Energy Harvesting Wireless Communications: A Review of Recent Advances

This article summarizes recent contributions in the broad area of energy harvesting wireless communications. In particular, we provide the current state of the art for wireless networks composed of energy harvesting nodes, starting from the information-theoretic performance limits to transmission scheduling policies and resource allocation, medium access and networking issues. The emerging related area of energy transfer for self-sustaining energy harvesting wireless networks is considered in detail covering both energy cooperation aspects and simultaneous energy and information transfer. Various potential models with energy harvesting nodes at different network scales are reviewed as well as models for energy consumption at the nodes.Comment: To appear in the IEEE Journal of Selected Areas in Communications (Special Issue: Wireless Communications Powered by Energy Harvesting and Wireless Energy Transfer

Universally Near Optimal Online Power Control for Energy Harvesting Nodes

We consider online power control for an energy harvesting system with random i.i.d. energy arrivals and a finite size battery. We propose a simple online power control policy for this channel that requires minimal information regarding the distribution of the energy arrivals and prove that it is universally near-optimal for all parameter values. In particular, the policy depends on the distribution of the energy arrival process only through its mean and it achieves the optimal long-term average throughput of the channel within both constant additive and multiplicative gaps. Existing heuristics for online power control fail to achieve such universal performance. This result also allows us to approximate the long-term average throughput of the system with a simple formula, which sheds some light on the qualitative behavior of the throughput, namely how it depends on the distribution of the energy arrivals and the size of the battery.Comment: the proposed scheme is shown to be optimal both within constant additive and multiplicative gaps; submitted to Journal on Selected Areas in Communications - Series on Green Communications and Networking (Issue 3); revised following reviewers' comment

