Slotted ALOHA para redes sem fio com recursos escassos e energizadas via sinais de radiofrequência

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, Cleyson de Vasconcelos
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UnB
Texto Completo: https://repositorio.unb.br/handle/10482/43269
Resumo: Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2021.
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spelling Slotted ALOHA para redes sem fio com recursos escassos e energizadas via sinais de radiofrequênciaInternet das Coisas (IoT)Slotted ALOHATransferência de energiaDissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2021.O crescente interesse da indústria no novo paradigma de redes conhecido como Internet das Coisas alavancou a demanda por dispositivos sem fio com capacidade de operação prolongada e para utilização em larga escala. Porém, a substituição manual das baterias, em redes com milhões ou até bilhões de dispositivos, gera um grande problema. Nesse contexto, a transferência de energia via sinais de radiofrequência emergiu como uma solução promissora tanto à problemática relacionada ao tempo de vida dos dispositivos quanto à substituição de suas baterias, dando origem às redes sem fio energizadas via sinais de radiofrequência. Nesse âmbito, propomos uma modificação do protocolo Slotted ALOHA para operar com transferência de energia via sinais de radiofrequência enviados por um ponto de acesso “híbrido” em uma rede formada por dispositivos sem fio com recursos escassos. Neste protocolo, o ponto de acesso híbrido utiliza um número específico e exclusivo de slots para transferir energia suficiente apenas para geração e tentativa de transmissão de um único pacote de dados por estação, que após a transmissão, entra em modo de dormência. Para isto, o ponto de acesso híbrido monitora o número de tentativas de transmissão no canal desde o último período de carregamento. Esse monitoramento é realizado estimando o número acumulado de estações que realizaram uma tentativa de transmissão. Devido à restrição de energia das estações, um limiar de tentativas de transmissão é estipulado para que ocorra o carregamento da rede via sinais de radiofrequência emitidos pelo ponto de acesso híbrido. Quando a contagem do número acumulado de tentativas de transmissão atinge ou ultrapassa o limiar estipulado, o ponto de acesso híbrido envia um sinal de despertar indicando o início do período de carregamento no slot seguinte. As estações alternam para o modo de coleta de energia assim que recebem o sinal de despertar. O sistema contempla dois modos de operação: Hold-Before-Charge (HBC) e Drop- Before-Charge (DBC). No modo de operação HBC, um pacote gerado no mesmo slot em que o sinal de despertar é enviado deve ser mantido no buffer do dispositivo e transmitido no início do slot imediatamente seguinte ao período de carregamento. Porém, no modo de operação DBC, um pacote gerado no mesmo slot em que o sinal de despertar é enviado deve ser descartado antes do período de carregamento. Este trabalho apresenta modelos analíticos baseados em cadeias de Markov para avaliar o desempenho de ambos os modos de operação considerando condições de canal ideais. Os modelos analíticos são validados via simulação Monte Carlo. Considerando aspectos da camada física, propomos também uma formulação matemática para obter o período médio de carregamento, e técnicas para estimar o número de transmissões simultâneas utilizando o método de estimação de máxima verossimilhança. O impacto do carregamento energético e das técnicas de estimação no desempenho do sistema considerando aspectos da camada física é avaliado via simulações. O desempenho do protocolo é estudado em termos de vazão normalizada sob diferentes condições de rede e valores de seus parâmetros de operação. Em particular, investigamos o comportamento da vazão da rede para diferentes valores do limiar de contagem de nós descarregados. O sistema operando no modo HBC apresenta melhor desempenho, porém demanda mais energia do HAP. O período médio de carregamento obtido dado os parâmetros do sistema é capaz de recarregar as estações com alta probabilidade. Por fim, a utilização das técnicas para estimar o número de transmissões simultâneas permite que o sistema atinja alto desempenho para a maioria dos valores de limiar.The growing interest of the industry on the new networking paradigm known as Internet of Things has leveraged a demand for large-scale adoption of battery-operated wireless devices capable of operating over long periods of time. However, the manual replacement of battery in networks with millions or even billions of devices has become a significant issue. In this context, wireless power transfer via radio frequency signals has emerged as a promising solution to the problem of extending the lifetime of devices' batteries and their frequent replacement, giving rise to Wireless Powered Communications Networks. To address this problem, we propose a modified Slotted ALOHA protocol for Wireless Powered Resource-Constrained Networks. In this work, the Hibrid Access Point (HAP) performs wireless energy transfer over a specific and exclusive number of time slots (the charging period). Each wireless energy transfer performed by a HAP allows only basic operations and a single packet generation and transmission attempt by each node. After its transmission, the node goes to sleep mode. The HAP keeps track of the accumulated number of nodes that have already attempted a packet transmission over the channel since the end of the last charging period. This tracking is performed by estimanting the number of stations that have already made a transmission attempt. Due to power restrictions of stations, a transmission attempt threshold value is set up to control when the HAP sends the radiofrequency signals for energy replenishment. As soon as the number of transmission attempts is larger than or equal to the configured threshold value, the HAP sends a wake-up signal indicating the start of the charging period in the next time slot. Stations switch to energy harvesting mode as soon as they receive the wake-up signal. Two variations of the basic system operation are introduced: a hold-before-charge operation (HBC) and a drop-before-charge operation (DBC). In the HBC operation mode, the nodes with a packet generated in the same time slot where a wake-up signal is received keep their packets in their buffers until the end of the transmission of the consecutive energy packets, at which moment they resume their packet transmissions. But, in the DBC operation mode, any node with a packet generated in the same time slot where a wake-up signal is received must discard the packet from its buffer. This work presents analytical models to evaluate the performance of both modes of operation assuming ideal channel conditions. In addition, we consider physical-layer issues to propose a formulation to obtain the average charging period, and techniques to estimate the number of simultaneous transmissions based on maximum likelihood estimation. The impact of energy charging and the estimation techniques on system performance while considering physical-layer issues are evaluated via Monte Carlo simulations. Protocol performance is studied in terms of normalized throughput under different network conditions and values of its operating parameters. In particular, we investigate the behavior of the network throughput for different values of the discharged node count threshold. The system operating in HBC mode has better performance, but demands more energy from the HAP. The average charging period obtained given the system parameters is capable of recharging the stations with high probability. Finally, using techniques to estimate the number of simultaneous transmissions allows the system to achieve high performance for most threshold values.Faculdade de Tecnologia (FT)Departamento de Engenharia Elétrica (FT ENE)Programa de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaCarvalho, Marcelo Menezescleysonvsilva@gmail.comSilva, Cleyson de Vasconcelos2022-04-01T20:02:26Z2022-04-01T20:02:26Z2022-04-012021-12-03info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfSILVA, Cleyson de Vasconcelos. Slotted ALOHA para redes sem fio com recursos escassos e energizadas via sinais de radiofrequência. 2021. 135 f., il. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) — Universidade de Brasília, Brasília, 2021.https://repositorio.unb.br/handle/10482/43269A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UnBinstname:Universidade de Brasília (UnB)instacron:UNB2024-03-01T16:01:18Zoai:repositorio.unb.br:10482/43269Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.unb.br/oai/requestrepositorio@unb.bropendoar:2024-03-01T16:01:18Repositório Institucional da UnB - Universidade de Brasília (UnB)false
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