[논문 리뷰] Task Scheduling for Simultaneous IoT Sensing and Energy Harvesting: A Survey and Critical Analysis

Muhammad Moid Sandhu, Sara Khalifa외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 13.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 149인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 에너지 수확 기반 IoT 센서에서 동시에 감지 및 에너지 수확을 수행하여 에너지 정상 작동을 달성하는 작업 스케줄링 알고리즘에 대한 종합적 설문조사 및 비판적 분석을 제안한다. 간헐적인 에너지 및 정보 가용성의 과제를 부각하고, 동적인 에너지 수확 패턴과 작업 마감일을 고려한 재설계된 스케줄링 알고리즘을 통해 지속 가능하고 자율적인 IoT 운영을 달성할 것을 주장한다.

ABSTRACT

The Internet of Things (IoT) has important applications in our daily lives including health and fitness tracking, environmental monitoring and transportation. However, sensor nodes in IoT suffer from the limited lifetime of batteries resulting from their finite energy availability. A promising solution is to harvest energy from environmental sources, such as solar, kinetic, thermal and radio frequency, for perpetual and continuous operation of IoT sensor nodes. In addition to energy generation, recently energy harvesters have been used for context detection, eliminating the need for additional activity sensors (e.g. accelerometers), saving space, cost, and energy consumption. Using energy harvesters for simultaneous sensing and energy harvesting enables energy positive sensing -- an important and emerging class of sensors, which harvest higher energy than required for signal acquisition and the additional energy can be used to power other components of the system. Although simultaneous sensing and energy harvesting is an important step forward towards autonomous self-powered sensor nodes, the energy and information availability can be still intermittent, unpredictable and temporally misaligned with various computational tasks on the sensor node. This paper provides a comprehensive survey on task scheduling algorithms for the emerging class of energy harvesting-based sensors (i.e., energy positive sensors) to achieve the sustainable operation of IoT. We discuss inherent differences between conventional sensing and energy positive sensing and provide an extensive critical analysis for devising new task scheduling algorithms incorporating this new class of sensors. Finally, we outline future research directions towards the implementation of autonomous and self-powered IoT.

연구 동기 및 목표

• 동시 에너지 수확 및 감지를 수행하는 IoT 센서 노드에서 간헐적이고 예측 불가능한 에너지 및 정보 가용성 과제를 해결한다.
• 에너지 소비보다 더 많은 에너지를 생성하는 에너지 정상 센서에 적용했을 때 전통적인 작업 스케줄링 알고리즘의 한계를 규명한다.
• 에너지 수확 IoT(EH-IoT)를 위한 기존 작업 스케줄링 접근 방식을 비판적으로 분석하고, 동시에 감지 및 에너지 수확을 처리하는 데 있어 격차를 부각한다.
• 자율적이고 배터리 없는 운영을 위해 에너지 예측, 작업 우선순위 지정, 에너지 저장 제약 조건을 통합하는 새로운 스케줄링 알고리즘의 필요성을 제안한다.
• 에너지 정상 감지 철학을 활용해 완전히 자율적이고 자체 구동 가능한 IoT 시스템을 구현하기 위한 향후 연구 방향을 개략적으로 제시한다.

제안 방법

• 에너지 원천(태양, 운동, 열, RF), 감지 유형, 스케줄링 접근 방식별로 15개 이상의 이전 연구를 체계적으로 설문조사하고 분류한다.
• 이동성에 따라 에너지 수확 시스템을 정적 수확(SEH)과 운동 수확(KEH)으로 분류하고, 각각의 고유한 에너지 예측 필요성을 강조한다.
• 응용 분야에 특화된 패턴(예: 보행, 달리기, 이동 수단)을 기반으로 KEH에 대한 에너지 예측 모델의 역할을 분석한다.
• 에너지 가용성과 작업 실행 간 시간적 불일치를 고려해, 수확된 에너지를 예측하는 예측 모델을 활용하여 작업 스케줄링이 수행되어야 한다고 제안한다.
• 에너지 저장 장치(ESU) 제약 조건(예: 배터리/콘덴서 용량 및 누출)을 스케줄링 결정에 통합하여 에너지 낭비를 방지할 중요성을 강조한다.
• 콘덴서 기반(배터리 없는) 시스템에서 간헐적인 전력 공급을 지원하는 스케줄링 알고리즘이 필요하며, 이는 연속적인 작업 실행을 제한하는 콘덴서의 특성에 기반한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 감지와 에너지 정상 감지 간의 에너지 및 정보 가용성 패턴은 어떻게 다른가?
• RQ2 에너지 수확 센서가 동시에 에너지를 생성하고 데이터를 수집하는 환경에서 전통적인 작업 스케줄링 알고리즘을 적용할 때의 주요 과제는 무엇인가?
• RQ3 다양한 에너지 수확기 유형(예: 운동, 태양, RF)과 응용 맥락(예: 인간 활동 인식)에 맞게 에너지 예측 모델은 어떻게 맞춤화할 수 있는가?
• RQ4 제한된 용량의 에너지 저장 장치를 갖춘 시스템에서 에너지 과잉과 낭비를 효과적으로 관리하기 위한 스케줄링 전략은 무엇인가?
• RQ5 간헐적인 전원 공급을 가진 배터리 없는 IoT 시스템에서 작업 스케줄링의 핵심 설계 요구사항은 무엇인가?

주요 결과

• 동시 감지 및 에너지 수확은 수확된 에너지가 신호 획득 비용을 초과하여 나머지 에너지를 다른 시스템 구성 요소에 사용할 수 있는 에너지 정상 작동을 가능하게 한다.
• 운동 에너지 수확(KEH)는 활동 유형(예: 보행 vs. 달리기)에 따라 매우 변동성이 큰 에너지 패턴을 보이며, 이는 응용 분야에 특화된 에너지 예측 모델이 필요함을 시사한다.
• KEH 시스템에서 예측 정확도는 수확기의 이동 상태와 동적 행동을 모델링하는 것에 의해 크게 향상되며, 정적 또는 이력 평균에 의존하는 것보다 효과적이다.
• 간단한 기법(예: EWMA)에 기반한 에너지 예측 모델은 환경적 요인이나 운동 역학의 급격한 변화를 포착하지 못하여 특히 이동 응용 분야에서 문제가 된다.
• 콘덴서 기반(배터리 없는) 시스템에서는 간헐적인 전력 가용성과 에너지 누출을 고려한 작업 스케줄링이 필요하며, 이는 비핵심 작업을 충분한 에너지가 확보될 때까지 연기하는 알고리즘이 요구된다.
• 효율적인 작업 스케줄링은 에너지 예측이 향후 높을 것으로 예상될 경우, 에너지 저장 장치가 포화에 도달하기 전에 수확된 에너지를 소비함으로써 에너지 낭비를 방지할 수 있다.