Data-driven optimization of bus schedules under uncertainties

Plusieurs sous-problèmes d’optimisation se posent lors de la planification des transports publics. Le problème d’itinéraires de véhicule (PIV) est l’un d’entre eux et consiste à minimiser les coûts opérationnels tout en assignant exactement un autobus par trajet planifié de sorte que le nombre d’autobus entreposé par dépôt ne dépasse pas la capacité maximale disponible. Bien que les transports publics soient sujets à plusieurs sources d’incertitude (à la fois endogènes et exogènes) pouvant engendrer des variations des temps de trajet et de la consommation d’énergie, le PIV et ses variantes sont la plupart du temps résolus de façon déterministe pour des raisons de résolubilité. Toutefois, cette hypothèse peut compromettre le respect de l’horaire établi lorsque les temps des trajets considérés sont fixes (c.-à-d. déterministes) et peut produire des solutions impliquant des politiques de gestion des batteries inadéquates lorsque la consommation d’énergie est aussi considérée comme fixe. Dans cette thèse, nous proposons une méthodologie pour mesurer la fiabilité (ou le respect de l’horaire établi) d’un service de transport public ainsi que des modèles mathématiques stochastiques et orientés données et des algorithmes de branch-and-price pour deux variantes de ce problème, à savoir le problème d’itinéraires de véhicule avec dépôts multiples (PIVDM) et le problème d’itinéraires de véhicule électrique (PIV-E). Afin d’évaluer la fiabilité, c.-à-d. la tolérance aux délais, de certains itinéraires de véhicule, nous prédisons d’abord la distribution des temps de trajet des autobus. Pour ce faire, nous comparons plusieurs modèles probabilistes selon leur capacité à prédire correctement la fonction de densité des temps de trajet des autobus sur le long terme. Ensuite, nous estimons à l'aide d'une simulation de Monte-Carlo la fiabilité des horaires d’autobus en générant des temps de trajet aléatoires à chaque itération. Nous intégrons alors le modèle probabiliste le plus approprié, celui qui est capable de prédire avec précision à la fois la véritable fonction de densité conditionnelle des temps de trajet et les retards secondaires espérés, dans nos modèles d'optimisation basés sur les données. Deuxièmement, nous introduisons un modèle pour PIVDM fiable avec des temps de trajet stochastiques. Ce problème d’optimisation bi-objectif vise à minimiser les coûts opérationnels et les pénalités associées aux retards. Un algorithme heuristique basé sur la génération de colonnes avec des sous-problèmes stochastiques est proposé pour résoudre ce problème. Cet algorithme calcule de manière dynamique les retards secondaires espérés à mesure que de nouvelles colonnes sont générées. Troisièmement, nous proposons un nouveau programme stochastique à deux étapes avec recours pour le PIVDM électrique avec des temps de trajet et des consommations d’énergie stochastiques. La politique de recours est conçue pour rétablir la faisabilité énergétique lorsque les itinéraires de véhicule produits a priori se révèlent non réalisables. Toutefois, cette flexibilité vient au prix de potentiels retards induits. Une adaptation d’un algorithme de branch-and-price est développé pour évaluer la pertinence de cette approche pour deux types d'autobus électriques à batterie disponibles sur le marché. Enfin, nous présentons un premier modèle stochastique pour le PIV-E avec dégradation de la batterie. Le modèle sous contrainte en probabilité proposé tient compte de l’incertitude de la consommation d’énergie, permettant ainsi un contrôle efficace de la dégradation de la batterie grâce au contrôle effectif de l’état de charge (EdC) moyen et l’écart de EdC. Ce modèle, combiné à l’algorithme de branch-and-price, sert d’outil pour balancer les coûts opérationnels et la dégradation de la batterie.The vehicle scheduling problem (VSP) is one of the sub-problems of public transport planning. It aims to minimize operational costs while assigning exactly one bus per timetabled trip and respecting the capacity of each depot. Even thought public transport planning is subject to various endogenous and exogenous causes of uncertainty, notably affecting travel time and energy consumption, the VSP and its variants are usually solved deterministically to address tractability issues. However, considering deterministic travel time in the VSP can compromise schedule adherence, whereas considering deterministic energy consumption in the electric VSP (E-VSP) may result in solutions with inadequate battery management. In this thesis, we propose a methodology for measuring the reliability (or schedule adherence) of public transport, along with stochastic and data-driven mathematical models and branch-and-price algorithms for two variations of this problem, namely the multi-depot vehicle scheduling problem (MDVSP) and the E-VSP. To assess the reliability of vehicle schedules in terms of their tolerance to delays, we first predict the distribution of bus travel times. We compare numerous probabilistic models for the long-term prediction of bus travel time density. Using a Monte Carlo simulation, we then estimate the reliability of bus schedules by generating random travel times at each iteration. Subsequently, we integrate the most suitable probabilistic model, capable of accurately predicting both the true conditional density function of the travel time and the expected secondary delays, into the data-driven optimization models. Second, we introduce a model for the reliable MDVSP with stochastic travel time minimizing both the operational costs and penalties associated with delays. To effectively tackle this problem, we propose a heuristic column generation-based algorithm, which incorporates stochastic pricing problems. This algorithm dynamically computes the expected secondary delays as new columns are generated. Third, we propose a new two-stage stochastic program with recourse for the electric MDVSP with stochastic travel time and energy consumption. The recourse policy aims to restore energy feasibility when a priori vehicle schedules are unfeasible, which may lead to delays. An adapted algorithm based on column generation is developed to assess the relevance of this approach for two types of commercially available battery electric buses. Finally, we present the first stochastic model for the E-VSP with battery degradation. The proposed chance-constraint model incorporates energy consumption uncertainty, allowing for effective control of battery degradation by regulating the average state-of-charge (SOC) and SoC deviation in each discharging and charging cycle. This model, in combination with a tailored branch-and-price algorithm, serves as a tool to strike a balance between operational costs and battery degradation

Privacy-preserving energy management techniques and delay-sensitive transmission strategies for smart grids

