IoT systems and wireless power transfer protocols in ad-hoc communication networks

Abstract

The techniques of energy maintaining and replenishment in wireless communications networks have become particularly popular in recent years. Rapid technological advances in the field of Wireless Power Transmission (Wireless Power Transmission) have a major impact on sensor networks and more generally on energy-restricted communications networks, paving the way for new methods of energy management in wireless systems. Until recently, existing research mainly focused on maximizing network lifetime, improving charging efficiency, minimizing latency during charging, and so on. Most recent research has already begun to examine algorithmic solutions to address the problems that arise. At the same time, both the evolution and the application of ICT systems in very important areas of our lives (industry, smart home, smart cities, etc.) is rapid. IoT devices (devices connected to the internet) must be able to be deployed in any place and access them from everywhere. A large number of these devices perform monitoring and controlling tasks in "smart" applications as well as in difficult-to-access areas. For the successful implementation of these applications, an IoT device should be small and autonomous, while incorporating sensors, data processing and wireless communication capabilities. These simple conditions imply storage and power management limitations for the IoT devices in order to ensure their continued operation, since neither replacing the power cord nor the battery are viable choices under these conditions or simply because of the flexibility (fast installation without cable, no maintenance). Major growth opportunities in the coming years are expected in wireless power transmission and solar harvesting technologies approved for powering IoT devices. This increase is justified by significant advances in material science, engineering and extensive prototyping. Innovative energy storage solutions for IoT have already appeared in the market. In terms of energy management, a range of integrated solutions are available on the market to supply IoT devices that vary from home, up to industrial applications. RF charging, alongside other WPT technologies and ambient energy harvesters are today viable integrated energy sources for small, portable or not, devices. In this thesis, methods of efficient wireless electromagnetic radiation charging have been developed to improve the charging quality of unstructured communication networks and to develop IoT systems that will be able to utilize this technology. In particular, we present novel algorithmic methods based on a new, more realistic and accurate wireless power transfer model, which can efficiently capture constructive and destructive interference of the electromagnetic waves. These methods deal with problems such as i) charger’s power level, phase configuration and deployment towards power maximization, and ii) find low EM radiation paths in WPT systems. Besides the algorithmic perspective, modern energy provisioning approaches aim to combine different technologies that decouple harvesting from the environment and efficiently manage the available energy. Thus, we present novel IoT energy management platforms that integrate both RF-charging and ambient energy harvesting to power sensing and communication devices. Those platforms are utilised in a real application in the context of Smart Roads and are responsible to power a list of sensors and the corresponding communication module in a sufficient way.

