técnica de formación de haz con división de haz que permite a una baliza de potencia dividir haces de energía de microondas hacia múltiples nodos para su carga simultánea.
Demostramos experimentalmente que esta técnica alcanza la optimalidad de Pareto. demostramos que el algoritmo propuesto puede mantener activos todos los nodos sensor mediante la división óptima de los haces de energía hacia múltiples nodos sensor
algoritmo de control de neutralidad energética que mantiene activo un nodo sensor equilibrando la potencia obtenida y consumida
estudiamos una red de sensores alimentada de forma inalámbrica (WPSN) con una baliza de energía que utiliza múltiples antenas de transmisión para alimentar múltiples nodos de sensores simultáneamente
diseño de un algoritmo conjunto de división de haces y control de energía neutral para admitir múltiples nodos sensores
banco de pruebas WPSN multinodo y multiantena que opera en tiempo real mediante el ensamblaje de dispositivos comerciales listos para usar (COTS).
los nodos sensores operan sin otra fuente de alimentación que la energía de RF transferida desde la baliza de potencia. Dado que el modelo práctico de WPT aún no está bien establecido implementamos el concepto de ciclo de trabajo mediante la relación de cuadros de activación de cada nodo sensor, y el algoritmo de control de energía neutral controla las relaciones de cuadros de activación con base en los niveles de energía almacenados de todos los nodos sensores. A diferencia de las redes de sensores con captación de energía ambiental, la WPSN cuenta con una fuente de alimentación intencional que proporciona energía de RF mediante Formación de haz
la utilidad se define como una función cóncava de la relación de cuadros despiertos. Para resolver dinámicamente este problema de optimización, definimos una función de Lyapunov cuadrática y diseñamos el algoritmo que determina tanto los pesos de la conformación de haz como las relaciones de cuadros despiertos, minimizando la función de deriva más penalización en cada intervalo de tiempo
metodologia
investigamos primero la región de potencia de recepción
alcanzable de múltiples nodos sensor cuando se utilizan conjuntos de antenas
lineales y circulares en la baliza de potencia.
Presentamos la región de potencia
de recepción real, derivada experimentalmente en el banco de pruebas. P
ara
obtener un punto fuera de la región de potencia de recepción, podemos utilizar
técnicas de formación de haz con división de haz y tiempo compartido.
En la
técnica de formación de haz con división de haz y tiempo compartido, la baliza
de potencia concentra un haz de energía en un solo nodo a la vez, y varios
nodos se cargan con tiempo compartido.
Por otro lado, la técnica de formación
de haz con división de haz divide los haces de energía hacia múltiples nodos
para cargarlos simultáneamente.
proponemos los algoritmos
para implementar las técnicas de formación de haz con división de haz y tiempo
compartido.
z. Demostramos cuánta ganancia
se puede lograr al utilizar la técnica de formación de haz con división de haz
en comparación con la técnica de formación de haz con tiempo compartido.
imero, formulamos un problema de optimización en el que se maximiza la suma de las utilidades de todos los nodos sensores, siempre que se garantice la neutralidad energética
experimentos exhaustivos para
evaluar el rendimiento del algoritmo propuesto en el banco de pruebas.
Los resultados experimentales muestran que el algoritmo propuesto puede
lograr la optimalidad mientras mantiene las energías almacenadas de todos los
nodos del sensor controlando de manera adaptativa los haces de energía y las
relaciones de cuadros despiertos
organización
En la Sección II,
presentamos el modelo del sistema de la red WPSN multinodo y multiantena.
En la Sección III, investigamos las técnicas de formación de haz con división
de haz y compartición de tiempo.
En la Sección IV, proponemos el método
conjunto de división de haz y control de energía neutral.
