Skip to main content
SUPERVISOR
Hossein Saidi,Forooghosadat Tabataba
حسین سعیدی (استاد راهنما) فروغ السادات طباطباء (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohsen Aliasghari
محسن علی اصغری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396

TITLE

Optimization of minimum data rate of sensors by jointly design of energy beamforming and data routing
With the rapid development of wireless communications, wireless devices are becoming more popular in everyday life. Currently, wireless devices usually rely on internal batteries to power. However, due to the limited battery capacity, the lifetime of these devices are limited. In addition, for low-power devices such as sensors used in the internet of things, since the number of sensors is very high and sensors may be located in some dangerous or hard access places, it may be hard or impossible to replace or charge the batteries. Therefore, achieving wireless charging of wireless devices has become a major issue. On the other hand, given that the battery capacity of wireless devices are limited, the use of wireless power transfer and energy harvesting from radio frequency signals by these devices is a solution to solve the problem of the battery capacity limitation. In wireless power transfer using radio frequency signals, the source transfers power wirelessly to the wireless devices, and they use this power to extract the energy they need to exchange information. To increase the power extraction, beamforming methods are used in the power transmitter. Moreover, it is very important to consider the quality of service and fairness among users. It takes a lot of energy to transmit information over long distances, but, wireless sensors have limited energy. For this reason, the sensors can send their information to the neighboring sensors and by cooperation, deliver the sensor information to the destination. In this method, it is very important to find the path that has the least energy consumption. Optimal routing algorithms is one of the useful solutions that can be used to reduce energy consumption. In this study, we randomly place a number of sensors in an area and wirelessly send energy to the sensors via a charger station. After extracting the energy, the sensors will send their information to the sink. The goal of this optimization is to maximize the minimum rate of the sensors, so that we have an everlasting wireless sensor network. In the proposed system model, we send the energy to sensors using energy beamforming in downlink and sensors will transmit their information using the harvested energy. The harvested energy is limmited to the considered battery capacity. In uplink, considering the Rayleigh channel and pathloss between the sensor nodes, we calculate the channel capacity using Shannon equation and use it in the optimization problem. We simulate the system and discuss the effects of the number of charger antennas, the range of sensors, battery capacity and channel capacity on the minimum data rate of sensors. The results show that increasing the battery capacity or channel capacity, as well as increasing the sensors range, increases the minimum rate of the sensors. Key Words: Wireless Sensor Networks, Wireless Power Transfer, Beamforming, Routing, Energy Harvesting
با توسعه سریع ارتباطات بی‌سیم، دستگاه‌های بی‌سیم در زندگی روزمره محبوب‌تر می‌شوند. در حال حاضر، دستگاه‌های بی‌سیم برای تأمین توان معمولاً به باتری‌های داخلی متکی هستند. اما به‌دلیل محدود بودن ظرفیت باتری، طول عمر این دستگاه‌ها محدود است. برای دستگاه‌های کم‌مصرف مانند حسگرهای استفاده شده در اینترنت اشیاء، از آن‌جا که تعداد حسگرهای استفاده شده بسیار زیاد است و ممکن است حسگرها در برخی از نقاط خطرناک و یا با دسترسی سخت مستقر باشند، ممکن است تعویض باتری به‌صورت دستی، سخت و یا غیرممکن باشد. بنابراین، چگونگی دستیابی به شارژ بی‌سیم دستگاه‌های بی‌سیم به یک مسئله اساسی تبدیل شده است. از طرفی با توجه به اینکه ظرفیت باتری تجهیزات بی‌سیم محدود است، استفاده از انتقال توان بی‌سیم و برداشت انرژی از سیگنال‌های فرکانس‌ رادیویی توسط این تجهیزات راهکاری است که به‌منظور رفع مشکل محدودیت ظرفیت باتری تجهیزات بی‌سیم در نظر گرفته شده است. در انتقال توان بی‌سیم با استفاده از سیگنال‌های فرکانس رادیویی، توان به‌صورت بی‌سیم از منبع به تجهیزات ارسال می‌شود و تجهیزات بی‌سیم با استفاده از این انتقال توان، انرژی مورد نیاز خود را برداشت کرده و به تبادل اطلاعات می‌پردازند. برای افزایش توان برداشتی، روش‌های شکل‌دهی پرتو در فرستنده توان استفاده می‌شوند که با استفاده از آن، سیگنال‌های انرژی در جهت گیرنده ارسال می‌شوند. همچنین در نظر گرفتن کیفیت سرویس و رعایت عدالت بین کاربران نیز بسیار ضروری است. برای انتقال اطلاعات در فواصل طولانی انرژی زیادی نیاز است، اما حسگرهای بی‌سیم دارای انرژی محدود هستند. برای این منظور حسگرها می‌توانند اطلاعات خود را برای حسگرهای همسایه ارسال کنند و با همکاری یکدیگر اطلاعات حسگر را به مقصد برسانند. در این روش یافتن مسیری که کمترین انرژی مصرفی را داشته باشد بسیار حائز اهمیت است. استفاده از الگوریتم‌های مسیریابی بهینه یکی از راهکارهای مفیدی است که برای کاهش انرژی مصرفی می‌توان استفاده کرد. در این پژوهش تعدادی حسگر را به‌صورت تصادفی در یک ناحیه قرار می‌دهیم و توسط یک ایستگاه شارژر به‌صورت بی‌سیم انرژی را برای حسگرها ارسال می‌کنیم، حسگرها پس از برداشت انرژی اطلاعات خود را به ایستگاه دریافت کننده اطلاعات ارسال می‌کنند. هدف بهینه‌سازی در این پایان‌نامه، بیشینه کردن کمینه نرخ حسگرها است، به‌صورتی که یک شبکه حسگر بی‌سیم پایدار داشته باشیم. در مدل سیستم پیشنهادی، در فاز فروسو انرژی را با استفاده از شکل‌دهی پرتو انرژی برای حسگرها ارسال می‌کنیم و حسگرها با انرژی برداشتی اقدام به ارسال اطلاعات می‌کنند. میزان انرژی برداشتی حسگرها محدود به ظرفیت باتری است که برای آن‌ها در نظر گرفته‌ایم. در فاز فراسو با در نظر گرفتن کانال رایلی بین گره‌های حسگر و تلفات مسیر، ظرفیت کانال را با استفاده از رابطه ظرفیت شانون محاسبه می‌کنیم و با استفاده از آن، مسئله ‌بهینه‌سازی را حل می‌کنیم و تأثیر افزایش تعداد آنتن‌های شارژر، محدوده ارسال حسگرها، ظرفیت باتری و ظرفیت کانال را بر حداقل نرخ داده حسگرها بررسی کرده و شبیه‌سازی می‌کنیم. نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که افزایش ظرفیت باتری و ظرفیت کانال و همچنین افزایش محدوده ارسالی حسگرها، باعث افزایش نرخ حسگرها می‌شود کلمات کلیدی: شبکه‌های حسگر بی‌سیم، انتقال توان بی‌سیم، شکل دهی پرتو انرژی، مسیریابی، برداشت انرژی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی