A two-queue model for optimising the value of information in energy-harvesting sensor networks

A

Global Routing Protocols for Wireless Body Area Networks

This work primarily consists of two parts. The first part deals with a wireless body area network with battery operated nodes. Global routing protocols are considered. The Dijkstra`s algorithm was modified using a novel link cost function in order to perform energy balancing across the network. The proposed protocol makes optimal use of the network energy and increases the network lifetime. Hardware experiments involving multiple nodes and an access point are performed to gather wireless channel information. Performance of two different types of network architectures is evaluated viz. on-body access point and off-body access point architectures. Results show up to 40% increase in average network lifetime with modest average increase of 0.4 dB in energy per bit. Proposed protocol lessens the need to recharge batteries frequently and as all the nodes deplete their energy source at the same time due to energy balancing, recharging can be done for all the batteries at the same time instead of recharging them one at a time. Network connectivity is evaluated using outage as a metric. Results show the cut-off effect which signifies the minimum amount of transmission power required to achieve reliable communication. The advantages of an off-body access point are demonstrated. The second part presents a global routing protocol based on Dijkstra`s algorithm for wireless body area networks with energy harvesting constraints. The protocol dynamically modifies routing trees based on available energy accumulated through energy harvesting. Various harvesting methods are considered. The results show that low data-rate applications are achievable using existing energy harvesting techniques while high data-rate applications call for advancements in these methods

Prediction of harvestable energy for self-powered wearable healthcare devices: filling a gap

Self-powered or autonomously driven wearable devices are touted to revolutionize the personalized healthcare industry, promising sustainable medical care for a large population of healthcare seekers. Current wearable devices rely on batteries for providing the necessary energy to the various electronic components. However, to ensure continuous and uninterrupted operation, these wearable devices need to scavenge energy from their surroundings. Different energy sources have been used to power wearable devices. These include predictable energy sources such as solar energy and radio frequency, as well as unpredictable energy from the human body. Nevertheless, these energy sources are either intermittent or deliver low power densities. Therefore, being able to predict or forecast the amount of harvestable energy over time enables the wearable to intelligently manage and plan its own energy resources more effectively. Several prediction approaches have been proposed in the context of energy harvesting wireless sensor network (EH-WSN) nodes. In their architectural design, these nodes are very similar to self-powered wearable devices. However, additional factors need to be considered to ensure a deeper market penetration of truly autonomous wearables for healthcare applications, which include low-cost, low-power, small-size, high-performance and lightweight. In this paper, we review the energy prediction approaches that were originally proposed for EH-WSN nodes and critique their application in wearable healthcare devices. Our comparison is based on their prediction accuracy, memory requirement, and execution time. We conclude that statistical techniques are better designed to meet the needs of short-term predictions, while long-term predictions require the hybridization of several linear and non-linear machine learning techniques. In addition to the recommendations, we discuss the challenges and future perspectives of these technique in our review

ENERGY HARVESTING MICROGENERATORS FOR BODY SENSOR NETWORKS

Body sensor networks have the potential to become an asset for personalizing healthcare delivery to patients in need. A key limitation for a successful implementation of body sensor networks comes from the lack of a continuous, reliable power source for the body-mounted sensors. The aim of this thesis is to model and optimize a micro-energy harvesting generator that prolongs the operational lifetime of body sensors and make them more appealing, especially for personalized healthcare purposes. It explores a model that is suitable for harvesting mechanical power generated from human body motions. Adaptive optimization algorithms are used to maximize the amount of power harvested from this model. Practicality considerations discuss the feasibility of optimization and overall effectiveness of implementing the energy harvester model with respect to body sensor power requirements and its operational lifetime

