Simultaneous wireless information and power transfer schemes

Abstract

Energy harvesting (EH) is a promising solution for prolonging the lifetime of wireless networks by offering self-sustainability to the devices, minimizing, if not eliminating, the use of battery. Especially, harvesting energy from sources that intentionally generate energy, such as radio frequency signals, which is the basis of wireless power transfer (WPT), is proved to be a more effective and interesting alternative, since other basic EH methods are uncontrollable and usually unpredictable. In the context of utilizing WPT in communication systems, simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT), which aims at unifying information and energy transmission, creates new challenges and is the main focus of this dissertation. Furthermore, the performance of the IoT networks, especially the wireless powered ones, their energy consumption, and the number of connected sources are severely affected by the design of the utilized multiple access schemes. To this direction, the second chapter evaluates and optimizes the performance of a SWIPT system with an integrated energy and information receiver, which has the advantage of low complexity and energy cost. First, a tractable expression for the achievable rate is derived, which is subsequently used to quantify the achievable harvested power-rate region for the two SWIPT techniques, namely power-splitting (PS) and time-switching (TS). The joint harvested power-rate outage probability is also defined and minimized. Furthermore, a TS-based broadcasting system is dynamically optimized by maximizing the energy harvested by all sources under an achievable rate threshold for each source. In the third chapter, results for the statistical properties of the Pearson type III and the log Pearson type III distributions are presented and utilized to investigate the statistical behavior of WPT considering the nonlinear relationship between the received and harvested power. To this direction, the logit Pearson type III distribution is introduced through which the logit gamma and the logit exponential distributions are also defined. Furthermore, the statistical properties of the distribution of the harvested power are derived, for both single input single output and multiple input single output scenarios with or without channel state information at the transmitter. In the fourth chapter, two random access (RA) protocols based on slotted ALOHA (SA) and uplink non-orthogonal multiple access (NOMA) are proposed and applied to wireless sensor networks and wireless powered sensor networks. To evaluate the performance of the proposed protocols, the outage probability is derived, which is subsequently used to express the average throughput attained by each protocol in closed form. In the fifth chapter, the performance of an uplink rate-splitting multiple access (RSMA) network with two sources is investigated in terms of outage probability and throughput. Specifically, considering all possible decoding orders at the base station, closed-form expressions for the outage probability of the transmitted messages are derived and utilized to extract the average throughput of the sources in an RA network with a medium access control protocol based on SA and RSMA. Finally, the sixth chapter summarizes the main conclusions of the presented research and presents possible future extensions.

