Geri Dön

New RF energy harvesting models for next-generation wireless communication systems

Yeni nesil telsiz iletişim sistemleri için yeni RF enerji hasatlama modelleri

PDF İndir

  1. Tez No: 769486
  2. Yazar: MOHAMMADREZA BABAEI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. LÜTFİYE DURAK ATA
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Bilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Bilgi ve Haberleşme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 167

Özet

Yeni nesil telsiz iletişimde, birden fazla antene sahip çok sayıda düğümün birbirine bağlanması beklenmektedir. Genelde bu düğümler, kapasitelerini ve çalışma sürelerini sınırlayan bir pil ile çalışır. Fakat, bu durum enerji sınırlamalarına neden olması gibi çeşitli zorluklar oluşturmaktadır. Başka bir deyişle, piller enerji sınırlı olduğundan, bu düğümlerin enerji kısıtlaması bir zorluk oluşturmaktadır. Enerji hasatlama (EH), telsiz iletişim sisteminin ömrünü uzatabilecek umut vadeden bir yaklaşım olarak kabul edilmektedir. Bu teknoloji aynı zamanda, bu düğümlerde bulunan pillerin değiştirilmesini gerektirmediğinden yeşil iletişim endişelerini de giderir. Dolayısıyla bu düğümlerin çalışma süresini uzatır. EH'de rüzgar, güneş, titreşim vb. kaynaklar kullanılarak enerji elde edilir. Böylece hasatlanan enerji elektriğe dönüştürülür ve istenilen düğümler tarafından kullanılabilir. Ancak, yukarıda bahsedilen geleneksel EH yöntemleri her zaman mevcut değildir. Radyo frekansı (RF) EH yöntemleri, bu düğümlerin enerji sorununu çözmek için gelecek vaat eden çözümler arasında sayılmaktadır. Kısıtlı enerji kaynakları ve çevreci iletişim göz önüne alındığında, RF EH, sensör düğümlerinde pil ve elektronik güç kaynaklarının kullanımının yerini aldığından enerji açığını çözmek için bir alternatiftir. EH düğümü, gelen işaret enerjisini hasatlama yeteneği sağlayan bir EH devresi ile donatılmıştır. Telsiz güç aktarımı (WPT) ve eşzamanlı telsiz bilgi ve güç aktarımı (SWIPT), pilsiz düğümlerin tasarımında dikkate alınan iki EH yöntemidir. EH devre özelliğine bağlı olarak güç kısıtlı düğüm gelen toplam işaret gücünü hasatlayabilir veya aynı anda enerjiyi hasatlayıp bilgiyi işleyebilir. Güç bölünmesi (PS) ve zamanda anahtarlama (TS), SWIPT yönteminin örnekleridir. Güç kısıtlı düğüm, işaret gücünün bir kısmını enerji toplamak için ve geri kalanını bilgi işleme için kullanmak üzere PS EH modunda gelen işaret enerjisinden güç toplar. Diğer yandan, TS EH modunda, EH ve bilgi işlemenin (IP) her birine, örtüşmeyen iki zaman aralığı atanır. WPT'de özel güç işareti (PB) veya çevresel güç düğümleri, güç kısıtlı düğümlerin güçlerini topladığı kaynaklardır. Yukarıda bahsedilen EH devreleri ve EH kaynaklarında EH sistem performansını doğrudan etkileyen faktörler arasında hasatlanan gücün miktarı ve EH devresinin özelliği bulunmaktadır. Doğrusal, parçalı-doğrusal ve doğrusal olmayan EH (NL-EH) modeller, hasat edilen gücün miktarını belirlemektedir. Literatürde yer alan pek çok çalışma, EH devresinin giriş ve çıkış güçleri arasında doğrudan bir orantıya sahip olan doğrusal EH modelini dikkate almaktadır. Başka bir deyişle, doğrusal EH modeli için, hasat