Forscher aus Südkorea haben ein neues Framework entwickelt, das die gleichzeitige kabellose Übertragung von Informationen und Energie (SWIPT) mit nonorthogonalem Mehrfachzugriff (NOMA) und einem verteilten Antennensystem (DAS) kombiniert, um die Energie- und Spektraleffizienz des industriellen Internet der Dinge (IIoT) zu verbessern. Das Team hat einen dreistufigen iterativen Algorithmus entwickelt, um die Leistungszuordnung, Leistungsaufteilung und Datenraten im System zu optimieren. Numerische Simulationen haben gezeigt, dass das vorgeschlagene SWIPT-NOMA-DAS-System fünfmal energieeffizienter ist als SWIPT-NOMA ohne DAS und eine Leistungssteigerung von mehr als 10% gegenüber SWIPT-OMA-DAS aufweist. Die Technologie hat das Potenzial, in der IIoT-Umgebung auf Smartphones, Laptops, Wearable Devices und Elektrofahrzeugen angewendet zu werden.
Einführung
Dieser Artikel diskutiert ein neues Framework, das von Forschern aus Südkorea entwickelt wurde und simultane drahtlose Informations- und Energieübertragung (SWIPT) mit nicht-orthogonalen Mehrfachzugriffsverfahren (NOMA) und einem verteilten Antennensystem (DAS) kombiniert, um die Energie- und spektrale Effizienz bei Anwendungen im industriellen Internet der Dinge (IIoT) zu verbessern. Das Team hat auch einen iterativen Algorithmus formuliert, um die Leistungszuweisung, die Leistungsaufteilung und die Datenraten im System zu optimieren.
Überblick über SWIPT, NOMA und DAS
Bevor wir uns detailliert mit dem vorgeschlagenen Framework befassen, ist es wichtig, die Konzepte der simultanen drahtlosen Informations- und Energieübertragung (SWIPT), des nicht-orthogonalen Mehrfachzugriffs (NOMA) und der verteilten Antennensysteme (DAS) zu verstehen. Dieser Abschnitt bietet einen knappen Überblick über diese Technologien und ihre Relevanz für die Verbesserung der Leistung von IIoTs.
Simultane drahtlose Informations- und Energieübertragung (SWIPT)
SWIPT ist eine Technologie, die die gleichzeitige Übertragung von Daten und Energie drahtlos ermöglicht. Dabei können Geräte Energie aus den empfangenen drahtlosen Signalen gewinnen, während sie Informationen empfangen. SWIPT hat in der drahtlosen Kommunikation, insbesondere in energiebegrenzten Anwendungen wie IoT-Geräten, erhebliche Aufmerksamkeit erlangt.
Nicht-orthogonale Mehrfachzugriffsverfahren (NOMA)
NOMA ist ein Mehrfachzugriffsverfahren, das es mehreren Benutzern ermöglicht, die gleichen Zeit-Frequenz-Ressourcen zu nutzen. Im Gegensatz zu traditionellen orthogonalen Mehrfachzugriffsverfahren (OMA) ermöglicht NOMA den Benutzern, dieselben Zeit- und Frequenzressourcen zu belegen, indem sie das Power-Domain-Multiplexing verwenden. Dadurch wird die spektrale Effizienz erhöht und die Systemkapazität verbessert.
Verteilte Antennensysteme (DAS)
DAS ist ein drahtloses Kommunikationssystem, das mehrere Antennen über ein gegebenes Gebiet verteilt. Es verbessert die Kapazität und Abdeckung des drahtlosen Netzwerks, indem es Störungen reduziert und die Signalqualität erhöht. In IIoT-Anwendungen kann DAS eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Signalstärke, der allgemeinen Systemleistung und der Energieeffizienz spielen.
Das vorgeschlagene SWIPT-NOMA-DAS-Framework
In diesem Abschnitt gehen wir auf die Details des neu entwickelten Frameworks ein, das SWIPT, NOMA und DAS kombiniert, um die Energie- und spektrale Effizienz von IIoTs zu verbessern. Die Forscher haben einen dreistufigen iterativen Algorithmus formuliert, um die Leistungszuweisung, die Leistungsaufteilung und die Datenraten im System zu optimieren.
