Energy efficient resource allocation for future wireless communication systems
Gelecek nesil kablosuz haberleşme sistemleri için enerji verimli kaynak tahsisi
- Tez No: 604745
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGÜR ERÇETİN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 172
Özet
Gelecek nesil kablosuz iletişim sistemleri batarya ile çalışan çok sayıda kablosuz cihaz olmasını ongörmektedir. Bu tür cihazların bataryasını değiştirmek pahalı, maliyetli veya olanaksızdır. Enerji hasadı (EH) tekniği bu tür cihazların ömrünü uzatmak için umut veren bir yontemdir. Hasat edilen enerjinin miktarı ve varolmasındaki rastgelelik, EH sistemlerine özgü sorunları ele almak suretiyle mevcut iletişim tekniklerinin güncellenmesini gerektirmektedir. Bu tezde EH'in kendine has özelliklerini ele alarak, temel kablosuz iletişim sorunlarını ve gelecekteki hizmete dayalı uygulamalarını incelemeyi hedefliyoruz. Tezin birinci bolümünde, kablosuz iletişim sistemlerinde var olan üç temel sorunu ele alıyoruz; çoklu erişim strateji, kablosuz kanalın olumsuz etkilerini azaltmak ve guvenilirlik saglamak. Kablosuz kanal paylaşılan bir ortam olduğundan, çoklu cihazların eşzamanlı yayınları girişime neden olur ve çarpışma sonucunda iletilen veri kaybolur. Çoklu erişim protokolleri çoklu veri aktarımı için kordinasyon sağlayarak çarpışmasız bir ortam sağlamayı hedefler. Dağıtık ve düşük enerji özelliklerine sahip olan rastgele erişim protokolü, EH sureçlerinin istatistiksel olarak ilişkili olan iki verici için tekrar gözden geçiriyoruz. Sadece batarya seviyesi belli bir eşiğin üstüne çıktığında iletime izin veren basit bir eşik tabanlı erişim protkolu tasarlanmaktadir. Korelasyon bilgisini dikkatlice ele alarak eşik değerleri optimize edildiğinde rastgeleliğin fırsata dönebileceğini ve bazı durumlarda vericiler arasında en uygun koordinasyonu sağlayan çarpışmasız bir protokol olabileceği gosterilmektedir. Kanala erişildiğinde, bir kablosuz verici rastgele ve zamanla değişen özellikler gösteren bir iletim ortam ile karşılaşmaktadır. Bir verici iletim stratejisini kanalın durumuna uyarlayarak daha etkin bir iletişim sağlayabilir. Kanal durumunu öğrenmek, kanal algılama sürecinin başlatılmasını gerektirir ki bu zaman ve enerji açısından maliyetlidir. Kanal durumu algılamanın enerjiye olan katkısını EH kablosuz cihazlarında olan etkisi ihmal edılemez, bu yüzden uygun optimizasyon gerekmektedir. Zamanda ilşikili bir kablosuz kanal üzerinden iletişim kuran bir EH vericisi için akıllı bir kanal algılama stratejisi geliştirilmektedir. Elde edilen sonuçlara göre zaman ve enerji maliyetine ragmen kanalın akıllı bir şekilde algılanması bu kabiliyetten yoksun ve ya herzaman kanalı algılayan protokollere göre önemli ölçüde veri aktarımını arttırmaktadır. Sonrasında, güvenilir uçtan uca iletişim sağlamak için hibrit yeniden gönderimli sistem (HYGS) kullanan bir EH alıcısı incelenmektedir. Doğası gereği hataya açık kablosuz iletişim sistemlerinde, hatalardan kaynaklanan yeniden gönderimin tetiklenmesi enerji tüketiminde büyükk bir etkiye sahiptir. HYGS'in neden oldugu enerji tüketimini ele alarak, gereken yeniden gönderim sayısını en aza duşurmek için basit bir şekile uygulanabilen algoritma geliştirilmektedir. Gelecek nesil kablosuz teknolojilerde öngörülen çok sayıda bağlı cihazlar geniş bir algılama kabiliyetine sahip kaynak yelpazesi saglar. Çeşitli verileri algıçlar tarafından toplayabilmek, pek çok heyecan verici akıllı uygulamayı mumkün kılmaktadır. Bu tür uygulamaların başarısı önemli bir ölçüde aktarılan verilerin kalitesine bağlıdır. Ancak, yüksek kaliteli veri sağlamak, enerjisi sınırlı olan algıçların yeteneklerinin sınırlarını aşmaktadır. Boylece tezin ikinci bölümünde, algıçın verisine bağlı olan uygulamanın başarısını enerji verimili bir şekilde en yüksek seviyeye çıkarabilmek için, algıçın algılama çözünürlüğü optimize edilmektedir.
