Fully simulated and model based power consumption estimation of internet of things devices
Nesnelerin interneti cihazlarının tamamen benzetim ve model tabanlı güç tüketimi tahmini
- Tez No: 897384
- Danışmanlar: PROF. DR. SIDDIKA BERNA ÖRS YALÇIN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 179
Özet
Bu doktora tezi, Nesnelerin İnterneti (IoT) cihazlarının enerji tüketimini doğru ve verimli bir şekilde tahmin etmek için tamamen benzetim bazlı, model tabanlı bir yaklaşım önermektedir. Tezde, enerji tüketimi tahminlerinin doğruluğunu artırmak için Open Virtual Platform (OVP) gibi benzetim araçlarının kullanıldığı kapsamlı bir yöntem geliştirilmiştir. Aşağıda, tezin ana bölümlerini içeren 12 paragraftan oluşan ayrıntılı bir özet yer almaktadır. IoT teknolojileri, günlük yaşantımızdan endüstriyel uygulamalara kadar geniş bir yelpazede önemli roller üstlenmektedir. IoT cihazlarının sayısının hızla artmasıyla birlikte, bu cihazların enerji verimliliği kritik bir hale gelmiştir. Geleneksel enerji tüketimi tahmin yöntemleri, genellikle pratik olmayan geniş kapsamlı donanım ve yazılım iterasyonlarına dayanmakta ve çoğu zaman yetersiz kalmaktadır. Bu nedenle, IoT cihazlarının enerji tüketimini doğru bir şekilde tahmin edebilecek yenilikçi çözümlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada, enerji tüketimini optimize etmek için tamamen benzetim bazlı, model tabanlı bir yaklaşım önerilmiştir. Tez, bu yaklaşımın geliştirilmesini, uygulanmasını ve değerlendirilmesini içermektedir. **Literatür Taraması** Literatür taraması süresince, IoT ve akıllı şehir uygulamaları konusundaki mevcut araştırmalar kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. IoT'nin tanımı, bileşenleri ve çeşitli uygulama alanları detaylandırılmıştır. Akıllı şehir konsepti, bu şehirlerde IoT teknolojilerinin oynadığı kritik rol ve enerji verimliliği üzerine yapılan çalışmalar geniş bir perspektifle ele alınmıştır. Ayrıca, benzetim tekniklerinin tarihçesi ve mevcut uygulamaları da incelenmiştir. Mevcut yöntemlerin yetersizlikleri, literatürdeki boşluklar ve bu çalışmanın nasıl bir katkı sağlayacağı net bir şekilde ortaya konulmuştur. Bu bölüm, tezin temel motivasyonunu ve yenilikçi yaklaşımın gerekliliğini vurgulamaktadır. Önerilen model, IoT cihazlarının farklı çalışma koşullarında enerji tüketimini tahmin etmek için Open Virtual Platform (OVP) gibi benzetim araçları kullanılarak geliştirilmiştir. Model, gerçek dünya uygulamalarında yüksek doğruluk sağlamak üzere optimize edilmiştir. Araştırmada model tabanlı tasarım (MBD) ve uygulama tabanlı tasarım (IBD) yöntemlerinin karşılaştırmalı analizi yapılmıştır. MBD'nin esnekliği ve hata tespitinde sağladığı avantajlar ile IBD'nin doğrudan uygulama odaklı yapısı tartışılmıştır. Bu bölümde ayrıca, benzetimlerin nasıl gerçekleştirildiği, kullanılan veri setleri ve optimizasyon teknikleri ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Enerji verimliliği ve güç yönetimi konularında temel terimler ve kavramlar tez kapsamında ilgili bölümde ele alınmıştır. IoT cihazlarının enerji tüketimini anlamak ve optimize etmek için gerekli olan enerji ölçümü, güç yönetimi stratejileri ve ilgili teknik terimlerin tanımları yapılmıştır. Bu kavramlar, tezin diğer bölümlerinin anlaşılması için kritik öneme sahiptir. Enerji tüketimi hesaplamalarının temelleri, güç yönetimi teknikleri ve bu tekniklerin IoT cihazlarının performansına etkileri ayrıntılı bir şekilde açıklanmıştır. Bu bilgiler, okuyucunun tezdeki ileri düzey teknik tartışmaları anlaması için bir temel oluşturur. Tez içerisinde, enerji tüketiminin doğru bir şekilde tahmin edilebilmesi için gerekli olan ölçüm teorileri ve kavramları ele alınmıştır. Fiziksel ölçümlere dayalı yöntemlerin yanı sıra, benzetim tabanlı yaklaşımlar da tartışılmıştır. Enerji tüketimi tahmininde kullanılan ölçüm teknikleri, bu tekniklerin doğruluğu ve güvenilirliği üzerinde durulmuştur. Ayrıca, enerji tüketimi modellemesinde kullanılan matematiksel ve istatistiksel yöntemler detaylandırılmıştır. Bu bölüm, önerilen metodolojinin temellerini