La Sección V presenta
los resultados experimentales y la Sección VI concluye el artículo.
estructura
Red de sensores alimentada inalámbricamente (WPSN)
con una baliza de potencia y múltiples nodos de sensor 
La baliza de potencia está conectada a una red eléctrica y suministra
energía eléctrica de forma inalámbrica a todos los nodos de sensor en la
WPSN.
La baliza de potencia está conectada a una red eléctrica y suministra
energía eléctrica de forma inalámbrica a todos los nodos de sensor en la
WPSN. La baliza de potencia está equipada con N antenas de transmisión para
la transferencia de energía de RF para enfocar adaptativamente el haz de
energía hacia los nodos de sensor
K nodos de sensor, cada
uno de los cuales tiene una antena de recepción para recolectar la energía de
RF de la baliza de potencia
Un nodo de sensor depende solo de la energía suministrada por la
baliza de potencia sin ninguna otra fuente de energía
En la baliza de potencia, hay N cadenas de RF que constan de un
desfasador, un amplificador de ganancia variable y una antena de transmisión.
El controlador de la baliza de potencia puede determinar la fase y la magnitud
de la señal de energía de RF transmitida desde cada antena de transmisión
controlando el desfasador y el amplificador de ganancia variable. El transceptor
de RF de la baliza de potencia se utiliza para comunicarse con los nodos
sensores. Se utiliza una tecnología de comunicación de bajo consumo para el
transceptor de RF (p. ej., IEEE 802.15.4). Suponemos que la banda de
frecuencia para
La comunicación es diferente a la de la transferencia de energía de RF, de
modo que la transferencia de energía de RF no interfiere con la comunicacion
Un nodo sensor recibe la señal de energía de RF de la baliza a través de
la antena receptora. El rectificador convierte la señal de energía de RF
recibida en corriente continua (CC). La CC obtenida es consumida por los
componentes del circuito activo del nodo sensor, y la CC restante se almacena
en el almacenamiento de energía para uso futuro. Los componentes del
circuito activo extraen energía del almacenamiento si el consumo es mayor
que la obtenida. Los componentes del circuito activo incluyen la unidad
microcontroladora (MCU) y el transceptor de RF. La MCU es un procesador
que controla el nodo sensor, y el transceptor de RF se utiliza para la
comunicación con la baliza. Un nodo sensor puede medir la potencia de
recepción de la señal de energía de RF y la cantidad de energía almacenada
en el almacenamiento de energí
recolector de energia
rectificador que convierte la señal de energía de RF recibida en corriente continua
(CC).
Sea ρk la potencia recolectada, que corresponde a la cantidad de CC
rectificada en el nodo
Debido a la imperfección en el circuito rectificador, se pierde cierta cantidad de
energía en el curso de la conversión de RF a CC
potencia recolectada en el nodo k es ρk = η · rk,
a parte que consume energía,
compuesta por
el MCU y el transceptor de RF
un nodo sensor puede
configurarse en uno de los siguientes cuatro modos: inactivo, activo, recepción y
transmisión
En el modo activo, solo el MCU está activado y el
transceptor de RF está inactivo. El transceptor de RF está listo para recibir datos
de la baliza de potencia en el modo de recepción, y el transceptor de RF envía
datos a la baliza de potencia en el modo de transmisión.
La baliza de potencia consta de Periféricos de Radio por Software Universal
(USRP) y ocho antenas dipolo. La computadora portátil, que ejecuta el software
LabVIEW, genera ocho flujos de ponderaciones de formación de haz complejas y
las envía a los USRP. Los USRP convierten las ponderaciones de formación de
haz en una señal de energía de RF con una frecuencia de 920 MHz.
