Space-division multiple access-based beamforming for multi-user batteryless machine-type communications

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Silva, Lucas Jurgen Klein da
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
UTFPR
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/35756
Resumo: Machine-Type Communication (MTC) in 5G and future 6G networks requires efficient and sustainable energy solutions to support massive deployments of IoT devices. Batteryless MTC, powered by Wireless Energy Transfer (WET) from dedicated Power Beacons (Pbs), has emerged as a promising approach to eliminate the need for frequent battery replacements and maintenance. This study focuses on the comparative analysis of different WET strategies: pure Statistical Channel State Information (SCSI), SCSI combined with Space-Division Multiple Access (SDMA), and the omnidirectional Switching Antenna (SA) technique, each having distinct advantages and limitations in various deployment scenarios. The incident power statistics and outage probabilities under realistic Rician fading channel models were defined, and an optimization algorithm was proposed to minimize the energy consumption of the PB while meeting stringent reliability and latency constraints. Numerical results reveal optimal harvesting and transmission times for each strategy and demonstrate the trade-offs between energy efficiency and system complexity. While the SDMA approach leverages multiple antennas to enhance energy delivery efficiency in dense environments, the SA technique offers a simpler, yet efficient solution for large-scale deployments. The insights gained from this study provide a comprehensive understanding of how to dynamically adapt WET strategies to optimize the performance of batteryless MTC networks.
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spelling Space-division multiple access-based beamforming for multi-user batteryless machine-type communicationsBeamforming baseado em acesso múltiplo por divisão de espaço para comunicações do tipo máquina sem bateria para vários usuáriosSistemas de comunicação sem fioEnergia - TransferênciaProcessamento de sinaisInternet das coisasAprendizado do computadorWireless communication systemsEnergy transferSignal processingInternet of thingsMachine learningCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAEngenharia ElétricaMachine-Type Communication (MTC) in 5G and future 6G networks requires efficient and sustainable energy solutions to support massive deployments of IoT devices. Batteryless MTC, powered by Wireless Energy Transfer (WET) from dedicated Power Beacons (Pbs), has emerged as a promising approach to eliminate the need for frequent battery replacements and maintenance. This study focuses on the comparative analysis of different WET strategies: pure Statistical Channel State Information (SCSI), SCSI combined with Space-Division Multiple Access (SDMA), and the omnidirectional Switching Antenna (SA) technique, each having distinct advantages and limitations in various deployment scenarios. The incident power statistics and outage probabilities under realistic Rician fading channel models were defined, and an optimization algorithm was proposed to minimize the energy consumption of the PB while meeting stringent reliability and latency constraints. Numerical results reveal optimal harvesting and transmission times for each strategy and demonstrate the trade-offs between energy efficiency and system complexity. While the SDMA approach leverages multiple antennas to enhance energy delivery efficiency in dense environments, the SA technique offers a simpler, yet efficient solution for large-scale deployments. The insights gained from this study provide a comprehensive understanding of how to dynamically adapt WET strategies to optimize the performance of batteryless MTC networks.A Comunicação do Tipo Máquina (MTC, em inglês Machine-Type Communication) em redes 5G e futuras redes 6G exige soluções de energia eficientes e sustentáveis para suportar a implantação em massa de dispositivos de Internet das Coisas (IoT, em inglês Internet of Things). A MTC sem bateria, alimentada por Transferência de Energia Sem Fio (WET, em inglês Wireless Energy Transfer) a partir de transmissores de energia (Pbs, em Power Beacons) dedicados, surgiu como uma abordagem promissora para eliminar a necessidade de substituições frequentes de bateria e manutenção. Este estudo foca na análise comparativa de diferentes estratégias de WET: Informação Estatística do Estado do Canal (SCSI, em inglês Statistical Channel State Information) pura, SCSI combinada com Acesso Múltiplo por Divisão de Espaço (SDMA, em inglês Space Division Multiple Access) e a técnica de Antena Comutável (SA, em inglês Switching Antenna) omnidirecional, cada uma com vantagens e limitações distintas em vários cenários de implantação. Definiram-se as estatísticas de potência incidente e as probabilidades de falha sob modelos realistas de canal com desvanecimento Rician, e um algoritmo de otimização foi proposto para minimizar o consumo de energia dos Pbs enquanto atende a rigorosas restrições de confiabilidade e latência. Resultados numéricos revelam os tempos ideais de coleta de energia e transmissão para cada estratégia e demonstram os compromissos entre eficiência energética e complexidade do sistema. Enquanto a abordagem SDMA utiliza múltiplas antenas para melhorar a eficiência da entrega de energia em ambientes densos, a técnica SA oferece uma solução mais simples, porém eficiente, para implantações em larga escala. Os insights obtidos neste estudo fornecem uma compreensão abrangente de como adaptar dinamicamente as estratégias de WET para otimizar o desempenho de redes MTC sem bateria.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática IndustrialUTFPRBrante, Glauber Gomes de Oliveirahttps://orcid.org/0000-0001-6006-4274http://lattes.cnpq.br/8347190422243353Mariano, André Augustohttps://orcid.org/0000-0002-6522-6049http://lattes.cnpq.br/2247619809331876Brante, Glauber Gomes de Oliveirahttps://orcid.org/0000-0001-6006-4274http://lattes.cnpq.br/8347190422243353Farhat, Jamil de Araujohttps://orcid.org/0000-0002-7525-4334http://lattes.cnpq.br/7539776887110465Silva, Lucas Jurgen Klein da2025-01-09T20:14:57Z2025-01-09T20:14:57Z2024-12-19info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfSILVA, Lucas Jurgen Klein da. Space-Division multiple access-based beamforming for multi-user batteryless machine-type communications. 2024. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/35756enghttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2025-01-10T06:09:34Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/35756Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2025-01-10T06:09:34Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
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