The smart grid (SG) is the enhancement of the traditional electricity grid that allows bidirectional flow of electricity and information through the integration of advanced monitoring, communication and control technologies. In this thesis, we focus on important design problems affecting particularly two critical enabling components of the SG infrastructure : smart meters (SMs) and wireless sensor networks (WSNs). SMs measure the energy consumption of the users and transmit their readings to the utility provider in almost real-time. SM readings enable real-time optimization of load management. However, possible misuse of SM readings raises serious privacy concerns for the users. The challenge is thus to design techniques that can increase the privacy of the users while maintaining the monitoring capabilities SMs provide. Demand-side energy management (EM), achieved thanks to the utilization of storage units and alternative energy sources, has emerged as a potential technique to tackle this challenge. WSNs consist of a large number of low power sensors, which monitor physical parameters and transmit their measurements to control centers (CCs) over wireless links. CCs utilize these measurements to reconstruct the system state. For the reliable management of the SG, near real-time and accurate reconstruction of the system state at the CC is crucial. Thus, low complexity delay-constrained transmission strategies, which enable sensors to accurately transmit their measurements to CCs, should be investigated rigorously. To address these challenges, this dissertation investigates and designs privacy-preserving EM techniques for SMs and delay-constrained transmission strategies for WSNs. The proposed EM techniques provide privacy to SM users while maintaining the operational benefits SMs provide. On the other hand, the proposed transmission strategies enable WSNs to meet low latency transmission requirements, which in turn, facilitate real-time and accurate state reconstruction; and hence, the efficient and robust management of the SG. First, we consider an SM system with energy harvesting and storage units. Representing the system with a discrete-time finite state model, we study stochastic EM policies from a privacy-energy efficiency trade-off perspective, where privacy is measured by information leakage rate and energy efficiency is measured by wasted energy rate. We propose EM policies that take stochastic output load decisions based on the harvested energy, the input load and the state of the battery. For the proposed policies, we characterize the fundamental trade-off between user's privacy and energy efficiency. Second, we consider an SM system with a storage unit. Considering a discrete-time power consumption and pricing model, we study EM policies from a privacy-cost trade-off perspective, where privacy is measured by the load variance as well as mutual information. Assuming non-causal knowledge of the power demand profile and prices, we characterize the optimal EM policy based on the solution of an optimization problem. Then, assuming that the power demand profile is known only causally, we obtain the optimal EM policy based on dynamic programming, and also propose a low complexity heuristic policy. For the proposed policies, we characterize the trade-off between user's privacy and energy cost. Finally, we study the delay-constrained linear transmission (LT) of composite Gaussian measurements from a sensor to a CC over a point-to-point fading channel. Assuming that the channel state information (CSI) is known by both the encoder and decoder, we propose the optimal LT strategy in terms of the average mean-square error (MSE) distortion under a strict delay constraint, and two LT strategies under general delay constraints. Assuming that the CSI is known only by the decoder, we propose the optimal LT strategy in terms of the average MSE distortion under a strict delay constraint.La red de energía inteligente (SG) es la mejora de la red eléctrica tradicional. En esta tesis, nos enfocamos en las problemáticas asociadas al diseño de dos de los componentes más críticos de la infraestructura de la SG : los medidores inteligentes (SMs) y las redes de sensores inalámbricos (WSNs). Los SMs miden el consumo de energía de los usuarios y transmiten sus medidas al proveedor de servicio casi en tiempo real. Las medidas de SM permiten la optimización en tiempo real de la gestión de carga en la red. Sin embargo, el posible mal uso de estas medidas plantea preocupaciones graves en cuanto a la privacidad de los usuarios. El desafío es, por lo tanto, diseñar técnicas que puedan aumentar la privacidad de los usuarios manteniendo las capacidades de supervisión que proveen los SMs. Una solución tecnológica es el diseño de sistemas de gestión de energía (EM) inteligentes compuestos por dispositivos de almacenamiento y generación alternativa de energía. Las WSNs se componen de un gran número de sensores, que miden parámetros físicos y transmiten sus mediciones a los centros de control (CCs) mediante enlaces inalámbricos. Los CCs utilizan estas mediciones para estimar el estado del sistema. Para una gestión fiable de la SG, una buena reconstrucción del estado del sistema en tiempo real es crucial. Por ello, es preciso investigar estrategias de transmisión con estrictos requisitos de complejidad y limitaciones de latencia. Para afrontar estos desafíos, esta tesis investiga y diseña técnicas de EM para preservar la privacidad de los usuarios de SM y estrategias de transmisión para WSNs con limitaciones de latencia. Las técnicas de EM propuestas proporcionan privacidad a los consumidores de energía manteniendo los beneficios operacionales para la SG. Las estrategias de transmisión propuestas permiten a las WSNs satisfacer los requisitos de baja latencia necesarios para la reconstrucción precisa del estado en tiempo real; y por lo tanto, la gestión eficiente y robusta de la SG. En primer lugar, consideramos el diseño de un sistema de SM con una unidad de almacenamiento y generación de energía renovable. Representando el sistema con un modelo de estados finitos y de tiempo discreto, proponemos políticas estocásticas de EM. Para las políticas propuestas, caracterizamos la relación fundamental existente entre la privacidad y la eficiencia de energía del usuario, donde la privacidad se mide mediante la tasa de fuga de información y la eficiencia de energía se mide mediante la tasa de energía perdida. En segundo lugar, consideramos el diseño de un sistema de SM con una unidad de almacenamiento. Considerando un modelo de tiempo discreto, estudiamos la relación existente entre la privacidad y el coste de la energía, donde la privacidad se mide por la variación de la carga, así como la información mutua. Suponiendo que el perfil de la demanda de energía y los precios son conocidos de antemano, caracterizamos la política de EM óptima. Suponiendo que la demanda de energía es conocida sólo para el tiempo actual, obtenemos la política de EM óptima mediante programación dinámica, y proponemos una política heurística de baja complejidad. Para las políticas propuestas, caracterizamos la relación existente entre la privacidad y el coste de energía del usuario. Finalmente, consideramos el diseño de estrategias de transmisión lineal (LT) de mediciones Gaussianas compuestas desde un sensor a un CC sobre un canal punto a punto con desvanecimientos. Suponiendo que la información del estado del canal (CSI) es conocida tanto por el trasmisor como por el receptor, proponemos la estrategia de LT óptima en términos de la distorsión de error cuadrático medio (MSE) bajo una restricción de latencia estricta y dos estrategias de LT para restricciones de latencia arbitrarias. Suponiendo que la CSI es conocida sólo en el receptor, proponemos la estrategia de LT óptima en términos de la distorsión de MSE bajo una restricción de latencia estricta.La xarxa d'energia intel·ligent (SG) és la millora de la xarxa elèctrica tradicional. En aquesta tesi, ens enfoquem en les problemàtiques associades al disseny de dos dels components més crítics de la infraestructura de la SG : els mesuradors de consum intel·ligents(SMs) i les xarxes de sensors sense fils (WSNs).Els SMs mesuren el consum d'energia dels usuaris i transmeten les seves mesures al proveïdor de servei gairebé en temps real. Les mesures de SM permeten l'optimització en temps real de la gestió de càrrega a la xarxa. No obstant això, el possible mal ús d'aquestes mesures planteja preocupacions greus en quant a la privacitat dels usuaris. El desafiament és, per tant, dissenyar tècniques que puguin augmentar la privadesa dels usuaris mantenint les capacitats de supervisió que proveeixen els SMs. Una solució tecnològica és el disseny de sistemes de gestió d'energia (EM) intel·ligents compostos per dispositius d'emmagatzematge i generació alternativa d'energia.Les WSNs es componen d'un gran nombre de sensors, que mesuren paràmetres físics i transmeten les seves mesures als centres de control (CCs) mitjançant enllaços sense fils. Els CCs utilitzen aquestes mesures per estimar l'estat del sistema. Per a una gestió fiable de la SG, una bona reconstrucció de l'estat del sistema en temps real és crucial. Per això, cal investigar estratègies de transmissió amb estrictes requisits de complexitat i limitacions de latència. Per d'afrontar aquests desafiaments, aquesta tesi investiga i dissenya tècniques d'EM per preservar la privacitat dels usuaris de SM i estratègies de transmissió per WSNs amb limitacions de latència. Les tècniques d'EM propostes proporcionen privacitats als consumidors d'energia mantenint els beneficis operacionals per la SG. Les estratègies de transmissió proposades permeten a les WSNs satisfer els requisits de baixa latència necessaris per a la reconstrucció precisa de l'estat en temps real; i per tant, la gestió eficient i robusta de la SG.En primer lloc, considerem el disseny d'un sistema de SM amb una unitat d'emmagatzematge i generació d'energia renovable. Representant el sistema amb un model d'estats finits i de temps discret, proposem polítiques estocàstiques d'EM. Per a les polítiques propostes, caracteritzem la relació fonamental existent entre la privadesa i l'eficiència d'energia de l'usuari, on la privacitat es mesura mitjançant la taxa de fugida d'informació i l'eficiència d'energia es mesura mitjançant la taxa d'energia perduda.En segon lloc, considerem el disseny d'un sistema de SM amb una unitat d'emmagatzematge. Considerant un model de temps discret, estudiem la relació existent entre la privacitat el cost de l'energia, on la privacitat es mesura per la variació de la càrrega, així com mitjançant la informació mútua. Suposant que la corba de la demanda d'energia i els preus són coneguts per endavant, caracteritzem la política d'EM òptima. Suposant que la demanda d'energia és coneguda només per al temps actual, obtenim la política d'EM òptima mitjançant programació dinàmica, i proposem una política heurística de baixa complexitat. Per a les polítiques propostes, caracteritzem la relació existent entre la privacitat i el cost d'energia de l'usuari.Finalment, considerem el disseny d'estratègies de transmissió lineal (LT) de mesures Gaussianes compostes des d'un sensor a un CC sobre un canal punt a punt amb esvaïments. Suposant que la informació de l'estat del canal (CSI) és coneguda tant pel transmissor com pel receptor, proposem l'estratègia de LT òptima en termes de la distorsió d'error quadràtic mitjà (MSE) sota una restricció de latència estricta. A més, proposem dues estratègies de LT per a restriccions de latència arbitràries. Finalment, suposant que la CSI és coneguda només en el receptor, proposem l'estratègia de LT òptima en termes de la distorsió de MSE sota una restricció de latència estricta

