Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/12643
Title: Efficient wireless power transfer protocols in rechargeable sensor networks
Other Titles: Αποδοτικά πρωτόκολλα ασύρματης μεταφοράς ενέργειας σε επαναφορτιζόμενα δίκτυα αισθητήρων
Authors: Μάδια, Αντελίνα
Keywords: Wireless energy transfer
Wireless rechargeable sensor networks
Energy efficiency
Distributed protocols
Keywords (translated): Ασύρματη μεταφορά ενέργειας
Επαναφορτιζόμενα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων
Ενεργειακή απόδοση
Κατανεμημένα πρωτόκολλα
Abstract: In this thesis, we study problems related to the efficient energy management of sensor networks and propose protocols that exploit the Wireless Power Transfer (WPT) technology using magnetic resonant coupling. A common, realistic assumption of all problems that we investigate is that the amount of available energy supplies is finite; hence, it is crucial to manage it in the most efficient way in order to prolong the network lifetime, and achieve other required network properties as well. The problems on which we focus in this thesis can be classified in two main categories. In the first one, special network entities (called chargers) are required to store large amount of energy supplies and appropriately transfer it to the network devices. In the second category, we study different network models where no special devices are used for the energy management; in contrast, the ordinary network devices are capable to charge each other in a peer-to-peer manner. In particular, we first study wireless rechargeable sensor networks using multiple mobile chargers. In such a setting, the most crucial questions that we aim to answer are the following two. How can the mobile chargers coordinate in order to partition the network area amongst them in fair way, based on the energy supplies they have? Further, what trajectory should each of them follow in order to traverse its assigned subregion and charge the sensor nodes therein? To answer these questions, we propose both centralized and distributed coordination solutions that exploit different levels of knowledge. Moreover, we propose a hierarchical collaborative charging scheme where the chargers are partitioned in two types, the mobile chargers, which are responsible for replenishing the energy of the sensor nodes, and the special chargers, which are responsible for recharging the mobile chargers. In this setting, we investigate how the special chargers must coordinate with each other, which trajectories they should follow, and how much energy must be transferred to each mobile charger. We also focus on the problem of selecting the appropriate power of a single static charger over time in mobile ad hoc networks in order to adapt to the mobility and energy consumption characteristics of the mobile nodes, as these are revealed in an online manner. Finally, we study the problem of designing interaction protocols for networks that consist of computationally weak devices, which are able to exchange energy in a peer-to-peer manner, thus eliminating the need for special entities, like the chargers. The objective is to let the devices distributively construct specific network structures (such as star and tree networks) and achieve appropriate energy distributions. For each of these problems we propose and analyze the properties (both theoretically and experimentally) of various protocols, which utilize different levels of knowledge about the network.
Abstract (translated): Στην παρούσα Διατριβή μελετάμε προβλήματα σχετικά με την αποδοτική διαχείριση της ενέργειας των δικτύων αισθητήρων και προτείνουμε πρωτόκολλα που χρησιμοποιούν την τεχνολογία ασύρματης μεταφοράς ενέργειας με μαγνητικό συντονισμό. Μια κοινή, ρεαλιστική υπόθεση όλων των προβλημάτων που μελετάμε είναι ότι η διαθέσιμη ενέργεια του δικτύου είναι πεπερασμένη και έτσι, είναι εξαιρετικά σημαντικό να τη διαχειριστούμε με τον πιο αποδοτικό τρόπο ώστε να παρατείνουμε το χρόνο ζωής του δικτύου και να επιτύχουμε ορισμένες επιπλέον ιδιότητες. Τα προβλήματα που μελετάμε στην παρούσα Διατριβή μπορούμε να τα κατηγοριοποιήσουμε σε 2 βασικές κατηγορίες. Στην πρώτη κατηγορία, απαιτείται η ύπαρξη ορισμένων ειδικών συσκευών (φορτιστών) που μπορούν να αποθηκεύσουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας και να την μεταφέρουν κατάλληλα στις συσκευές του δικτύου. Στη δεύτερη κατηγορία, μελετάμε διαφορετικά μοντέλα όπου δεν χρησιμοποιούνται ειδικές συσκευές για την διαχείριση της ενέργειας. Αντίθετα, οι απλές συσκευές του δικτύου έχουν τη δυνατότητα να φορτίσουν η μία την άλλη με peer-to-peer τρόπο. Πιο συγκεκριμένα, αρχικά μελετάμε επαναφορτιζόμενα δίκτυα αισθητήρων με πολλαπλούς κινητούς φορτιστές. Σε αυτό το μοντέλο, οι πιο σημαντκές ερωτήσεις που προσπαθούμε να απαντήσουμε είναι δύο. Πως μπορούν να συντονιστούν οι κινητοί φορτιστές ώστε να μοιράσουν δίκαια το δίκτυο μεταξύ τους, με βάση τα αποθέματα ενέργειας που έχουν και ποια είναι η διαδρομή που πρέπει να ακολουθήσει κάθε ένας ώστε να διασχίσει την περιοχή του δικτύου που έχει αναλάβει και να φορτίσει τους αισθητήρες που βρίσκονται σε αυτήν; Για να απαντήσουμε αυτα τα ερωτήματα, προτείνουμε κεντρικοποιημένες και κατανεμημένες λύσεις που χρησιμοποιούν διαφορετικά επίπεδα γνώσης. Επιπλέον, προτείνουμε ένα ιεραρχικό μοντέλο φόρτισης όπου οι φορτιστές διακρίνονται σε δύο τύπους, τους κινητούς φορτιστές που είναι υπεύθυνοι για την φόρτιση των αισθητήρων και τους ειδικούς φορτιστές που είναι υπεύθυνοι για την φόρτιση των κινητών φορτιστών. Σε αυτό το μοντέλο μελετάμε πως πρέπει να συντονιστούν οι ειδικοί φορτιστές, ποιες διαδρομές πρέπει να ακολουθήσουν αλλά και πόση ενέργεια πρέπει να μεταφέρουν κάθε φορά στους κινητούς φορτιστές. Επιπρόσθετα μελετάμε το πρόβλημα της επιλογής του κατάλληλου επιπέδου εκπεμπόμενης ισχύος ενός στατικού φορτιστή κάθε χρονική στιγμή ώστε να προσαρμόζεται στις ανάγκες του δικτύου βάσει της κινητικότητας και της κατανάλωσης ενέργειας των αισθητήρων, τα οποία γίνονται γνωστά με online τρόπο. Τέλος, μελετάμε το πρόβλημα του σχεδιασμού πρωτοκόλλων αλληλεπίδρασης για δίκτυα που αποτελούνται από υπολογιστικά αδύναμες συσκευές, οι οποίες έχουν την δυνατότητα να ανταλλάσσουν ενέργεια ασύρματα με peer-to-peer τρόπο εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη για χρήση ειδικών συσκευών (όπως οι φορτιστές). Σκοπός είναι οι συσκευές να κατασκευάσουν, με κατανεμημένο τρόπο, συγκεκριμένες δομές δικτύου (όπως δομή αστέρα ή δέντρο) και να επιτύχουν κατάλληλες κατανομές ενέργειας. Για κάθε ένα από τα παραπάνω προβλήματα προτείνουμε και αναλύουμε τις ιδιότητες (θεωρητικά και πειραματικά) διάφορων πρωτοκόλλων που χρησιμοποιούν διαφορετικά επίπεδα γνώσης των χαρακτηριστικών του δικτύου.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
phd.thesis.madhja.pdf2.98 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons