Forscher präsentieren eine Lösung für das Energieeffizienzproblem, die herkömmliche Systeme übertrifft.
Die gleichzeitige drahtlose Informations- und Energieübertragung (SWIPT) in Verbindung mit einem nicht-orthogonalen Mehrfachzugriffssystem (NOMA), das in der Kommunikation des Industrial Internet of Things (IIoT) eingesetzt wird, leidet unter erheblichem Energieverlust bei steigender Übertragungsdistanz. Jetzt haben Forscher ein energieeffizientes Framework entwickelt, indem sie SWIPT-NOMA auf ein verteiltes Antennensystem anwenden. Diese Technologie soll den Weg für effizientere und optimierte IoT-Umgebungen ebnen.
Das Industrial Internet of Things (IIoT) und die Herausforderung der Energieübertragung:
Das Industrial Internet of Things (IIoT) bezieht sich auf eine Technologie, die drahtlose Sensoren, Steuerungen und mobile Kommunikationstechnologien kombiniert, um jeden Aspekt industrieller Produktionsprozesse intelligent und effizient zu gestalten. Da IIoTs mehrere kleine batteriebetriebene Geräte und Sensoren einbeziehen können, besteht ein wachsender Bedarf an einem robusten Netzwerk für Datenübertragung und Energieübertragung, um die IIoT-Umgebung zu überwachen.
Drahtlose Energieübertragung im Fokus
In diesem Zusammenhang ist die drahtlose Energieübertragung eine vielversprechende Technologie. Sie verwendet Radiosignale, um kleine Geräte mit minimaler Leistungsaufnahme mit Strom zu versorgen. In letzter Zeit hat die gleichzeitige drahtlose Informations- und Energieübertragung (SWIPT) erhebliches Interesse für IIoTs geweckt. SWIPT verwendet ein einzelnes Radiosignal, um gleichzeitig Energie zu ernten und Informationen zu decodieren. Diese Technologie wurde mit dem nicht-orthogonalen Mehrfachzugriffssystem (NOMA) kombiniert, um die Batterielebensdauer von Sensoren und anderen Geräten zu verlängern. Die Energieeffizienz dieses Systems nimmt jedoch erheblich mit der Entfernung vom zentralen Controller ab.
Eine Lösung für das Energieeffizienzproblem
Um diese Einschränkung zu überwinden, hat ein Team von Forschern aus Südkorea unter der Leitung von Associate Professor Dong-Wook Seo von der Abteilung für Elektronik- und Elektroinformationstechnik an der Korea Maritime and Ocean University ein neues Framework entwickelt. Sie wandten SWIPT-aided NOMA auf ein verteiltes Antennensystem (DAS) an und verbesserten damit signifikant die Energie- und spektrale Effizienz von IIoTs. “Durch die Anwendung eines DAS mit unterstützenden Antennen, die relativ nahe an den Randnutzern und einer zentralen Basisstation liegen, kann der Verlust von SWIPT-NOMA mit wachsender Entfernung effizient reduziert werden. Dies verbessert die Informationsdecodierung und die Leistung der Energieernte”, erklärt Dr. Seo.
Effizienzsteigerung durch innovative Algorithmen
Die Forscher entwickelten einen dreistufigen iterativen Algorithmus, um die Energieeffizienz des SWIPT-NOMA-DAS-Systems zu maximieren. Zuerst optimierten sie die Leistungszuweisung für den zentralen IIoT-Controller. Danach wurden die Leistungszuweisung für NOMA-Signalisierung und die Aufteilung der Leistung für SWIPT gemeinsam optimiert, wobei die Anforderungen an die Datenraten und die geerntete Energie minimiert wurden. Schließlich analysierte das Team ein Ausfallereignis, bei dem das System nicht ausreichend Energie und Datenraten bereitstellen kann, und erweiterte die Methode zur Optimierung der Leistungszuweisung und Aufteilung der Leistung auf das Mehrfachcluster-Szenario.
Ergebnisse und Ausblick
Die Validierung ihres Algorithmus ergab, dass das vorgeschlagene SWIPT-NOMA-DAS-System fünfmal energieeffizienter ist als SWIPT-NOMA ohne DAS. Es zeigt zudem eine Verbesserung von mehr als 10% gegenüber SWIPT-OMA-DAS. Dr. Seo betont die Bedeutung dieser Studie:
Diese Technologie gewährleistet einen sehr effizienten Energieverbrauch und bietet verschiedene Vorteile wie Bequemlichkeit, geringen Stromverbrauch und Verlängerung der Batterielebensdauer. Sie kann daher in Smartphones, Laptops, tragbaren Geräten und Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. Am wichtigsten ist jedoch, dass das SWIPT-NOMA-DAS-System die Ressourcenallokation optimieren und drahtloses Laden und Informationsübertragung für Benutzer in einer IoT-Umgebung effizient durchführen kann.
