بخشی از مقاله
چکیده - امروزه استفاده از شبکههای حسگر بیسیم بسیار گسترش یافته است. برای استفاده بهینه از باتری در این شبکهها، تیمهای تحقیقاتی بیشماری تشکیل شده است. یکی از راهکارها پیشنهادی این تیمها، استفاده از امواج رادیویی انتشار یافته در فضای اطراف کاربر است، که این روش برداشت انرژی نامیده میشود. در این مقاله برای بهبود روش برداشت انرژی، طیفسنجی پیشنهاد شده است. این مرحله به دستگاه اجازه میدهد که با استفاده از طیفسنجی سیگنالهای رادیویی، پر انرژیترین سیگنال را انتخاب کرده و برای شارژ دستگاه از این سیگنال رادیویی استفاده کند. با استفاده از این روش، بازده برداشت انرژی بسیار افزایش پیدا کرده است. در ادامه برای افزایش بازده برداشت انرژی، مدار یکسوساز نوینی پیشنهاد شده است. در مدار پیشنهادی، مقدار بازده تقریباً %60 افزایش پیدا کرده است.
-1 مقدمه
امروزه استفاده از تجهیزات بیسیم کم توان بسیار افزایش پیدا کرده است. مشکل اساسی تجهیزات بیسیم، مقدار مصرف باتری آنها است. به همین دلیل، راهحلهای گوناگونی برای رفع این مشکل پیشنهاد شده است که این روشها شامل افزایش ظرفیت باتری، استفاده از پیزوالکتریک و برداشت انرژی جنبشی، حرارتی و یا الکترومغناطیسی در فضای اطراف کاربر است. به عنوان مثال، در فاصله چند ده متری از فرستنده UHF سطح توان برداشتی در حدود 1 تا 100 میکرووات است که برای شارژ باتری تجهیزات بیسیم کم توان مناسب است.
در برداشت انرژی، هدف نهایی این است که نیرو منتقل شده را استخراج و به انرژی الکتریکی تبدیل کنیم. براساس چگونگی انتقال نیرو و واسطه استفاده شده، منابع انرژی به دو دسته موج-های مکانیکی و الکترومغناطیسی تقسیم بندی میشوند .[1] از منابع مختلفی میتوان برای برداشت انرژی، مانند: خورشید، باد، لرزشی، جنبشی و موج الکترومغناطیس [5-2]، استفاده کرد. برداشت انرژی امواج RF به دو دسته کلی میتواند تقسیم شود. برداشت غیرفعال انرژی RF محیط [7-6]، مقدار برداشت انرژی RF محیط امروزه در حدود 2 W/cm2 است .[8] برداشت انرژی به صورت غیرفعال به پردازش نیازی ندارد، در این روش انرژی از محیط برداشت و ذخیره میشود. برداشت انرژی RF از منبع اختصاصی، در این روش سطح انرژی برداشتی در حدود 50 W/cm2 است .[8]
سیستمهای مخابرات داده بر پایهی استفاده از تبدیل فوریه و درک OFDM در دههی هفتاد میلادی معرفی شدند .[9] این سیستمها اساسا به صورت بلوکی هستند، که مدولاسیون هر بلوک داده توسط یک عملیات IFFT انجام میشود. امروزه برای بهرهگیری از مزایای تعامد زیرحاملها در ارسال سیگنال، از روش جدید Single Carrier FDMA استفاده میشود. که به آن SC-FDMA یا پیش کدینگ خطی OFDM میگویند. برای افزایش کیفیت سرویس به طیف بزرگتری نیاز داریم. بنابراین، استفاده بدون مجوز از طیف، بسیار گسترش یافته است. طیف سنجی بعنوان یک راه مؤثر برای تحقق این امر به شمار می رود.
روشهای مختلفی برای طیف سنجی پیشنهاد شده است، که از مهمترین آنها میتوان به آشکارساز انرژی [10]، فیلتر منطبق [10]، آشکارساز متناوباً ایستان [11]، سنجش طیف مبتنی بر ماتریس کواریانس [12] و مقدار ویژه [13] و سنجش طیف مبتنی بر موجک [14] اشاره نمود. هدف اصلی این مقاله ارتقای عملکرد سیستمهای برداشت انرژی امواج رادیویی RF محیط است. در این مقاله برای ارتقای عملکرد سیستم برداشت انرژی با استفاده از امواج RF محیط از روش طیف سنجی استفاده میکنیم. شمای کلی این روش در شکل 1 ترسیم شده است. در ادامه این مقاله خواهیم داشت: در قسمت دوم طیف سنجی را توضیح میدهیم، پس از آن در قسمت سوم مدل باتری را توضیح خواهیم داد. سپس، در قسمت چهارم شبیهسازی آورده شده است. در نهایت در قسمت پنجم نتیجهگیری آورده شده است.
