Tesis
Slotted ALOHA para redes sem fio com recursos escassos e energizadas via sinais de radiofrequência
Fecha
2022-04-01Registro en:
SILVA, Cleyson de Vasconcelos. Slotted ALOHA para redes sem fio com recursos escassos e energizadas via sinais de radiofrequência. 2021. 135 f., il. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) — Universidade de Brasília, Brasília, 2021.
Autor
Silva, Cleyson de Vasconcelos
Institución
Resumen
O crescente interesse da indústria no novo paradigma de redes conhecido
como Internet das Coisas alavancou a demanda por dispositivos sem fio com capacidade de
operação prolongada e para utilização em larga escala. Porém, a substituição manual das
baterias, em redes com milhões ou até bilhões de dispositivos, gera um grande problema. Nesse
contexto, a transferência de energia via sinais de radiofrequência emergiu como uma solução
promissora tanto à problemática relacionada ao tempo de vida dos dispositivos quanto à
substituição de suas baterias, dando origem às redes sem fio energizadas via sinais de
radiofrequência. Nesse âmbito, propomos uma modificação do protocolo Slotted ALOHA para
operar com transferência de energia via sinais de radiofrequência enviados por um ponto de
acesso “híbrido” em uma rede formada por dispositivos sem fio com recursos escassos.
Neste protocolo, o ponto de acesso híbrido utiliza um número específico e exclusivo de
slots para transferir energia suficiente apenas para geração e tentativa de transmissão de um
único pacote de dados por estação, que após a transmissão, entra em modo de dormência. Para
isto, o ponto de acesso híbrido monitora o número de tentativas de transmissão no canal desde
o último período de carregamento. Esse monitoramento é realizado estimando o número
acumulado de estações que realizaram uma tentativa de transmissão. Devido à restrição de
energia das estações, um limiar de tentativas de transmissão é estipulado para que ocorra o
carregamento da rede via sinais de radiofrequência emitidos pelo ponto de acesso híbrido.
Quando a contagem do número acumulado de tentativas de transmissão atinge ou ultrapassa o
limiar estipulado, o ponto de acesso híbrido envia um sinal de despertar indicando o início do
período de carregamento no slot seguinte. As estações alternam para o modo de coleta de
energia assim que recebem o sinal de despertar.
O sistema contempla dois modos de operação: Hold-Before-Charge (HBC) e Drop-
Before-Charge (DBC). No modo de operação HBC, um pacote gerado no mesmo slot em que o
sinal de despertar é enviado deve ser mantido no buffer do dispositivo e transmitido no início do
slot imediatamente seguinte ao período de carregamento. Porém, no modo de operação DBC,
um pacote gerado no mesmo slot em que o sinal de despertar é enviado deve ser descartado
antes do período de carregamento.
Este trabalho apresenta modelos analíticos baseados em cadeias de Markov para avaliar
o desempenho de ambos os modos de operação considerando condições de canal ideais. Os
modelos analíticos são validados via simulação Monte Carlo. Considerando aspectos da camada
física, propomos também uma formulação matemática para obter o período médio de
carregamento, e técnicas para estimar o número de transmissões simultâneas utilizando o
método de estimação de máxima verossimilhança. O impacto do carregamento energético e das
técnicas de estimação no desempenho do sistema considerando aspectos da camada física é
avaliado via simulações. O desempenho do protocolo é estudado em termos de vazão
normalizada sob diferentes condições de rede e valores de seus parâmetros de operação. Em
particular, investigamos o comportamento da vazão da rede para diferentes valores do limiar de
contagem de nós descarregados.
O sistema operando no modo HBC apresenta melhor desempenho, porém demanda mais
energia do HAP. O período médio de carregamento obtido dado os parâmetros do sistema é
capaz de recarregar as estações com alta probabilidade. Por fim, a utilização das técnicas para
estimar o número de transmissões simultâneas permite que o sistema atinja alto desempenho
para a maioria dos valores de limiar.