edilen güç doğrusal olarak EH devresinin giriş gücüne sabit bir oran parametresiyle, yani dönüşüm verimliliğiyle bağlıdır. Öte yandan, düşük giriş gücü bölgesi için doğrusal model ile aynı miktarda enerji sağlayan parçalı doğrusal EH modeli literatürde ele alınmaktadır. Parçalı doğrusal EH modelinde, doğrusal EH modelinden farklı olarak, yüksek giriş güçlerinde çıkış gücü sabit bir maksimum değerle sınırlanmaktadır. Bununla birlikte, tasarlanan pratik EH devrelerinden alınan veri ölçümlerine dayanarak, doğrusal EH modelleri, özellikle yüksek giriş güçleri için hasat edilen enerji miktarını olduğundan fazla tahmin eder ve bu da sistem performansının yanlış anlaşılmasına neden olur. Ayrıca, parçalı-doğrusal EH yöntemi de genel bir bakış açısı sağlamaktadır ve kesin sistem performansı elde edilemez. Literatürde, pratik deneysel testlerden elde edilen verilerle, EH devresinin giriş ve çıkış güçleri ilişkisinin doğrusal olmadığı ve giriş gücünü artırsa bile çıkış gücünün maksimum güce sabitlendiği anlaşılmaktadır. Literatürde ölçüm verileri üzerine eğri uydurma uygulanması bazı NL-EH modellerinde önerilmektedir. Bilinen bu NL-EH modelleri göz önüne alındığında, sistem performansının teorik ifadelerinin matematiksel olarak işlenebilir olmadığı unutulmamalıdır. Bununla birlikte, doğrusal ve parçalı doğrusal EH modelleri matematiksel olarak işlenebilir ve sistemin genel ve basit bir analizini sağlar. Bu tez, IoT ve sensör düğümleri gibi düşük enerji iletim düğümlerinde RF EH ile ilgili pratik bir konsept geliştirmektedir. Bu tezin amaçları aşağıdaki gibi sıralanabilir: Yeşil iletişimi dikkate alan yeni nesil telsiz iletişim sistemlerinin gereksinimlerini karşılamak için RF EH alanında getirilebilecek yenilikleri araştırmak, teorik ifadelerin ve pratik gerçekçi senaryoların türetilmesine katkıda bulunmak için farklı RF EH modellerini araştırmak, sistem performansını bit hata olasılığı (BEP) ve kesinti olasılığı açısından değerlendirmek, IoT ve sensörler gibi düşük veri seviyeli iletim düğümlerinde kullanılmayı amaçlayan RF EH'yi mevcut RF EH modelleri açısından tartışmak ve ardından matematiksel olarak işlenebilir NL EH modelleri önermektir. Yukarıda açıklanan bağlamda, bu tezin ilk adımı, literatürde mevcut EH modelleri ile farklı sistemlerin başarımlarını araştırmaktır. İkinci olarak, bu tezde, EH sistem tasarımına geniş bir bakış açısı sağlayan matematiksel olarak işlenebilir EH modelleri önerilmektedir. Tezde, üç farklı sistem modeli incelenmiş ve bu RF EH sistemlerinin performansları için kapalı formda analitik ifadeler türetilmiştir. Ayrıca, göz önüne alınan her sistemin performansı, BEP ve kesinti olasılığı açısından değerlendirilmiştir. Bunun dışında, farklı sistem parametreleri için teorik sonuçlar elde edilmiş ve Monte-Carlo simülasyon yöntemi ile doğrulanmıştır. Bu nedenle, bu tez kapsamında yapılan çalışmaların sonuçlarının, EH sistem tasarımına bakış açısını geliştirecek olması ve üzerinde çalışılan sistemlere ilişkin kapsamlı bilgiler sağlayacak olması açısından günümüz literatürüne önemli katkılarda bulunacağı öngörülmektedir. Tezin ilk bölümünde, doğrusal/doğrusal olmayan EH yeteneğine sahip tam çift yönlü (FD) üzerine sermeli (overlay) bilişsel radyo (CR) ağının bit hata oranı (BER) performansı incelenmiştir. Ele alınan üzerine sermeli CR ağı, bir birincil verici/alıcı (PT/PR) çifti, bir ikincil verici (ST) ve ST'nin ilk iletişim süresi boyunca hem PT hem de SR'den enerji hasatladığı FD modunda çalışan ikincil alıcıdan (SR) oluşmaktadır. İkinci iletişim zaman diliminde SR, işaretini PR'ye ileterek PT ile işbirliği yaparken ST'den gelen işareti almaktadır. Birincil/ikincil kullanıcılar (PU/SU) için bit hata olasılığı (BEP) ifadeleri, ST'de uygulanan hem doğrusal hem de doğrusal olmayan EH modellerine göre analitik olarak türetilmekte, Monte-Carlo simülasyon sonuçlarıyla doğrulanmaktadır. Ayrıca hem PU hem de SU'nun BER'ini en aza indirme hedefi göz önünde bulundurularak PT ve ST arasındaki optimum mesafe değeri belirlenmektedir. Ayrıca, EH ve bilgi işleme arasındaki dengeyi elde etmek için SR'de bir güç paylaşım katsayısına bağlı olarak sistem performansları elde edilmektedir. Sonuçlar, doğrusal olmayan EH'ye sahip önerilen FD-CR sisteminin, işbirlikli olmayan (doğrudan iletim) duruma kıyasla PU BEP performansını iyileştirdiğini, SU'nun ise yeterli bir BER performansı ile PU spektrumundan yararlandığını göstermektedir. Tezin ikinci çalışması olarak, kaynak ve hedef arasında doğrudan bir bağlantının olmadığı durumda, telsiz iki atlamalı (DH) yükselt ve ilet (AF) tekniği ile iletim yapılan bir sistem ele alınmaktadır. PB nin, gücü kısıtlı kaynak ve rölenin enerji hasatladığı enerji taşıyan bir işaret ilettiği varsayılmaktadır. BEP, kesinti olasılığı ve verim (throughput) ifadelerinin teorik derivasyonları, hem doğrusal hem de doğrusal olmayan enerji hasatlama modelleri için gerçekleştirilmektedir. Ayrıca, farklı sistem parametreleri için sağlanan teorik sonuçlar Monte-Carlo simülasyonları ile doğrulanmaktadır. Elde edilen sonuçlar, gerçekçi doğrusal olmayan EH modeli ile sistem performansını hasatlanan yüksek enerji seviyelerinde hatalı temsil eden geleneksel doğrusal EH modeli arasındaki farkı ortaya koymaktadır. Bununla birlikte, hasatlanan düşük enerji seviyelerinde, her iki model de benzer şekilde davranmakta ve gerçekçi sonuçlar vermektedir. Tezin üçüncü çalışmasında, sistem performansının ortalama hasatlanan güç, sistem verimi ve bit hata olasılığı açısından incelendiği, matematiksel olarak işlenebilir iki yeni doğrusal olmayan EH (NL-EH) modeli önerilmiştir. Sistem, gücünü özel bir güç kaynağından hasatlayan güç kısıtlı çok antenli bir kaynaktan ve çok antenle donatılmış bir hedeften oluşmaktadır. Sistemin kapsamlı bir analizi için, Nakagami-$m$ ve Rayleigh sönümlemeli kanallarının özel durumu için kapalı formda ifadeler türetilmiştir. Karşılaştırma amacıyla, literatürde verilen doğrusal ve parçalı doğrusal EH modelleri için Nakagami-$m$ sönümlemeli kanallardaki performans ifadeleri türetilmiştir. Karşılaştırma amacıyla, literatürde var olan NL-EH modelleri için Monte-Carlo yöntemi uygulanarak simülasyon sonuçları elde edilmiştir. Sonuçlar, EH sistemlerine daha geniş bir bakış sağlamakta ve önerilen yeni modeller literatürde mevcut olan doğrusal, parçalı doğrusal ve NL EH modelleriyle karşılaştırılmaktadır.