Özet (Çeviri)
Next generation of wireless communication systems envisions a massive number of connected battery powered wireless devices. Replacing the battery of such devices is expensive, costly, or infeasible. To this end, energy harvesting (EH) is a promising technique to prolong the lifetime of such devices. Because of randomness in amount and availability of the harvested energy, existing communication techniques require revisions to address the issues specific to EH systems. In this thesis, we aim at revisiting fundamental wireless communication problems and addressing the future perspective on service-based applications with the specific characteristics of the EH in mind. In the first part of the thesis, we address three fundamental problems that exist in the wireless communication systems, namely; multiple access strategy, overcoming the wireless channel, and providing reliability. Since the wireless channel is a shared medium, concurrent transmissions of multiple devices cause interference which results in collision and eventual loss of the transmitted data. Multiple access protocols aim at providing a coordination mechanism between multiple transmissions so as to enable a collision free medium. We revisit the random access protocol for its distributed and low energy characteristics while incorporating the statistical correlation of the EH processes across two transmitters. We design a simple threshold based policy which only allows transmission if the battery state is above a certain threshold. By optimizing the threshold values, we show that by carefully addressing the correlation information, the randomness can be turned into an opportunity in some cases providing optimal coordination between transmitters without any collisions. Upon accessing the channel, a wireless transmitter is faced with a transmission medium that exhibits random and time varying properties. A transmitter can adapt its transmission strategy to the specific state of the channel for an efficient transmission of information. This requires a process known as channel sensing to acquire the channel state which is costly in terms of time and energy. The contribution of the channel sensing operation to the energy consumption in EH wireless transmitters is not negligible and requires proper optimization. We developed an intelligent channel sensing strategy for an EH transmitter communicating over a time-correlated wireless channel. Our results demonstrate that, despite the associated time and energy cost, sensing the channel intelligently to track the channel state improves the achievable long-term throughput significantly as compared to the performance of those protocols lacking this ability as well as the one that always senses the channel. Next, we study an EH receiver employing Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ) to ensure reliable end-to-end communications. In inherently error-prone wireless communications systems, re-transmissions triggered by decoding errors have a major impact on the energy consumption of wireless devices. We take into account the energy consumption induced by HARQ to develop simple-to-implement optimal algorithms that minimizes the number of retransmissions required to successfully decode the packet. The large number of connected edge devices envisioned in future wireless technologies enable a wide range of resources with significant sensing capabilities. The ability to collect various data from the sensors has enabled many exciting smart applications. Providing data at a certain quality greatly improves the performance of many of such applications. However, providing high quality is demanding for energy limited sensors. Thus, in the second part of the thesis, we optimize the sensing resolution of an EH wireless sensor in order to efficiently utilize the harvested energy to maximize an application dependent utility.
Benzer Tezler
- Bilişsel radyoda özdeğer tabanlı spektrum sezme yöntemleri
Eigenvalue based spectrum sensing techniques for cognitive radio
SERDAR İNGÖK
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. ERTUĞRUL ÇELEBİ
- Gelecek nesil haberleşme sistemlerinde insansız hava araçları için kaynak yönetim teknikleri
Resource management techniques for unmanned aerial vehicles in next generation communication systems
UYGAR DEMİR
Doktora
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENK TOKER
- Mobil nesnelerin interneti için yeni nesil hücresel ağ tabanlı ağ dilimleme
Next generation cellular network based network slicing for the mobile internet of things
WAFA HAMDI
Doktora
Türkçe
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolEge ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN BULUT
PROF. DR. ORHAN DAĞDEVİREN
- New combined non-orthogonal multiple access techniques for wireless networks
Telsiz iletişim ağları için yeni birleşik dik olmayan çoklu erişim teknikleri
SEDA ÜSTÜNBAŞ GAVAS
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ
- Düşük bir hızlarında konuşma kodlama ve uygulamaları
Low bit rate speech coding and applications
TARIK AŞKIN
Doktora
Türkçe
1999
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. GÜNSEL DURUSOY