oluşturmakta ve enerji tüketimi tahminlerinin bilimsel dayanağını sağlamaktadır. Modelleme sonucu elde edilen sonuçların doğrulanabilmesi için ölçüm gerekmektedir. IoT cihazlarının enerji tüketimini doğru bir şekilde ölçmenin zorlukları da tez çalışması kapsamında irdelenmiştir. Donanım ve yazılım ile ilgili ölçüm zorlukları ayrıntılı olarak incelenmiştir. Özellikle işlemci, RF, özel IP ve PCB gibi bileşenlerin ölçüm zorlukları tartışılmıştır. Bu bileşenlerin enerji tüketimindeki rolü ve ölçüm sırasında karşılaşılan teknik sorunlar detaylandırılmıştır. Ayrıca, batarya ölçümlerindeki zorluklar ve bu zorlukların üstesinden gelmek için kullanılan yöntemler de bu bölümde incelenmiştir. Enerji tüketimi ölçümlerinde doğruluğu artırmak için önerilen teknikler ve stratejiler tartışılmıştır. Tez süresince donanım bileşenlerinin enerji tüketimini ölçerken karşılaşılan zorluklar da tez kapsamında incelenmiş ve detaylarıyla aktarılmıştır. İşlemci ve RF bileşenlerinin yanı sıra, özel IP ve PCB ölçümlerinde yaşanan zorluklar detaylandırılmıştır. Donanım bileşenlerinin karmaşıklığı, enerji tüketimi tahminlerinde karşılaşılan başlıca sorunlardan biridir. Ayrıca, bu bileşenlerin farklı çalışma koşullarındaki enerji tüketimleri ve bu tüketimlerin doğru bir şekilde nasıl ölçülebileceği tartışılmıştır. Batarya ölçümlerindeki zorluklar ve bu zorlukların üstesinden gelmek için kullanılan teknikler de bu bölümde incelenmiştir. Sistemsel yaklaşımın bir gereği olarak, yazılım bileşenlerinin enerji tüketimini tahmin ederken karşılaşılan zorluklar da tez kapsamında tartışılmıştır. Yazılım optimizasyonları ve enerji verimliliği stratejileri incelenmiş ve yazılımın genel enerji tüketimine etkisi değerlendirilmiştir. Yazılım bileşenlerinin enerji tüketimi üzerindeki etkisi, donanım bileşenlerine göre daha karmaşıktır ve bu nedenle daha sofistike ölçüm ve analiz teknikleri gerektirmektedir. Bu bölümde, yazılımın enerji verimliliğini artırmak için kullanılan çeşitli teknikler ve bu tekniklerin etkinliği detaylandırılmıştır. Ayrıca, yazılım geliştirme süreçlerinde enerji verimliliğini göz önünde bulundurmanın önemi vurgulanmıştır. Sistem seviyesinde enerji tüketimini doğru bir şekilde tahmin etmek için gereken fonksiyonel gereksinimler, sistem tasarımının ilk adımın çıktıları olarak büyük öneme sahiptir. Farklı sistem bileşenlerinin etkileşimleri ve bu etkileşimlerin enerji tüketimine etkisi incelenmiştir. Sistem seviyesinde enerji tüketimi tahminleri, bireysel bileşenlerin enerji tüketimlerinin ötesine geçerek, tüm sistemin genel enerji tüketimini hesaba katmaktadır. Bu bölümde, sistem seviyesindeki enerji tüketimi tahminlerinin doğruluğunu artırmak için kullanılan teknikler ve stratejiler tartışılmıştır. Ayrıca, sistem bileşenlerinin enerji tüketimini minimize etmek için kullanılan optimizasyon yöntemleri ve bu yöntemlerin etkinliği değerlendirilmiştir. Tez çalışması kapsamında ortaya konan modelin doğruluğu ve verimliliği, gerçek dünya uygulamaları ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, önerilen metodolojinin enerji tüketimini tahmin etmede yüksek doğruluk sağladığını göstermektedir. Ayrıca, modelin farklı IoT cihazları ve çalışma koşulları altında sağladığı performans detaylandırılmıştır. Bu bölümde, elde edilen sonuçların grafik ve tablolarla desteklendiği bulgular sunulmuştur. Modelin etkinliği ve güvenilirliği, çeşitli test ve doğrulama süreçleri ile teyit edilmiştir. Sonuçlar, önerilen metodolojinin IoT cihazlarının enerji verimliliğini optimize etmek için pratik bir çözüm sunduğunu göstermektedir. Tezin ilgili sonuç bölümünde, elde edilen sonuçlar tartışılmış ve mevcut literatürdeki çalışmalarla karşılaştırılmıştır. Önerilen modelin avantajları ve kısıtlılıkları değerlendirilmiştir. Ayrıca, modelin gerçek dünya uygulamaları üzerindeki potansiyel etkileri tartışılmıştır. Bu bölümde, modelin çeşitli senaryolarda nasıl performans gösterdiği ve bu performansın literatürdeki diğer çalışmalarla nasıl karşılaştırıldığı analiz edilmiştir. Önerilen metodolojinin, IoT cihazlarının enerji tüketimini optimize etmek için sunduğu yenilikçi çözümler ve bu çözümlerin pratik uygulamalardaki potansiyel faydaları tartışılmıştır. Ayrıca, çalışmanın sınırlamaları ve bu sınırlamaların gelecekteki araştırmalarla nasıl ele alınabileceği üzerinde durulmuştur.