Towards zero-power wireless machine-to-machine networks

This thesis aims at contributing to overcome two of the main challenges for the deployment of M2M networks in data collection scenarios for the Internet of Things: the management of massive numbers of end-devices that attempt to get access to the channel; and the need to extend the network lifetime. In order to solve these challenges, two complementary strategies are considered. Firstly, the thesis focuses on the design, analysis and performance evaluation of MAC protocols that can handle abrupt transitions in the traffic load and minimize the energy consumption devoted to communications. And secondly, the use of energy harvesting (EH) is considered in order to provide the network with unlimited lifetime. To this end, the second part of the thesis focuses on the design and analysis of EH-aware MAC protocols. While the Frame Slotted-ALOHA (FSA) protocol has been traditionally adopted in star topology networks for data collection, results show that FSA-based protocols lack of scalability and present synchronization problems as the network density increases. Indeed, the frame length of FSA must be adjusted to the number of contenders, which may be complex to attain in dense networks with large and dynamic number of end-devices. In order to overcome these issues, a tree splitting-based random access protocol, referred to as Low Power Contention Tree-based Access (LP-CTA), is proposed in the first part of this thesis. In LP-CTA, the frame length can be very short and fixed, which facilitates synchronization and provides better network scalability than FSA. While LP-CTA uses data slots for contention, it is possible to use short access requests in minislots, where collisions are resolved using tree splitting, and avoid the contention in data. Since these minislots can be much shorter than the duration of a data packet, the performance can be improved. The Low Power Distributed Queuing (LP-DQ) protocol proposed in this thesis is based on this idea. LP-DQ combines tree splitting with the logic of two distributed queues that manage the contention resolution and the collision-free data transmission. Results show that LP-DQ outperforms LP-CTA and FSA in terms of delay and energy efficiency, and it relaxes the need to know the size of the network and adapts smoothly to any change in the number of end-devices. The approach of LP-DQ is convenient when the messages transmitted by each end-device fit in one single slot, however, if the end-devices generate long messages that have to be fragmented, it is better to add a reservation mechanism in order to boost the performance. In this sense, the LPR-DQ protocol is proposed as an extension of LP-DQ where the concept of reservation is integrated to allow the end-devices reserve as many collision-free slots as needed. The second part of the thesis is devoted to the integration of the MAC layer with the use of energy harvesting. The variability and fluctuations of the harvested energy is considered for the design of EH-aware MAC protocols and three performance metrics are proposed: the probability of delivery, the data delivery ratio and the time efficiency. Previous works on data collection networks with EH focus on DFSA. In this thesis, the EH-CTA protocol is proposed as an adaptation of LP-CTA that takes the energy harvesting process into account. Results show that EH-CTA outperforms DFSA if the energy threshold for an end-device to become active is properly configured. In addition, while DFSA needs to adapt the frame length dynamically, EH-CTA uses a fixed frame length, thus facilitating scalability and synchronization. Finally, the EH-RDFSA and EH-DQ protocols are proposed for scenarios where data must be fragmented. EH-RDFSA is a combination of RFSA and DFSA, and EH-DQ is an extension of LPR-DQ.Esta tesis contribuye a resolver dos de los retos para el