An NS-3 module for simulation of Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) over IEEE 802.11 networks
Título alternativo
Um módulo do NS-3 para simulação de Transferência Simultânea de Informação e Energia Sem Fio (SWIPT) em redes IEEE 802.11
Autor(a)
França Junior, José Antônio de
Orientador(a) Coorientador(a)
Carvalho, Marcelo Menezes de
Data de aceite
2024-06-24
Data de disponibilizacao
2024-06-24
Data de publicacao
2024-06-24
Data de defesa submissao
2023-11-28
Citacao
FRANÇA JUNIOR, José Antônio de. An NS-3 module for simulation of Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) over IEEE 802.11 networks. 2023.349 f., il. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) — Universidade de Brasília, Brasília, 2023.
Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2023.
Resumo Portugues
No contexto atual de um mundo cada vez mais interconectado, surgem grandes desafios relacionados à demanda energética decorrente das crescentes projeções sobre a utilização de milhares de dispositivos de Internet das Coisas (do Inglês: Internet of Things - IoT). Em resposta, a tecnologia de Transferência Simultânea de Informação e Energia sem Fio (do Inglês: Simultaneous Wireless Information and Power Transfer - SWIPT) apresenta-se como alternativa promissora, em razão do seu potencial para fornecer energia elétrica extraída a partir de sinais eletromagnéticos intencionalmente recebidos. Contudo, a maior parte das pesquisas sobre SWIPT tem concentrado esforços no desenvolvimento de soluções relacionadas à camada física, com pouca atenção voltada à investigação do SWIPT em ambientes de simulação de redes. Diante disso, a presente pesquisa tem como objetivo principal o desenvolvimento de um módulo de SWIPT, utilizando a técnica de divisão de potência, sobre a plataforma do Simulador de Redes 3 (do Inglês: Network Simulator 3, NS-3), de modo a promover simulações do SWIPT em redes IEEE 802.11. Assim, nas páginas a seguir, discorrem-se sobre os fundamentos teóricos que subsidiam o tema desta pesquisa, incluindo-se conceitos sobre SWIPT, IEEE 802.11ah e NS-3. Em seguida, relatam-se os resultados de uma extensa pesquisa realizada para avaliar o estado atual do conhecimento científico sobre a simulação do SWIPT em plataformas computacionais.
Após isso, apontam-se os aspectos conceituais aplicados ao desenvolvimento do módulo SWIPT. Adiante, passa-se a expor o detalhamento referente à implementação do módulo SWIPT no NS-3, incluindo as principais classes e outras dependências relevantes. Subsequentemente, apresentam-se os resultados das métricas de relação sinal-ruído e interferência (SNIR), vazão, perda de quadros, potência total coletada, energia total coletada e sustentabilidade energética, obtidos a partir de simulações realizadas em cenários de enlace único e de rede. Por fim, exprimem-se as conclusões sobre os resultados alcançados e delineiam-se as futuras direções a serem exploradas para a evolução da investigação sobre o tema.
Resumo Ingles
Our contemporary interconnected world faces a significant challenge due to the escalating energy requirements demanded by the proliferation of Internet of Things (IoT) devices projected to saturate the market in the coming years. In response to this challenge, Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) emerges as a compelling solution, allowing devices to be powered by received signals intended for information transfer. Despite the significance of SWIPT, the majority of scientific research conducted on this subject has predominantly fixated on the hardware aspects of the Physical (PHY) layer, with limited exploration of SWIPT in broader contexts of standard network simulation deployments. In light of this, our primary research objective was to developed an SWIPT module using the power splitting (PS) technique, specifically tailored for the integration into the Network Simulator 3 (NS-3), in order to enable us to simulate SWIPT within IEEE 802.11 networks. Thus, in the following pages, we provide a thorough explanation of the theoretical foundations that support our research, including the fundamental principles of SWIPT, IEEE 802.11ah and NS-3. Then, we present the outcomes of an extensive survey we conducted to evaluate the current state of scientific knowledge regarding the simulation of SWIPT within standardized network architectures. Following this, we present the conceptual framework of our design, which closely aligns with the split architecture of the SWIPT receiver, incorporating the PS technique. After that, we delve into the technical details of the implementation of the SWIPT module into NS-3, including the key classes and other major dependencies. Subsequently, we present the results obtained from extensive simulations we conducted of our implementation on the NS-3, encompassing both single-link and network scenarios, using key metrics such as Signal-to-Noise and Interference Ratio (SNIR), throughput, frame loss, total harvested power, total harvested energy, and sustainability. In conclusion, we summarize the outcomes achieved through our research and outline the future directions we aspire to explore.
Unidade academica
Faculdade de Tecnologia (FT)
Departamento
Departamento de Engenharia Elétrica (FT ENE)
Programa de Pos-Graduacao
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Idioma
eng
Tipo de documento
Dissertação
Formato
application/pdf
Direitos de acesso
Acesso Aberto
Termo de licenca
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Palavras-chave
Sustentabilidade energética||Internet das Coisas (IoT)