Algorithmus für Leistungszuweisung, Leistungsaufteilung und Datenraten
Das neu entwickelte Framework umfasst einen dreistufigen iterativen Algorithmus, um die Schlüsselparameter des Systems zu optimieren. Dieser Algorithmus verfeinert iterativ die Leistungszuweisung, das Verhältnis der Leistungsaufteilung und die Datenraten auf der Grundlage des Feedbacks, das vom System empfangen wird. Durch die Optimierung dieser Parameter zielt das Framework darauf ab, die Energieeffizienz und die spektrale Effizienz in IIoT-Anwendungen zu maximieren.
Numerische Simulationen und Ergebnisse
Um die Leistung des vorgeschlagenen SWIPT-NOMA-DAS-Systems zu bewerten, führten die Forscher numerische Simulationen durch und verglichen die Ergebnisse mit alternativen Systemen. Dieser Abschnitt diskutiert die numerischen Simulationen und hebt die wichtigsten Ergebnisse hervor.
Vergleich mit SWIPT-NOMA ohne DAS
Die Forscher verglichen die Leistung des vorgeschlagenen SWIPT-NOMA-DAS-Systems mit SWIPT-NOMA ohne DAS. Die Ergebnisse zeigten, dass das SWIPT-NOMA-DAS-System eine fünfmal höhere Energieeffizienz im Vergleich zu SWIPT-NOMA ohne DAS erreichte. Diese Verbesserung wird auf die verbesserte Signalqualität und die reduzierte Störung durch das verteilte Antennensystem zurückgeführt.
Verbesserung der Leistung gegenüber SWIPT-OMA-DAS
Darüber hinaus verglichen die Forscher die Leistung des SWIPT-NOMA-DAS-Systems mit SWIPT-OMA-DAS, wobei OMA für das orthogonale Mehrfachzugriffsverfahren steht. Die Ergebnisse zeigten, dass das vorgeschlagene System SWIPT-OMA-DAS übertraf und eine Leistungssteigerung von über 10% erreichte. Dies zeigt die Vorteile der Nutzung von NOMA und des dreistufigen iterativen Algorithmus in IIoT-Umgebungen auf.
Potentielle Anwendungen in IIoT
Die von den südkoreanischen Forschern entwickelte Technologie hat das Potenzial, in verschiedenen IIoT-Szenarien angewendet zu werden. In diesem Abschnitt werden die möglichen Anwendungen des SWIPT-NOMA-DAS-Frameworks in IIoT-Umgebungen wie Smartphones, Laptops, Wearable Devices und Elektrofahrzeugen erkundet.
Smartphones und Laptops
Im Kontext von IIoTs spielen Smartphones und Laptops eine entscheidende Rolle bei der Datensammlung und -übertragung. Durch die Implementierung des SWIPT-NOMA-DAS-Frameworks in diesen Geräten kann die Energie- und spektrale Effizienz signifikant verbessert werden, was zu einer längeren Akkulaufzeit und einer besseren Leistung führt.
Wearable Devices
Wearable Devices wie Fitness-Tracker und Smartwatches gewinnen in IIoT-Anwendungen an Popularität. Durch die Integration des SWIPT-NOMA-DAS-Frameworks in diese Geräte kann ihre Energieeffizienz verbessert und längere Betriebszeiten ohne häufiges Aufladen ermöglicht werden.
Elektrofahrzeuge
Elektrofahrzeuge (EVs) sind ein wichtiger Bestandteil des IIoT-Ökosystems. Durch die Nutzung des SWIPT-NOMA-DAS-Frameworks in EVs kann die Energieeffizienz von drahtlosen Ladesystemen verbessert werden, was zu einer schnelleren und effizienteren Aufladung von EVs führt und somit deren Gesamtperformance und Benutzerfreundlichkeit erhöht.
Schlussfolgerung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das neue Framework, das SWIPT, NOMA und DAS kombiniert, vielversprechende Ergebnisse zur Verbesserung der Energie- und spektralen Effizienz von IIoTs zeigt. Der dreistufige iterative Algorithmus optimiert die Leistungszuweisung, die Leistungsaufteilung und die Datenraten und führt zu erheblichen Leistungssteigerungen gegenüber bestehenden Systemen. Die Technologie kann auf verschiedene IIoT-Geräte und -Umgebungen angewendet werden und ebnet den Weg für effizientere und nachhaltigere drahtlose Kommunikation in industriellen Umgebungen.