Özet (Çeviri)
The rapid proliferation of Internet of Things (IoT) devices, driven by the demand for efficient computing units integrated into various networks, underscores the critical need for energy efficiency. As these devices often operate in mobile settings, optimizing energy consumption becomes paramount to minimize maintenance costs associated with battery replacement or recharge. Additionally, power efficiency directly impacts the portability of IoT devices, enhancing their usability and effectiveness in diverse environments. Software and hardware factors are influential on the energy consumption of IoT devices. Due challenges of battery replacement, IoT devices rely heavily on software-based power management for optimization. Thus, software updates playing a significant role in battery life expectancy. To plan maintenance processes effectively, manufacturers and service providers must accurately estimate energy consumption and battery lifetime, necessitating a holistic approach to power estimation. Traditional methods of energy consumption estimation, reliant on physical measurements, are impractical due to the extensive hardware and software design iterations required. Consequently, a fully simulated, model-based approach to power consumption estimation emerges as essential, especially considering the frequent update requirements of IoT devices. Such an approach enables accurate estimation throughout design changes and updates, facilitating efficient planning and management of power consumption across various scenarios. This thesis proposes a comprehensive energy consumption model tailored for IoT devices, complemented by fully simulated, model-based system-level power estimation approaches. By leveraging simulation environments like Open Virtual Platform (OVP), the proposed methodology achieves approximately \%97 accuracy in typical real-life scenarios. Notably, the methodology eliminates the need for completed hardware and software designs, enabling efficient power estimation throughout the development and operational phases of IoT devices. In conclusion, the study contributes a novel methodology for accurate power consumption estimation in IoT devices, addressing the challenges posed by evolving hardware and software requirements. By embracing simulation-based modeling and system-level approaches, the proposed methodology offers a practical and efficient solution for managing power consumption in IoT devices, ultimately enhancing their usability, reliability, and sustainability in diverse application domains. All these advantages have been validated through different applications, and the results have been shared within the scope of the thesis study.
Benzer Tezler
- Numerical analysis of additive manufacturing of maraging steel
Yüksek dayanımlı çeliğin 3 boyutlu yazıcı ile imalatının sayısal analizi
MOBIN MAJEED
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT VURAL
- İki zamanlı bir gemi dizel ana makinesi'in modeli ve simülasyonu
Modelling and simulation of two stroke marine diesel engine
ÇAĞLAR DERE
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. İSMAİL ÇİÇEK
- Analysis of SO2 pollution in Turkey using ground observations and satellite retrievals
Türkiye'de SO2 kirliliğinin yer ve uydu ölçümleri ile incelenmesi
MERVE ASAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BURÇAK KAYNAK TEZEL
- Konteyner gemilerin yatırım analizi
Başlık çevirisi yok
NEDİM SUKAS
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. YÜCEL ODABAŞI
- Gerçek zamanlı bir görüntü işleme sisteminin model tabanlı olarak tasarlanması
Model based implementation of a real-time image processing system
MUSTAFA YUSUF DEMİRCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAfyon Kocatepe ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL YABANOVA