Energy harvesting-aware design of wireless networks

Recent advances in low-power electronics and energy-harvesting (EH) technologies enable the design of self-sustained devices that collect part, or all, of the needed energy from the environment. Several systems can take advantage of EH, ranging from portable devices to wireless sensor networks (WSNs). While conventional design for battery-powered systems is mainly concerned with the battery lifetime, a key advantage of EH is that it enables potential perpetual operation of the devices, without requiring maintenance for battery substitutions. However, the inherent unpredictability regarding the amount of energy that can be collected from the environment might cause temporary energy shortages, which might prevent the devices to operate regularly. This uncertainty calls for the development of energy management techniques that are tailored to the EH dynamics. While most previous work on EH-capable systems has focused on energy management for single devices, the main contributions of this dissertation is the analysis and design of medium access control (MAC) protocols for WSNs operated by EH-capable devices. In particular, the dissertation first considers random access MAC protocols for single-hop EH networks, in which a fusion center collects data from a set of nodes distributed in its surrounding. MAC protocols commonly used in WSNs, such as time division multiple access (TDMA), framed-ALOHA (FA) and dynamic-FA (DFA) are investigated in the presence of EH-capable devices. A new ALOHA-based MAC protocol tailored to EH-networks, referred to as energy group-DFA (EG-DFA), is then proposed. In EG-DFA nodes with similar energy availability are grouped together and access the channel independently from other groups. It is shown that EG-DFA significantly outperforms the DFA protocol. Centralized scheduling-based MAC protocols for single-hop EH-networks with communication resource constraints are considered next. Two main scenarios are addressed, namely: i) nodes exclusively powered via EH; ii) nodes powered by a hybrid energy storage system, which is composed by a non-rechargeable battery and a capacitor charged via EH. For the former case the goal is the maximization of the network throughput, while in the latter the aim is maximizing the lifetime of the non-rechargeable batteries. For both scenarios optimal scheduling policies are derived by assuming different levels of information available at the fusion center about the energy availability at the nodes. When optimal policies are not derived explicitly, suboptimal policies are proposed and compared with performance upper bounds. Energy management policies for single devices have been investigated as well by focusing on radio frequency identification (RFID) systems, when the latter are operated by enhanced RFID tags with energy harvesting capabilities.

Recenti sviluppi nell’elettronica a basso consumo energetico e nelle tecnologie di energy harvesting, hanno reso possibile la progettazione di dispositivi elettronici che vengono alimentati parzialmente, o interamente, tramite il recupero di energia presente nell’ambiente circostante. Esistono svariati sistemi che possono trarre vantaggio dalle tecnologie di energy harvesting, tra cui l’elettronica di consumo e le reti di sensori senza fili. Una delle grandi potenzialità date dall’utilizzo delle sorgenti di energy harvesting consiste nella possibilità di avere dei dispositivi che potenzialmente operano per un periodo di tempo illimitato, senza richiedere interventi di manutenzione periodici per la sostituzione delle batterie. Tuttavia, la presenza di sorgenti di energy harvesting nell’ambiente circostante, è tipicamente incerta e non facilmente predicibile, questo fa si che l’alimentazione dei dispositivi sia potenzialmente soggetta a carenze di energia temporanee. Per questo motivo, la progettazione di sistemi operanti con dispositivi alimentati tramite energy harvesting, richiede uno studio dedicato che si differenzia in modo sostanziale rispetto alla progettazione dei sistemi alimentati con batterie. La maggior parte del lavoro su sistemi di energy harvesting presente in letteratura è principalmente indirizzato alla gestione dell’energia per dispositivi singoli, mentre il contributo principale di questa tesi è quello di proporre ed analizzare tecniche di gestione dell’energia per sistemi di nodi interconnessi e alimentati tramite energy harvesting, con particolare attenzione ai protocolli di accesso multiplo per reti di sensori senza fili. In particolare, in questa tesi sono stati considerati protocolli di accesso multiplo per reti di sensori a singola tratta, nelle quali un nodo centralizzato colleziona dati trasmessi da un insieme di nodi distribuiti nelle sue vicinanze. Protocolli di accesso tipicamente usati in reti a singola tratta, includono tecniche di accesso a divisione di tempo (TDMA), protocolli basati su ALOHA e ALOHA strutturati. Le prestazioni di questi protocolli in presenza di energy harvesting sono state analizzate e caratterizzate in questa tesi. Inoltre, un nuovo protocollo di tipo ALOHA, che migliora le prestazioni rispetto alle tecniche ALOHA tradizionali, è stato proposto per rispondere alle peculiarità introdotte dalla presenza di nodi alimentati tramite energy harvesting. Un secondo aspetto analizzato nella tesi consiste nello studio di protocolli di accesso con controllo centralizzato. In particolare, sono stati considerati due scenari principali: i) nodi alimentati esclusivamente tramite energy harvesting; ii) nodi alimentati tramite sistemi ibridi equipaggiati da batterie non ricaricabili coadiuvate da energy harvesting. Nel primo caso, l’obbietivo è quello di massimizzare il numero medio di pacchetti trasmessi al nodo centrale (o throughput), mentre nel secondo caso l’obbiettivo è la massimizzazione del tempo di vita delle batterie. Per entrambi gli scenari, e sotto determinate ipotesi, sono state ricavate delle politiche di schedulazione dei nodi ottime, mentre politiche subottime sono state ricavate negli altri casi. Infine, si sono considerate tecniche di gestione dell’energia in sistemi RFID evoluti, proponendo architetture di nodi RFID (o tag) equipaggiate con tecnologie di energy harvesting.