Το διαδίκτυο των πραγμάτων (Internet of Things - IoT) οδηγεί στην ενσωμάτωση τεράστιου αριθμού συσκευών στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, γεγονός που δημιουργεί διάφορες προκλήσεις στα πλαίσια της έρευνας και της πρακτικής υλοποίησης. To IoT επόμενης γενιάς απαιτεί την ανάπτυξη αξιόπιστων, χαμηλού κόστους καθώς και επεκτάσιμων ασύρματων δικτύων που χαρακτηρίζονται από ενεργειακή αυτονομία. Η ασύρματη συλλογή ενέργειας αποτελεί μία υποσχόμενη λύση για την επέκταση της διάρκειας ζωής των IoT δικτύων, καθώς περιορίζει και ορισμένες φορές εξαλείφει τη χρήση μπαταρίας. Τα τελευταία χρόνια, η προσοχή έχει επικεντρωθεί στις ραδιοσυχνότητες οι οποίες αποτελούν το κλασικό μέσο για την ασύρματη μεταφορά πληροφορίας. Συγκεκριμένα, τα σήματα στις ραδιοσυχνοτήτες είναι δυνατό να αποτελέσουν μέσο ασύρματης μεταφοράς ισχύος. Συνδυάζοντας τις δύο παραπάνω χρήσεις των σημάτων στις ραδιοσυχνότητες, δηλαδή τη λειτουργία τους ως όχημα για ασύρματη εκπομπή πληροφορίας αλλά και ως πηγή ασύρματης μεταφοράς ισχύος, προκύπτει ένα σύστημα ταυτόχρονης ασύρματης μεταφοράς πληροφορίας και ισχύος (simultaneous wireless information and power transfer - SWIPT), το οποίο αποτελεί το γενικότερο αντικείμενο μελέτης της παρούσας διατριβής. Το δεύτερο κεφάλαιο μελετά και βελτιστοποιεί ένα SWIPT σύστημα που χρησιμοποιεί ένα δέκτη χαμηλής πολυπλοκότητας πετυχαίνοντας ικανοποιητικό ρυθμό μετάδοσης, αποθηκεύοντας ταυτόχρονα ισχύ και προσφέροντας χαμηλή ενεργειακή κατανάλωση. Συγκεκριμένα, εξάγεται μία έκφραση για τον επιτεύξιμο ρυθμό μετάδοσης και ποσοτικοποιείται η περιοχή αποθηκευμένης ενέργειας-ρυθμού μετάδοσης. Επιπλέον, ορίζεται και ελαχιστοποιείται η από κοινού πιθανότητα διακοπής λειτουργίας για την αποθηκευμένη ενέργεια και τον ρυθμό μετάδοσης. Στη συνέχεια, μοντελοποιείται και επιλύεται ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης που στοχεύει στην μεγιστοποίηση της αποθηκευμένης ενέργειας από τις συσκευές του συστήματος με περιορισμό στον ρυθμό μετάδοσης της εκάστοτε συσκευής. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται αποτελέσματα για τις στατιστικές ιδιότητες των κατανομών Pearson type III και log Pearson type III τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιούνται για τη διερεύνηση της στατιστικής συμπεριφοράς της ασύρματης μεταφοράς ισχύος λαμβάνοντας υπόψη τη μη γραμμική σχέση μεταξύ της λαμβανόμενης και της αποθηκευμένης ισχύος. Σε αυτό το πλαίσιο, εισάγεται η κατανομή logit Pearson type III, για την οποία εξάγονται εκφράσεις κλειστής μορφής για τη συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας, τη συνάρτηση αθροιστικής πιθανότητας και τις ροπές. Επιπλέον, προκύπτουν οι στατιστικές ιδιότητες της κατανομής της αποθηκευμένης ισχύος. Στο τέταρτο κεφάλαιο προτείνονται δύο πρωτόκολλα τυχαίας προσπέλασης που βασίζονται στο slotted ALOHA και στη μη ορθογώνια πολλαπλή πρόσβαση άνω ζεύξης. Σε σύγκριση με άλλα πρωτόκολλα τυχαίας προσπέλασης, το slotted ALOHA έχει τα πλεονεκτήματα της χαμηλής πολυπλοκότητας και της εξάλειψης των μερικώς επικαλυπτόμενων μεταδόσεων, μειώνοντας τον αριθμό των συγκρούσεων. Για τη μείωση του αριθμού των συγκρούσεων και την αύξηση της απόδοσης του slotted ALOHA, διατηρώντας παράλληλα χαμηλή πολυπλοκότητα, χρησιμοποιείται μη ορθογώνια πολλαπλή πρόσβαση. Για την αξιολόγηση της απόδοσης των προτεινόμενων πρωτοκόλλων, υπολογίζεται η πιθανότητα διακοπής επικοινωνίας, η οποία αξιοποιείται για να εξαχθεί το μέσο throughput κάθε πρωτοκόλλου. Στο πέμπτο κεφάλαιο μελετάται η επικοινωνία άνω ζεύξης σε ένα σύστημα, αποτελούμενο από δύο συσκευές, στο οποίο αξιοποιείται η τεχνική rate-splitting multiple access (RSMA), λαμβάνοντας υπόψη όλες τις πιθανές σειρές αποκωδικοποίησης. Συγκεκριμένα, εξάγονται εκφράσεις κλειστής μορφής για την πιθανότητα διακοπής επικοινωνίας, οι οποίες χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του μέσου throughput σε ένα δίκτυο τυχαίας προσπέλασης με πρωτόκολλο βασισμένο στο slotted ALOHA και το RSMA.