Οι τεχνικές διατήρησης και αναπλήρωσης ενέργειας στα ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών έχουν γίνει ιδιαίτερα δημοφιλείς τα τελευταία χρόνια. Οι ραγδαίες τεχνολογικές εξελίξεις στον τομέα της ασύρματης μετάδοσης ενέργειας (Wireless Power Transmission) έχουν σημαντικό αντίκτυπο στα δίκτυα αισθητήρων και γενικότερα στα δίκτυα επικοινωνιών με περιορισμούς ενέργειας, ανοίγοντας το δρόμο για νέες μεθόδους διαχείρισης ενέργειας στα ασύρματα συστήματα. Μέχρι πρόσφατα, η υπάρχουσα έρευνα εστίαζε κυρίως στη μεγιστοποίηση της διάρκειας ζωής του δικτύου, στη βελτίωση της απόδοσης φόρτισης, στην ελαχιστοποίηση της καθυστέρησης κατά τη φόρτιση κ.λπ. Η πιο πρόσφατη έρευνα έχει ήδη αρχίσει να εξετάζει αλγοριθμικές λύσεις για την αντιμετώπιση των προβλημάτων που προκύπτουν. Ταυτόχρονα, τόσο η εξέλιξη όσο και η εφαρμογή των συστημάτων ΤΠΕ σε πολύ σημαντικούς τομείς της ζωής μας (βιομηχανία, έξυπνο σπίτι, έξυπνες πόλεις κ.λπ.) είναι ραγδαία. Οι συσκευές IoT (συσκευές συνδεδεμένες στο διαδίκτυο) πρέπει να μπορούν να εγκατασταθούν σε οποιοδήποτε μέρος και να έχουν πρόσβαση σε αυτές από παντού. Ένας μεγάλος αριθμός από αυτές τις συσκευές εκτελεί εργασίες παρακολούθησης και ελέγχου σε «έξυπνες» εφαρμογές καθώς και σε δυσπρόσιτες περιοχές. Για την επιτυχή υλοποίηση αυτών των εφαρμογών, μια συσκευή IoT θα πρέπει να είναι μικρή και αυτόνομη, ενώ να ενσωματώνει αισθητήρες, δυνατότητες επεξεργασίας δεδομένων και ασύρματης επικοινωνίας. Αυτές οι απλές συνθήκες συνεπάγονται περιορισμούς αποθήκευσης και διαχείρισης ενέργειας για τις συσκευές IoT προκειμένου να διασφαλιστεί η συνεχής λειτουργία τους, καθώς ούτε η αντικατάσταση του καλωδίου ρεύματος ούτε η μπαταρία είναι βιώσιμες επιλογές υπό αυτές τις συνθήκες ή απλώς λόγω της ευελιξίας (γρήγορη εγκατάσταση χωρίς καλώδιο, χωρίς συντήρηση ). Μεγάλες ευκαιρίες ανάπτυξης αναμένονται τα επόμενα χρόνια στις τεχνολογίες ασύρματης μετάδοσης ενέργειας και ηλιακής συγκομιδής που έχουν εγκριθεί για την τροφοδοσία συσκευών IoT. Αυτή η αύξηση δικαιολογείται από σημαντικές προόδους στην επιστήμη των υλικών, τη μηχανική και την εκτεταμένη κατασκευή πρωτοτύπων. Καινοτόμες λύσεις αποθήκευσης ενέργειας για το IoT έχουν ήδη εμφανιστεί στην αγορά. Όσον αφορά τη διαχείριση ενέργειας, μια σειρά ολοκληρωμένων λύσεων είναι διαθέσιμη στην αγορά για την παροχή συσκευών IoT που ποικίλλουν από το σπίτι, έως και τις βιομηχανικές εφαρμογές. Η φόρτιση ραδιοσυχνοτήτων, μαζί με άλλες τεχνολογίες WPT και μηχανές συγκομιδής ενέργειας περιβάλλοντος είναι σήμερα βιώσιμες ολοκληρωμένες πηγές ενέργειας για μικρές, φορητές ή μη συσκευές. Σε αυτή τη διατριβή, έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι αποτελεσματικής ασύρματης φόρτισης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας για τη βελτίωση της ποιότητας φόρτισης των μη δομημένων δικτύων επικοινωνίας και την ανάπτυξη συστημάτων IoT που θα μπορούν να χρησιμοποιούν αυτήν την τεχνολογία. Συγκεκριμένα, παρουσιάζουμε νέες αλγοριθμικές μεθόδους που βασίζονται σε ένα νέο, πιο ρεαλιστικό και ακριβές μοντέλο ασύρματης μεταφοράς ισχύος, το οποίο μπορεί να συλλάβει αποτελεσματικά εποικοδομητικές και καταστροφικές παρεμβολές των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Αυτές οι μέθοδοι αντιμετωπίζουν προβλήματα όπως i) το επίπεδο ισχύος του φορτιστή, η διαμόρφωση φάσης και η ανάπτυξη προς τη μεγιστοποίηση της ισχύος και ii) η εύρεση διαδρομών ακτινοβολίας χαμηλού EM στα συστήματα WPT. Εκτός από την αλγοριθμική προοπτική, οι σύγχρονες προσεγγίσεις παροχής ενέργειας στοχεύουν στο συνδυασμό διαφορετικών τεχνολογιών που αποσυνδέουν τη συλλογή από το περιβάλλον και διαχειρίζονται αποτελεσματικά τη διαθέσιμη ενέργεια. Έτσι, παρουσιάζουμε νέες πλατφόρμες διαχείρισης ενέργειας IoT που ενσωματώνουν τόσο τη φόρτιση ραδιοσυχνοτήτων όσο και τη συλλογή ενέργειας περιβάλλοντος σε συσκευές ανίχνευσης ισχύος και επικοινωνίας. Αυτές οι πλατφόρμες χρησιμοποιούνται σε μια πραγματική εφαρμογή στο πλαίσιο των Smart Roads και είναι υπεύθυνες για την τροφοδοσία μιας λίστας αισθητήρων και της αντίστοιχης μονάδας επικοινωνίας με επαρκή τρόπο.