Vähäkompleksinen moniantenni-RF-langaton tehonsiirto: Signaalinkäsittely ja järjestelmäsuunnittelu

Langattomien laitteiden ja esineiden internetin (IoT) nopea kasvu on lisännyt tarvetta skaalautuville ratkaisuille energian siirtämiseksi ilman fyysisiä yhteyksiä. Radiotaajuinen (RF) langaton tehonsiirto (WPT) mahdollistaa energian samanaikaisen toimittamisen useille laitteille yhteisen langattoman kanavan kautta, mutta sen tehokkuutta rajoittavat etenemishäviöt, laitteistorajoitteet sekä energian oikeudenmukainen jakaminen vastaanottajien kesken vaihtelevissa olosuhteissa. Tässä väitöskirjassa näihin haasteisiin vastataan systemaattisella RF-WPT-järjestelmien suunnittelun ja optimoinnin tutkimuksella, joka kattaa hajautetut käyttöönotot, metapintapohjaiset arkkitehtuurit ja mukautuvat latausprotokollat.

Tutkielmassa tarkastellaan ensin hotspot-keskeisiä käyttöönottoja, joissa energiantarve on alueellisesti keskittynyt. Radiojuovat esitellään hajautettuina lähettiminä, joiden sijoittelu ja keilanmuodostus optimoidaan minimivastaanottotehon maksimoimiseksi. Klusterointiin perustuva käyttöönoton viitekehys sekä useita radiojuovien konfiguraatioita kehitetään aina matalan monimutkaisuuden rakenteellisista ratkaisuista vapaamuotoisiin kaapeligeometrioihin. Tulokset osoittavat merkittäviä parannuksia verrattuna perinteisiin keskitettyihin antennijärjestelmiin sekä paremman sopeutumiskyvyn vaihteleviin käyttöolosuhteisiin.

Lähettimen tehonkulutuksen vähentämiseksi RF-WPT-järjestelmiin integroidaan dynaamisia metapinta-antenneja (DMA). Niiden säädettävä rakenne mahdollistaa energian tehokkaan kohdentamisen rajallisella määrällä aktiivisia komponentteja. Keilanmuodostuksen ja aaltomuodon suunnittelumenetelmät kehitetään sekä lineaarisille että epälineaarisille energiankeräysmalleille, ja tulokset osoittavat, että DMA-pohjaiset lähettimet voivat ylittää täysin digitaalisten antenniryhmien suorituskyvyn järjestelmä- ja ympäristötekijöistä riippuen.

Tämän jälkeen tutkielmassa käsitellään ei-diagonaalisia uudelleenkonfiguroitavia älypintoja (RIS), jotka tarjoavat laajemman hallinnan langattomasta kanavasta. Yhteisiä aaltomuodon ja keilanmuodostuksen optimointialgoritmeja esitetään, ja analyysi osoittaa, että ei-diagonaaliset RIS voivat merkittävästi lisätä kerättyä energiaa moniheijasteisissa ympäristöissä samalla, kun kompromissit diagonaalisiin RIS-ratkaisuihin nähden tuodaan esiin.

Lopuksi tutkielmassa tarkastellaan mukautuvia latausprotokollia dynaamisissa ja epävarmoissa ympäristöissä. Vahvistusoppimista hyödynnetään energiatehokkaiden aikataulutusstrategioiden suunnittelussa ajassa vaihtelevien energiantarpeiden alaisuudessa. Lisäksi esitetään sense-then-charge-protokolla tilanteisiin, joissa kanavan tilatietoa ei ole saatavilla ja laitteet eivät vastaa. Tällöin laitteiden sijainnit arvioidaan havainnoinnin avulla ja niitä hyödynnetään kohdennetussa keilanmuodostuksessa. Molemmat lähestymistavat ylittävät perinteiset vertailumenetelmät.

Kokonaisuudessaan väitöskirja kehittää vankkoja, oikeudenmukaisia ja energiatehokkaita RF-WPT-ratkaisuja, jotka tukevat laajamittaisia IoT-järjestelmiä.