despliegue de redes M2M en escenarios de recolección de datos para el Internet de las Cosas: la gestión del acceso al canal de un número masivo de dispositivos; y la necesidad de extender la vida de la red. Para resolverlos se consideran dos estrategias complementarias. En primer lugar, se centra en el diseño, el análisis y la evaluación de protocolos MAC que pueden manejar transiciones abruptas de tráfico y reducen el consumo de energía. Y en segundo lugar, se considera el uso de mecanismos de captura de energía (Energy Harvesters, EH) para ofrecer un tiempo de vida ilimitado de la red. Con este fin, la segunda parte de la tesis se centra en el diseño y el análisis de protocolos MAC de tipo "EH-aware". Mientras que Frame Slotted-ALOHA (FSA) ha sido tradicionalmente adoptado en aplicaciones de recolección de datos, los resultados muestran que FSA presenta problemas de escalabilidad y sincronización cuando aumenta la densidad de la red. De hecho, la longitud de trama de FSA se debe ajustar según sea el número de dispositivos, lo cual puede ser difícil de estimar en redes con un número elevado y dinámico de dispositivos. Para superar estos problemas, en esta tesis se propone un protocolo de acceso aleatorio basado en "tree-splitting" denominado Low Power Contention Tree-based Access (LP-CTA). En LP-CTA, la longitud de trama puede ser corta y constante, lo cual facilita la sincronización y proporciona mejor escalabilidad. Mientras que LP-CTA utiliza paquetes de datos para la contienda, es posible utilizar solicitudes de acceso en mini-slots, donde las colisiones se resuelven utilizando "tree-splitting", y evitar la contención en los datos. Dado que estos mini-slots pueden ser mucho más cortos que la duración de un slot de datos, el rendimiento de LP-CTA puede ser mejorado. El protocolo Low Power Distributed Queuing (LP-DQ) propuesto en esta tesis se basa en esta idea. LP-DQ combina "tree-splitting" con la lógica de dos colas distribuidas que gestionan la resolución de la contienda en la solicitud de acceso y la transmisión de datos libre de colisiones. Los resultados demuestran que LP-DQ mejora LP-CTA y FSA en términos de retardo y eficiencia energética, LP-DQ no requiere conocer el tamaño de la red y se adapta sin problemas a cualquier cambio en el número de dispositivos. LP-DQ es conveniente cuando los mensajes transmitidos por cada dispositivo caben en un único slot de datos, sin embargo, si los dispositivos generan mensajes largos que requieren fragmentación, es mejor añadir un mecanismo de reserva para aumentar el rendimiento. En este sentido, el protocolo LPR-DQ se propone como una extensión de LP-DQ que incluye un mecanismo de reserva para permitir que cada dispositivo reserve el número de slots de datos según sea el número de fragmentos por mensaje. La segunda parte de la tesis está dedicada a la integración de la capa MAC con el uso de "Energy Harvesters". La variabilidad y las fluctuaciones de la energía capturada se consideran para el diseño de protocolos MAC de tipo "EH-aware" y se proponen tres métricas de rendimiento: la probabilidad de entrega, el "Data Delivery Ratio" y la eficiencia temporal. Los trabajos previos en redes de recolección de datos con EH se centran principalmente en DFSA. En esta tesis, el protocolo EH-CTA se propone como una adaptación de LP-CTA que tiene en cuenta el proceso de captura de energía. Los resultados muestran que EH-CTA supera DFSA si el umbral de energía para que un dispositivo se active está configurado correctamente. Además, mientras que en DFSA se necesita adaptar la longitud de trama de forma dinámica, EH-CTA utiliza una longitud de trama fija, facilitando así la escalabilidad y la sincronización. Por último, se proponen los protocolos EH-RDFSA y EH-DQ para escenarios en los que los datos deben ser fragmentados. EH-RDFSA es una combinación de RFSA y DFSA, y EH-DQ es una extensión de LPR-DQ.Aquesta tesi contribueix a resoldre dos dels reptes per al desplegament de xarxes M2M en escenaris de recol·lecció de dades per a l'Internet de les Coses: la gestió de l'accés al canal d'un nombre massiu de dispositius; i la necessitat d'extendre la vida de la xarxa. Per resoldre'ls es consideren dues estratègies complementàries. En primer lloc, es centra en el disseny, l'anàlisi i l'avaluació de protocols MAC que poden manegar transicions abruptes de trànsit i redueixen el consum d'energia. I en segon lloc, es considera l'ús de mecanismes de captura d'energia (Energy Harvesters, EH) per a oferir un temps de vida il·limitat de la xarxa. Amb aquesta finalitat, la segona part de la tesi es centra en el disseny i l'anàlisi de protocols MAC de tipus "EH-aware".Mentre que Frame Slotted-ALOHA (FSA) ha estat tradicionalment adoptat en aplicacions de recol·lecció de dades, els resultats mostren que FSA presenta problemes d'escalabilitat i sincronització quan augmenta la densitat de la xarxa. De fet, la longitud de trama de FSA s'ha d'ajustar segons sigui el nombre de dispositius, la qual cosa pot ser difícil d'estimar en xarxes amb un nombre elevat i dinàmic de dispositius. Per superar aquests problemes, en aquesta tesi es proposa un protocol d'accés aleatori basat en "tree-splitting" denominat Low Power Contention Tree-based Access (LP-CTA). En LP-CTA, la longitud de trama pot ser curta i constant, la qual cosa facilita la sincronització i proporciona millor escalabilitat.Mentre que LP-CTA utilitza paquets de dades per a la contenció, és possible utilitzar sol·licituds d'accés a mini-slots, on les col·lisions es resolen utilitzant "tree-splitting", i evitar la contenció a les dades. Atès que aquests mini-slots poden ser molt més curts que la durada d'un slot de dades, el rendiment de LP-CTA pot ser millorat. El protocol Low Power Distributed Queuing (LP-DQ) proposat en aquesta tesi es basa en aquesta idea. LP-DQ combina "tree-splitting" amb la lògica de dues cues distribuïdes que gestionen la resolució de la contenció en la sol·licitud d'accés i la transmissió de dades lliure de col·lisions. Els resultats demostren que LP-DQ millora LP-CTA i FSA en termes de retard i eficiència energètica, LP-DQ no requereix conèixer la mida de la xarxa i s'adapta sense problemes a qualsevol canvi en el nombre de dispositius.LP-DQ és convenient quan els missatges transmesos per cada dispositiu caben en un únic slot de dades, però, si els dispositius generen missatges llargs que requereixen fragmentació, és millor afegir un mecanisme de reserva per augmentar el rendiment. En aquest sentit, el protocol LPR-DQ es proposa com una extensió de LP-DQ que inclou un mecanisme de reserva per a permetre que cada dispositiu reservi el nombre de slots de dades segons sigui el nombre de fragments per missatge.La segona part de la tesi està dedicada a la integració de la capa MAC amb l'ús de "Energy Harvesters". La variabilitat i les fluctuacions de l'energia capturada es consideren per al disseny de protocols MAC de tipus "EH-aware" i es proposen tres mètriques de rendiment: la probabilitat d'entrega, el "Data Delivery Ratio" i l'eficiència temporal.Els treballs previs en xarxes de recol·lecció de dades amb EH se centren principalment en DFSA. En aquesta tesi, el protocol EH-CTA es proposa com una adaptació de LP-CTA que té en compte el procés de captura d'energia. Els resultats mostren que EH-CTA supera DFSA si el llindar d'energia perquè un dispositiu s'activi s'ajusta correctament. A més, mentre que a DFSA es necessita adaptar la longitud de trama de forma dinàmica, EH-CTA utilitza una longitud de trama fixa, facilitant així l'escalabilitat i la sincronització. Finalment, es proposen els protocols EH-RDFSA i EH-DQ per a escenaris en els quals les dades han de ser fragmentades. EH-RDFSA és una combinació de RFSA i DFSA, i EH-DQ és una extensió de LPR-DQ.Postprint (published version

Transmission strategies for wireless energy harvesting nodes

Over the last few decades, transistor miniaturization has enabled a tremendous increase in the processing capability of commercial electronic devices, which, combined with the reduction of production costs, has tremendously fostered the usage of the Information and communications Technologies (ICTs) both in terms of number of users and required data rates. In turn, this has led to a tremendous increment in the energetic demand of the ICT sector, which is expected to further grow during the upcoming years, reaching unsustainable levels of greenhouse gas emissions as reported by the European Council. Additionally, the autonomy of battery operated devices is getting reduced year after year since battery technology has not evolved fast enough to cope with the increase of energy consumption associated to the growth of the node¿s processing capability. Energy harvesting, which is known as the process of collecting energy from the environment by different means (e.g., solar cells, piezoelectric generators, etc.), has become a potential technology to palliate both of these problems. However, when energy harvesting modules are placed in wireless communication devices (e.g., sensor nodes or hand-held devices), traditional transmission strategies are no longer applicable because the temporal variations of the node¿s energy availability must be carefully accounted for in the design. Apart from not considering energy harvesting, traditional transmission strategies assume that the transmission radiated power is the unique energy sink in the node. This is a reasonable assumption when the transmission range is large, but it no longer holds for low consumption devices such as sensor nodes that transmit to short distances. As a result, classical transmission strategies become suboptimal in short-range communications with low consumption devices and new strategies should be investigated. Consequently, in this dissertation we investigate and design transmission strategies for Wireless Energy Harvesting Nodes (WEHNs) by paying a special emphasis on the different sinks of energy consumption at the transmitter(s). First, we consider a finite battery WEHN operating in a point-to-point link through a static channel and derive the transmission strategy that minimizes the transmission completion time of a set of data packets that become available dynamically over time. The transmission strategy has to satisfy causality constrains in data transmission and energy consumption, which impose that the node cannot transmit data that is not yet available nor consume energy that has not yet been harvested. Second, we consider a WEHN that has an infinite backlog of data to be transmitted through a point-to-point link in a time-varying linear vector Gaussian channel and study the linear precoding strategy that maximizes the mutual information given an arbitrary distribution of the input symbols while satisfying the Energy Causality Constraints (ECCs) at the transmitter. Next, apart from the transmission radiated power, we take into account additional energy sinks in the power consumption model and analyze how these energy sinks affect to the transmission strategy that maximizes the mutual information achieved by a WEHN operating in a point-to-point link. Finally, we consider multiple transmitter and receiver pairs sharing a common channel and investigate a distributed power allocation strategy that aims at maximizing the network sum-rate by taking into account the energy availability in the different transmitters and a generalized power consumption model.Durant les últimes dècades, la miniaturització del transistor i la reducció dels seus costos de fabricació han provocat un augment substancial del nombre de terminals de comunicacions i del tràfic de dades requerit per aquests dispositius. Així doncs, el consum energètic del sector de les Tecnologies de la Informació i Comunicacions ha incrementat notablement. A més a més, s’espera que aquest consum segueixi creixent durant els propers anys arribant a nivells insostenibles d’emissions de gasos d’efecte hivernacle segons ha informat el Consell Europeu. D’altra banda, la tecnologia de les bateries no ha evolucionat suficientment ràpid com per fer front a l’augment del consum energètic associat al creixement de la capacitat de processament dels dispositius. Això ha ocasionat que l’autonomia dels dispositius que operen amb bateries empitjori any rere any. Les energies renovables (per exemple, energia solar, cinètica, etc.) s’han convertit en una solució potencial per pal•liar aquests dos problemes. No obstant això, quan els dispositius de comunicació sense fils incorporen mòduls de captació d’energies renovables, les estratègies tradicionals de transmissió deixen de ser vàlides, ja que les variacions temporals de la disponibilitat d’energia en el dispositiu han de ser considerades en el disseny. A més a més, les estratègies de transmissió tradicionals assumeixen que la potència radiada és l’única font de consum energètic del node. Aquesta és una suposició raonable per distàncies de transmissió llargues, però deixa de ser vàlida quan es consideren dispositius de baix consum que transmeten en distàncies curtes. Com a resultat, les estratègies de transmissió clàssiques són subòptimes en comunicacions de curt abast amb dispositius de baix consum i per això, s’han d’investigar noves estratègies. En conseqüència, en aquesta tesi doctoral s’investiguen i es dissenyen noves estratègies de transmissió per nodes sense fils que operen amb energies renovables (WEHN) posant un èmfasi especial en les diferents fonts de consum d’energia en el transmissor. En primer lloc, la tesi investiga l’estratègia de transmissió en un enllaç¸ punt a punt a través d’un canal estàtic que minimitza el temps de transmissió d’un conjunt de paquets de dades que s’adquireixen al llarg del temps. L’estratègia de transmissió ha de satisfer les limitacions per causalitat en la transmissió de dades i en el consum d’energia les quals imposen que el node no pot transmetre dades que no han estat encara obtingudes o utilitzar energia que encara no ha estat adquirida. En segon lloc, es considera un WEHN que sempre disposa de dades per a transmetre a través d’un enllaç¸ punt a punt en un canal lineal Gaussià amb variacions temporals. En aquest escenari i, també, donada una distribució arbitrària dels símbols d’entrada, s’estudia l’estratègia de precodificació lineal que maximitza la informació mútua alhora que satisfà la causalitat d’energia en el transmissor. A continuació, a part de la potència radiada en transmissió, s’inclouen en el model de consum energètic els costos d’activació per accés al canal i per portadora. Donat aquest model, s’analitza com aquestes fonts de consum addicionals afecten a l’estratègia de transmissió que maximitza la informació mútua d’un WEHN que opera en un enllaç punt a punt. Finalment, la tesi considera diversos parells transmissor i receptor que comparteixen un canal comú i investiga una estratègia d’assignació de potència distribuïda la qual té com a objectiu maximitzar la suma de les taxes de transmissió dels diferents nodes tenint en compte la disponibilitat energètica en cada transmissor que està basada en un model de consum energètic generalitzat