Coping with spectrum and energy scarcity in Wireless Networks: a Stochastic Optimization approach to Cognitive Radio and Energy Harvesting

In the last decades, we have witnessed an explosion of wireless communications and networking, spurring a great interest in the research community. The design of wireless networks is challenged by the scarcity of resources, especially spectrum and energy. In this thesis, we explore the potential offered by two novel technologies to cope with spectrum and energy scarcity: Cognitive Radio (CR) and Energy Harvesting (EH). CR is a novel paradigm for improving the spectral efficiency in wireless networks, by enabling the coexistence of an incumbent legacy system and an opportunistic system with CR capability. We investigate a technique where the CR system exploits the temporal redundancy introduced by the Hybrid Automatic Retransmission reQuest (HARQ) protocol implemented by the legacy system to perform interference cancellation, thus enhancing its own throughput. Recently, EH has been proposed to cope with energy scarcity in Wireless Sensor Networks (WSNs). Devices with EH capability harvest energy from the environment, e.g., solar, wind, heat or piezo-electric, to power their circuitry and to perform data sensing, processing and communication tasks. Due to the random energy supply, how to best manage the available energy is an open research issue. In the second part of this thesis, we design control policies for EH devices, and investigate the impact of factors such as the finite battery storage, time-correlation in the EH process and battery degradation phenomena on the performance of such systems. We cast both paradigms in a stochastic optimization framework, and investigate techniques to cope with spectrum and energy scarcity by opportunistically leveraging interference and ambient energy, respectively, whose benefits are demonstrated both by theoretical analysis and numerically. As an additional topic, we investigate the issue of channel estimation in UltraWide-Band (UWB) systems. Due to the large transmission bandwidth, the channel has been typically modeled as sparse. However, some propagation phenomena, e.g., scattering from rough surfaces and frequency distortion, are better modeled by a diffuse channel. We propose a novel Hybrid Sparse/Diffuse (HSD) channel model which captures both components, and design channel estimators based on it