Cada nodo sensor consta de una placa de recolección de energía, una placa de sensores y un dispositivo de almacenamiento de energía conectados en paralelo. La señal de energía de RF recibida se convierte en corriente continua (CC) mediante el rectificador dentro de la placa de recolección de energia
La corriente continua rectificada
se utiliza para cargar el dispositivo de almacenamiento de energía (es decir, el
supercondensador Samxon de la serie DDL)
e Zolertia Z1 incluyen el MCU (TI
MSP430) y el transceptor de RF (CC242
ros
III. TÉCNICAS DE DIVISIÓN DE HAZ Y FORMACIÓN DE HAZ
EN TIEMPO COMPARTIDO PARA LA CARGA SIMULTÁNEA DE MÚLTIPLES
NODOS DE SEN
protocolo
sistema multiantena multinodo
iene como objetivo distribuir la potencia de RF a cada nodo sensor de manera justa utilizando una técnica de formación de haz con división de haz La potencia de cada nodo debe controlarse para evitar que se produzca
un apagón. Para ello, el protocolo propuesto debe ser capaz de obtener
la información necesaria
teoria
, cargar simultáneamente varios nodos sensores mediante la formación dinámica de múltiples haces de energía de microondas resulta complicado
el método de formación de haces debe diseñarse en estrecha colaboración con el algoritmo de control de energía neutral, que mantiene activo un nodo sensor equilibrando la energía captada y consumida
la técnica de transferencia de energía de RF puede
transferir suficiente energía para alimentar un nodo sensor que requiere poca
energía para su funcionamiento [2].
Estado del arte
investigaciones
basadas en experimentos sobre la WPSN en nuestros trabajos anteriores [3] y [4]
En [3], proporcionamos un modelo integral del sistema WPSN con una sola
antena de transmisión, basado en los resultados experimentales en un banco
de pruebas real. En otro trabajo [4], estudiamos la WPSN multiantena, en la
que La baliza de potencia puede dirigir el haz de energía de microondas hacia
direcciones específicas. En [4], propusimos un algoritmo de estimación de
canal para la formación de haz de energía y un algoritmo de ciclo de trabajo
adaptativo para un funcionamiento con neutralidad energética
La WPT para cargar simultáneamente múltiples dispositivos ha sido
estudiada en trabajos previos [5]–[12]
Los autores de [5] han investigado la
red de comunicación inalámbrica multiantena y multinodo (WPCN), en la que
la información se transmite en el enlace ascendente utilizando la energía
transferida en el enlace descendente. [6]–[8], se investiga un sistema de
enlace descendente multiusuario de entrada única y múltiple (MISO) para la
transferencia inalámbrica simultánea de información y potencia (SWIPT)
[9] se estudia la carga simultánea de múltiples nodos de sensores mediante la
WPT direccional en redes de sensores a gran escala
n [10], se diseña un
método de asignación de potencia de transmisión distribuida cuando coexisten
múltiples nodos de transmisión y recepción de energía en la red.
s [5]–[10] son trabajos teóricos que carecen de
validación experimental.
en [11] se propone e implementa un sistema WPT de
carga de múltiples dispositivos, pero la WPT considerada no es la transferencia
de energía de RF, sino la WPT de campo cercano mediante resonancia
magnética
En [12], se estudia experimentalmente la transferencia de energía
multisalto y multitrayecto, pero no se considera la carga de múltiples dispositivos
con un transmisor multiantena
[13], la frontera de Pareto de la región de potencia de recepción se puede alcanzar mediante la técnica de formación de haz con división de ha
n [14], el algoritmo de
ciclo de trabajo considera la disponibilidad de energía esperada con base en el
historial.
técnica de optimización de Lyapunov [15] para diseñar el
algoritmo óptimo de control conjunto de división del haz y neutralidad
energética. Pr
, explicaremos brevemente estos modelos en este
artículo, y se puede consultar [4] para una descripción más detallada.
Las ranuras de entrenamiento se utilizan para estimar las ganancias del
canal hk,n. En [4] y [18], propusimos un método de estimación de canal
que envía señales de RF con ponderaciones de formación de haz de
entrenamiento durante las ranuras de entrenamiento y estima las
ganancias del canal con base en la potencia de recepción en un nodo
durante dichas ranuras.
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