Özet (Çeviri)

Deployment of massive sensor and Internet of Things (IoT) devices in next-generation wireless communication systems reveals energy limitations as one of the challenges. Typically, IoT devices are powered by a battery, which restricts their capacity and working time. Energy harvesting (EH) has been regarded as a promising approach which can increase the life-time of a wireless communication system. In EH, energy is obtained by wind, solar, vibration, etc. Thus, the harvested energy is transformed into electricity and can be used by the desired nodes. However, the aforementioned traditional EH methods are not always available. Additionally, radio frequency (RF) EH has emerged as a key promising technique that enables wireless systems to harvest energy from the incoming signals in the environment. This energy is available as dedicated or ambient energy and can be harvested throughout the whole day. Hence, RF EH can be an effective alternative for empowering battery-free IoT devices, resulting in increased operational time. As RF EH methods for power-constrained nodes, simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) and wireless-powered communication (WPC) schemes are studied in the literature. The SWIPT scheme employs two EH receiver structures: power-splitting (PS) and time-switching (TS). The power-constraint node harvests power from the incoming signal energy in PS EH mode, with one portion of the signal power used for harvesting energy and the remainder for information processing. On the other hand, in the TS EH mode, EH and information processing (IP) are allocated to two non-overlapping time intervals, respectively. Furthermore, the amount of harvested energy is regarded as a linear or nonlinear (NL) function of the input power of the energy receiving (ER) node. The input and output powers of the EH circuit are directly proportional in the linear EH model. For the region with low input power, the NL EH model provides the same amount of energy as the linear model. However, the amount of harvested power saturates to a predefined threshold power at the high input power of the EH circuit. In this thesis, three different RF EH system models are investigated and the closed-form analytical expressions for their performances are derived. Moreover, the performance of each considered system is investigated in terms of bit error probability (BEP) and outage probability. Besides, theoretical derivation results are provided for different system parameters and supported by the Monte-Carlo simulation results. Comprehensive insights into the studied systems are provided, which broaden the view of engineers toward the EH system designs. The first section investigates the bit error rate (BER) performance of a full-duplex (FD) overlay cognitive radio (CR) network with linear/NL EH capability. The studied overlay CR network comprises of a primary transmitter/receiver (PT/PR) pair, a secondary transmitter (ST), and a secondary receiver (SR) operating in FD mode, whereby ST harvests energy from both PT and SR during the first communication time slot. In the second time slot, SR receives its signal from ST while PT sends its signal to PR. The BEP expressions for the primary/secondary users (PU/SU) are obtained analytically and verified through Monte-Carlo simulations using both linear and NL EH models at ST. Additionally, to determine the trade-off between EH and IP, corresponding system performances are evaluated with regard to a power allocation coefficient at SR. The results demonstrate that, in contrast to the non-cooperative (direct transmission) case, the proposed FD-CR system with NL EH improves the PU BEP performance. Besides, SU benefits from the licensed spectrum of PU with significant BER performance. In the second part of the thesis, the performance of a wireless-powered, two-hop, amplify-and-forward relaying system is studied when there is no direct link between the source and the destination. The power-constrained source and relay receive energy from a dedicated power beacon (PB) that broadcasts an energy-bearing signal. For both linear and NL energy harvesting models, theoretical derivations of BEP, outage probability, and throughput expressions are performed. Additionally, Monte Carlo simulations are performed to verify the theoretical results that are presented for various system parameters. The results show how the realistic NL EH model is different from the traditional linear EH model, which overestimates the performance of the system when a large amount of energy is harvested. This results in a misunderstanding of the actual performance of EH systems. However, both models operate similarly and provide appropriate results at low levels of harvested energy. In the last part of this dissertation, the performance of the proposed two novel NL EH models is analyzed in terms of average harvested power, throughput, and BEP. The system comprises a single multi-antenna power-constraint source that transmits its signal to a destination with multiple antennas while harvesting power from a dedicated PB. For a comprehensive analysis of the system, closed-form expressions are derived for Nakagami-$m$ fading channels and the special case of Rayleigh channels. In addition, for existing NL EH models, the simulation results are obtained using the Monte-Carlo method. The results provide a broader picture of EH systems and comprehensively compare the proposed NL EH models to linear, piece-wise linear, and NL EH models available in the literature. As a result, these provide better perspectives on the analysis and design of EH systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    538931

    Gelecek nesil kablosuz haberleşme ağları için enerji hasatlama sistemleri

    Energy harvesting systems for next generation wireless communication networks

    DOĞAY ALTINEL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT

  2. Tez No

    656239

    RF energy harvesting in S band in wireless communication systems

    Kablosuz haberleşme sistemlerinde S bandında RF enerji hasatlama

    EMRE İŞCEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SEBAHATTİN EKER

  3. Tez No

    553945

    Tam-çift yönlü bilişsel röle ağları için enerji hasatlamalı yeni bir spektrum paylaşım protokolü

    An energy-harvesting spectrum sharing protocol for cognitive full-duplex relaying networks

    HÜSEYİN ONUR BAKTIROĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ

  4. Tez No

    564211

    Dışbükey zarf tekniğine dayalı eğim kırınımı modelinin kablosuz enerji transferleri ile beslenen bir kablosuz algılayıcı ağ üzerine uygulanması

    Application of slope uniform theory of diffraction with convex hull model onto a wireless sensor network powered by wireless energy transfer

    AHMET ZORLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBursa Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET BARIŞ TABAKCIOĞLU

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SELAHATTİN KOŞUNALP

  5. Tez No

    637379

    2.4 GHz amplitude peak detector and analog-to-digital converter design for energy harvesting applications in bioimplants

    Biyoimplant enerji hasadı uygulamaları için 2.4 GHz genlik tepe değeri detektörü ve analog sayısal çevirici tasarımı

    ONUR AYDINOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ TUFAN COŞKUN KARALAR

Geri Dön