kablosuz iletişim sistemleri için E-alana dayalı ancak bunlarla sınırlı olmayan yeni EH ve güç sağlama tekniklerinin geliştirilmesine odaklanmaktadır. Bölüm I, önerilen tekniklerin tasarım hususlarını içermekte olup, haberleşmeyi sürdürmedeki yetkinlikleri geliştirilen test düzenekleri ve prototipler üzerinde yürütülen gerçek deneylerle kanıtlanmıştır. Bu tekniklerin, Akıllı Bina, Akıllı Şehir ve Akıllı Şebeke mimarileri gibi NI destekli alanlara uygulanabilirlikleri ve bunlarla ilgili servislerin ihtiyaçlarını karşılama konusundaki performansları da bu bölümde incelenmektedir. Model geliştirme aşamasından sonra, önerilen EH prosedürlerinin performansını artırmak için uygulanabilir yöntemler ve yaklaşımlar incelenmiştir. Bölüm II, hasat verimi maksimizasyonunun yanı sıra, kablosuz aygıtları tamamen pilsiz, yani özerk varlıklara dönüştürmek için yetenek optimizasyonuna odaklanmaktadır. Bu bölüm aynı zamanda NI ağlarının bağımsız çalışmasını sağlamak için elektrik alana dayalı benzersiz bir özel kablosuz güç aktarma (KGA) yöntemini betimlemektedir. Bölüm III'te, sürekli artan NI hizmetlerinin güvenilir bir şekilde yerine getirilmesini sağlamak adına EH çıktısındaki rastlantısallık ve değişkenlikle baş eden hibridizasyon ile enerji nötrlüğü çalışılmıştır. Herhangi bir NI ortamındaki kablosuz cihazların pilsiz çalışmasını mümkün kılmak için bir veri önceliklendirme mekanizmasını içeren yeni bir çok-kaynaklı EH sistemi önerilmiştir. Bunu takiben bu vizyon, enerji sınırlamalarını aşarak gelişmiş bağlantı imkânı sağlamak adına insansız hava araçları ağlarına uygulanmıştır. Çok boyutlu görevlerin gerçekleştirilmesi için hibrit EH ve KGA özellikli hem sabit hem de mobil şarj istasyonlarını içeren senaryolar araştırılmıştır. Son olarak, çok fazla sayıdaki NI cihazları nedeniyle ortaya çıkan tayf kıtlığı problemini azaltmak adına bilişsel radyo ve EH teknolojilerinin birleşimi incelenmiştir. Buna göre, tayf-bilinçli ve kendi kendini geçindiren düğüm ve ağ mimarileri, NI ağlarının tayf ve enerji kıtlığı sorunlarını tamamen giderecek şekilde tasarlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Internet of Things (IoT) is a prominent technology that seamlessly interconnects any object, service or process for ever-efficient surveillance, management, and control of pervasive systems. The ubiquitous structure of the IoT has markedly altered the operation of existing wireless networks due to granting a whole new set of benefits including numerous types of services. The unification of state-of-the-art technologies has resulted in rapid proliferation of the IoT paradigm, where it is expected that the number of things to be connected to the Internet will exceed 16 billion by 2020, leading to major problems. Even though the majority of IoT devices operate intermittently, a typical battery depletes before its expected lifetime, within 2 years on average, which necessitates frequent replenishments. However, this is not that practical due to two reasons. First, as the IoT paradigm envisions heterogeneous networks with various devices having specific power needs, it is obvious that the batteries will be randomly emptied. Second, the resource-constrained IoT devices are in excessive numbers. Maintenance, therefore, becomes impossible due to requiring extreme manpower constantly in operation. This issue necessitates the employment of an auxiliary or a totally distinct power source, where energy harvesting (EH) technology comes into prominence in mitigating the energy constraints of IoT devices. However, in parallel to altering demands of specific IoT applications, the energy scarcity problem is further intensified. This, in result, drove research efforts to and more efficient and reliable harvesting procedures to sustain self-sufficient and maintenance-free operation of the IoT services. To that end, electric- field (E- field) EH is investigated as the core domain of this thesis due to its outstanding and promising characteristics. Outputs of the conducted research work are examined in detail under three main parts. This thesis mainly focuses on the development of novel EH and power provisioning techniques, based on but not limited to E-field, for low-power wireless communication systems tailored to IoT. Part I includes the design considerations of the propose techniques, where their competence in sustaining communications are validated by real-life experiments performed on test-beds and prototypes developed. Their applicability to IoT-assisted domains such as Smart Building, Smart City and Smart Grid architectures, as well as their performance in meeting the needs of corresponding services are also investigated in this part. After model development, applicable methods and approaches to improve the performance of proposed harvesting procedures are studied. Part II focuses on harvesting efficiency maximization as well as throughput optimization to evolve the wireless devices to totally battery-less, i.e., autonomous entities. This part also describes a unique dedicated wireless power transfer (WPT) method, based on E-field, to enable untethered operation of IoT networks. In Part III, energy neutrality by hybridization is studied to cope with randomness and variance in EH output, enabling reliable execution of ever-growing IoT services. A novel multi-source EH framework including a data prioritization mechanism is proposed to make battery-less operation of the wireless devices possible in any IoT setting. After that, this vision is implemented to drone networks to enable enhanced connectivity by overcoming energy limitations. Scenarios including both fixed and mobile charging stations with hybrid EH and WPT capabilities are investigated for the realization of multidimensional objectives. Finally, to diminish spectrum scarcity problem emerged due to myriad of IoT devices, unification of cognitive radio and EH technologies is studied. In accordance, spectrum-aware and self-sustaining node and network architectures are designed to fully relieve IoT networks of spectrum and energy scarcity constraints.
Benzer Tezler
- New RF energy harvesting models for next-generation wireless communication systems
Yeni nesil telsiz iletişim sistemleri için yeni RF enerji hasatlama modelleri
MOHAMMADREZA BABAEI
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LÜTFİYE DURAK ATA
- Energy and spectrum-efficient communication techniques for next-generation internet of things
Gelecek-nesil nesnelerin interneti için enerji ve tayf-verimli haberleşme teknikleri
ECEHAN BERK PEHLİVANOĞLU
Doktora
İngilizce
2018
İletişim BilimleriKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR BARIŞ AKAN
- Otomatik yineleme istemeli işbirlikli iletimde enerji hasatlama
Energy harvesting in arq-based cooperative communication
EMİRHAN ÖZGÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ
- Information harvesting: Leveraging wireless power transfer for next-generation communication frameworks
Bilgi toplama: Gelecek nesil iletişim sistemleri için kablosuz güç transferini kullanma
MEHMET ERTUĞ PIHTILI
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
- Information harvesting: Leveraging wireless power transfer for next-generation communication frameworks
Bilgi toplama: Gelecek nesil iletişim sistemleri için kablosuz güç transferini kullanma
MEHMET ERTUĞ PIHTILI
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR