Intelligent scatter radio, RF harvesting analysis and resource allocation for ultra-low-power internet-of-things

Abstract

Ubiquitous sensing anywhere and anytime is envisioned under the general umbrella of Internet-of-Things (IoT). The objective of this dissertation is to contribute ultra-low-power IoT technology, exploiting novel concepts in wireless communications and networking. The first part of this work studies far field radio frequency (RF) energy harvesting, taking into account non-linearity, sensitivity, and saturation effects of existing rectenna circuits. The proposed methodology offers the statistics of the harvested power for any given rectenna model, under mild assumptions. In the second part, scatter radio technology, i.e., communication via means of reflection, is studied in order to enable ultra-low-power radio communication with single-transistor front-ends. The goal was to target resource-constrained, i.e., hardware-``thin'', scatter radio tags and simple, low-latency receivers. The third part of this work proposes a multistatic scatter radio network architecture, based on orthogonal signaling, contrasted to existing architectures for dyadic Nakagami fading. Finally, the last part of the dissertation studies resource allocation in multi-cell backscatter sensor networks (BSNs). The proposed resource allocation algorithm is based on the Max-Sum inference algorithm and its convergence-complexity trade-off is quantified. Experimental studies in an outdoor scatter radio testbed corroborate the theoretical findings of this work. Hopefully, this thesis will establish the viability of scatter radio for ultra-low-power communications, enabling critical current and future IoT applications.

Το κύριο χαρακτηριστικό των συσκευών του διαδικτύου-των-πραγμάτων (ΔΤΠ) έχει οραματιστεί να είναι η ανίχνευση των πάντων αναπάσα στιγμή και οπουδήποτε. Ο κύριος σκοπός αυτής της διατριβής είναι η συνεισφορά καινοτόμων ιδεών στην ασύρματη δικτύωση της υφιστάμενης τεχνολογίας των συσκευών του ΔΤΠ. Το πρώτο μέρος μελετάει την συγκομιδή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, λαμβάνοντας υπόψiν την μη-γραμμικότητα, την ευαισθησία, και ισχύ κορεσμού των υφιστάμενων κυκλωμάτων ανόρθωσης. Υπό ήπιες παραδοχές, η προτεινόμενη μεθοδολογία μπορεί να προσφέρει τα στατιστικά της ισχύς συγκομιδής για οποιοδήποτε μοντέλο κυκλώματος ανόρθωσης. Στο δεύτερο μέρος, η τεχνολογία ραδιοφώνων οπισθοσκέδασης (ΟΣ), δηλαδή επικοινωνία μέσω ανάκλασης, μελετήθηκε ώστε να επιτρέψει επικοινωνία πολύ-χαμηλής κατανάλωσης με front-ends που αποτελούνται από μία κρυσταλλολυχνία. Στόχος ήταν οι συσκευές ΟΣ με περιορισμένους πόρους και λίγο υλικό καθώς και απλοί δέκτες με χαμηλή καθυστέρηση. Στο τρίτο μέρος, μία πολυστατική αρχιτεκτονική δικτύου ραδιοφώνων ΟΣ προτάθηκε, βασισμένη σε ορθογώνια σήματα, και συγκρίθηκε με τις υπάρχουσες αρχιτεκτονικές υπό ασύρματα κανάλια διαλείψεων δυαδικού Nakagami. Στο τελευταίο μέρος της διατριβής μελετήθηκε η κατανομή πόρων σε πολυκυψελωτά δίκτυα αισθητήρων ΟΣ. Στην δουλειά αυτή, ο προτεινόμενος αλγόριθμος κατανομής πόρων βασίζεται στον αλγόριθμο συμπερασμού Max-Sum, πολιτικοποιώντας την σύγκλιση και την πολυπλοκότητά του. Πειραματικά αποτελέσματα σε εξωτερικά περιβάλλοντα επαληθεύουν τα θεωρητικά ευρήματα αυτής της δουλειάς. Ελπίζουμε, η εργασία αυτή να καθιερώσει την βιωσιμότητα των ραδιοφώνων ΟΣ για ασύρματη επικοινωνία, επιτρέποντας νέες εφαρμογές του ΔΤΠ.