Sustainable Management of Energy-Harvesting Communication Systems

I sistemi IoT si sono massivamenti entrati nella vita quotidiana per varie applicazioni. Uno dei principali vincoli che inibiscono l'ulteriore sviluppo di queste applicazioni è l'autonomia limitata delle batterie attuali. Inoltre, la sostenibilità energetica è un requisito cruciale per i sistemi impiegati in applicazioni mission-critical. Un approccio ampiamente utilizzato per aumentare l'autonomia dei sistemi IoT è l'uso di fonti energetiche rinnovabili come solare, eolico, termico e altri per alimentare i dispositivi. Ad esempio, una delle soluzioni più diffuse per i nodi di sensori wireless è l'uso di pannelli solari, che possono fornire un ragionevole input di energia. La loro efficienza è determinata dal materiale del pannello che definisce l'efficienza di conversione. Le fonti energetiche rinnovabili sono troppo irregolari per garantire la completa affidabilità del sistema se non sovradimensionate. In realtà, l'approvvigionamento energetico è spesso limitato, il che causa la necessità di adattamento della strategia operativa del nodo per garantire l'affidabilità funzionale del sistema. Tuttavia, la natura inaffidabile delle energie rinnovabili provoca diverse sfide, che affrontiamo in questo lavoro. In particolare, questa tesi studia l'effetto delle imperfezioni della batteria causate dai processi di diffusione interna della batteria sul funzionamento del dispositivo wireless per la raccolta di energia e strategie efficaci di bilanciamento dell'energia per diversi scenari e tipi di sistema. Proponiamo 1) la strategia di trasmissione, che tiene conto delle proprietà della batteria (perdite, recupero della carica, scarica profonda, ecc.) E riduce le perdite di dati e gli eventi di scarica; 2) algoritmi di campionamento adattivo, che bilanciano gli arrivi irregolari di energia, validati sul data logger industriale alimentato da un pannello solare; e 3) cooperazione energetica in contesti WSN e Smart City. Ci concentriamo anche su sistemi IoT di missione critica, in cui la freschezza dei pacchetti consegnati al nodo di monitoraggio da parte delle fonti di informazione (nodi di comunicazione) è il parametro importante da tracciare. In questo contesto, fissiamo l'obiettivo dell'età della minimizzazione delle informazioni tenendo conto dei vincoli della batteria, dell'asimmetria nell'affidabilità delle fonti di informazione e della stabilità degli arrivi di energia, ovvero della velocità di raccolta dell'energia. Questa serie di strategie copre una vasta gamma di applicazioni, scenari e requisiti. Ad esempio, possono essere applicati a una città intelligente rappresentata come un grande sistema di servizi intelligenti interconnessi o come WSN impiegato per applicazioni mission-critical. Abbiamo dimostrato che la conoscenza della batteria e delle caratteristiche ambientali e le proprietà asimmetriche di un sistema sono utili per la progettazione di strategie di trasmissione / rilevamento.