[논문 리뷰] Radio Frequency Energy Harvesting and Management for Wireless Sensor Networks

Adamu Murtala Zungeru, Li-Minn Ang외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 22.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 7인용 수 96

한 줄 요약

이 논문은 무선 센서 네트워크(WSN) 수명을 연장하기 위해 환경의 RF 에너지를 수확하고 에너지 사용을 최적화함으로써 에너지 효율적인 개선된 루팅 알고리즘(IEEABR)과 Powercast RF 에너지 수확 장치를 결합한 방법을 제안한다. 이 방법은 60분 동안의 시뮬레이션에서 AODV보다 평균 노드 에너지가 최대 8% 높고 최소 에너지 유지율이 22% 향상되어 정적 WSN에서 에너지 고갈을 크게 감소시킨다.

ABSTRACT

Radio Frequency (RF) Energy Harvesting holds a promising future for generating a small amount of electrical power to drive partial circuits in wirelessly communicating electronics devices. Reducing power consumption has become a major challenge in wireless sensor networks. As a vital factor affecting system cost and lifetime, energy consumption in wireless sensor networks is an emerging and active research area. This chapter presents a practical approach for RF Energy harvesting and management of the harvested and available energy for wireless sensor networks using the Improved Energy Efficient Ant Based Routing Algorithm (IEEABR) as our proposed algorithm. The chapter looks at measurement of the RF power density, calculation of the received power, storage of the harvested power, and management of the power in wireless sensor networks. The routing uses IEEABR technique for energy management. Practical and real-time implementations of the RF Energy using Powercast harvesters and simulations using the energy model of our Libelium Waspmote to verify the approach were performed. The chapter concludes with performance analysis of the harvested energy, comparison of IEEABR and other traditional energy management techniques, while also looking at open research areas of energy harvesting and management for wireless sensor networks.

연구 동기 및 목표

• 무선 센서 네트워크(WSN)의 제한된 배터리 수명 문제를 해결하기 위해 환경의 RF 신호에서 에너지 수확 기능을 제공한다.
• 원격 또는 접근이 어려운 WSN 구현에서 배터리 교체와 관련된 환경 영향과 운영 비용을 줄인다.
• 에너지 소비를 균형 있게 분배하고 네트워크 수명을 연장하기 위해 루팅을 최적화하는 에너지 관리 프로토콜을 개발한다.
• Powercast 수확 장치와 Libelium Waspmote 노드에서의 NS-2 시뮬레이션을 활용한 실시간 하드웨어 구현을 통해 제안된 시스템을 검증한다.

제안 방법

• 환경의 RF 신호(예: 900MHz 송신기에서 오는 신호)를 이용해 이용 가능한 일정 전력으로 변환하기 위해 Powercast™ P2110 RF 에너지 수확 장치를 사용한다.
• 다양한 거리에서 최대한의 RF 전력 수신을 위해 도피올 및 패치 안테나를 포함한 레크티나 시스템을 활용한다.
• 균일한 확률을 초기화하고 수신기 근처의 노드를 우선순위로 삼아 루팅 지연과 에너지 소비를 줄이는 개선된 개미집단 최적화 기반 루팅 알고리즘인 IEEABR을 도입한다.
• 에너지 인식 루팅을 통해 각 노드의 잔여 에너지 수준을 고려하여 경로 선택 과정에 포함시켜 조기 노드 사망을 방지한다.
• Waspmote 노드의 실제 전력 소비 프로파일을 반영하기 위해 커스터마이징된 에너지 모델을 사용한 NS-2 시뮬레이터를 활용하여 성능을 평가한다.
• 다양한 거리(예: 3피트에서 15피트까지)에서 수확된 전력을 측정하는 실시간 실험을 수행하고, 배터리 재충전 시간을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 환경 조건에서 환경의 RF 에너지를 효과적으로 수확하여 WSN 노드를 구동하거나 재충전하는 데에 유용한가?
• RQ2 IEEABR 알고리즘이 AODV 및 EEABR와 같은 전통적 프로토콜에 비해 에너지 효율성을 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 제안된 에너지 관리 전략은 성능 저하 없이 WSN의 운영 수명을 얼마나 연장하는가?
• RQ4 Powercast 송신기에서 수확한 RF 에너지를 사용해 Waspmote 배터리를 실제로 재충전하는 데 걸리는 시간은 어느 정도인가?
• RQ5 RF 에너지 수확과 지능적인 루팅의 조합이 센서 노드의 최소 및 평균 잔여 에너지에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 60분 시뮬레이션 후 IEEABR 프로토콜은 AODV 및 EEABR 대비 평균 잔여 에너지가 2–8% 높고 최소 에너지 유지율이 15–22% 향상되었다.
• 송신기에서 15피트 떨어진 거리에서 Powercast 수확 장치는 완전히 고갈된 1150mAh 배터리를 429.4시간 내에 재충전할 수 있는 에너지를 제공했다.
• 264.5mA의 소비 전류를 감안할 때 91.9시간 내에 배터리를 재충전할 수 있었으며, 이는 지속적인 수확이 배터리 수준을 무한정 유지할 수 있음을 시사한다.
• 방향성 패치 안테나를 사용할 경우 옹방향 도피올 안테나보다 수확된 전력이 증가하여 에너지 수집 효율성이 향상되었다.
• IEEABR 알고리즘은 균일한 확률 초기화를 통해 수신기 근처의 노드를 우선순위로 삼아 루팅 지연과 에너지 소비를 감소시켰다.
• 시뮬레이션 결과 IEEABR는 노드 간 에너지 소비를 효과적으로 균형 있게 분배하여 조기 고갈을 방지하고 전체 네트워크 수명을 연장하는 데 성공했다.