-2 طیفسنجی
روشهای مختلفی برای سنجش طیف پیشنهاد شده است. آشکارساز انرژی معمولترین روش سنجش طیف است که قیمت پایین و پیچیدگی محاسباتی کمی دارد. در صورتی که سیگنال ارسالی کاربر اولیه برای کاربر ثانویه مشخص باشد، فیلتر منطبق به عنوان آشکارساز بهینه شناخته شده است. ولی وجود اطلاعات کاربر اولیه همیشه امکانپذیر نیست. آشکارساز تناوباًم ایستان با جستجو در ویژگیهای دورهای سیگنال دریافتی حضور کاربر اولیه را تشخیص میدهد.
با این روش میتوان بین نویز و سیگنال کاربر اولیه و حتی سیگنال کاربران مختلف تفاوت گذاشت. بنابراین در سیگنال به نویز پایین نیز عملکرد قابل قبولی دارد. آشکارسازمتناوباً ایستان نیاز به اطلاعات دورهای سیگنال دارد و بنابراین پیچیدگی آن از فیلتر منطبق کمتر ولی از آشکارساز انرژی بیشتر است. عوامل بسیاری در تعیین عملکرد سنجش طیف موثر هستند که از آن میان میتوان به اثرات عدم قطعیت نویز و گیرنده، محوشدگی و سایه افکنی اشاره کرد.
-1-2 آشکارساز انرژی
در صورتی که هیچ اطلاعات پیشینی در مورد سیگنال کاربر اولیه در دسترس نباشد، آشکارساز انرژی، آشکارساز بهینه است. برای آشکارسازی در حوزه زمان، ابتدا سیگنال دریافتی توسط یک فیلتر باند میانی فیلتر شده تا پهنای باند مورد نظر انتخاب گردد. سپس سیگنال خروجی حاصل به توان دو رسیده و روی بازهی مشاهده از آن انتگرال گرفته میشود تا انرژی سیگنال در باند مورد نظر محاسبه شود. برای تشخیص وجود یا عدم وجود سیگنال رادیویی، این انرژی با یک سطح آستانه از پیش تعیین شده مقایسه میشود.
آشکارساز انرژی علاوه بر حوزه زمان در حوزه فرکانس نیز میتواند، انجام شود. در این حالت، از سیگنال دریافتی نمونهبرداری شده و انرژی سیگنال با استفاده از FFT در حوزه فرکانس انجام میشود. شکلهای 2 و 3، به ترتیب بلوک دیاگرام آشکارساز انرژی در حوزه زمان و فرکانس ترسیم شده است. در این مقاله برای طیف سنجی از روش آشکارسازی انرژی استفاده میشود زیرا دستگاه بیسیم هیچگونه اطلاعاتی از محیط اطراف خود ندارد و فقط به دنبال پیدا کردن امواج رادیویی با بیشینه توان ممکن برای شارژ خود است.
-3 مدل باتری
محققان در سراسر دنیا مدلهای مختلفی برای باتری با پیچیدگیهای گوناگون ارایه دادهاند. مدلهای الکتروشیمیایی [15] معمولاً برای بهینه کردن طراحی فیزیکی باتری، نحوه کارکرد و تولید توان و پارامترهای مربوط به طراحی باتری استفاده میشوند. مدلهای ریاضی [16]، که بسیار خلاصهتر و مفیدتر هستند. معادلات ریاضی رویکردهای تصادفی را برای پیشبینی رفتار سیستماتیک باتری مانند طول عمر و بازدهی را مورد بررسی قرار میدهند. به علاوه اینگونه مدلها برای کاربردهای خاص مفید هستند که خطای آنها نیز تا %20 میرسد.
مدلهای الکتریکی [17] که از نظر دقت بین مدلهای ریاضی و شیمیایی قرار دارند، از ترکیب منابع ولتاژ، مقاومتها و خازنها برای مدل کردن باتری بهره میبرند. در شکل 4 بعضی از مدلهای الکتریکی باتری نمایش داده شده است .[18] در [18] مدلی ارایه شده است که مدل دقیق و موثر برای باتری است. این مدل بهگونهای است که روند استخراج در آن آسانتر میشود و زمان اجرا، حالت ایستا و پاسخ گذرا را به دست میدهد و تمام مشخصات الکتریکی دینامیکی باتریها را دربر دارد. در شکل 5 مدل پیشنهادی الکتریکی برای باتری ترسیم شده است. RF با بیشترین انرژی شبیهسازی میشود. در ادامه مدارهای طراحی شده برای شارژ باتری شبیهسازی خواهند شد.
-1-4 شبیه سازی الگوریتم طیف سنجی
در این قسمت شبیهسازی طیف سنجی شرح داده خواهد شد. ابتدا M ایستگاه تصادفی در فرکانسهای 500 مگاهرتز تا 1,0 گیگاهرتز تولید میکنیم. سپس با فرض فرستنده OFDM یا SC-FDMA، سیگنال خروجی ایجاد میشود و در نهایت با استفاده از الگوریتم آشکارساز انرژی، سیگنال با بیشترین توان را جستجو میکنیم. در جدول 1 پارامترهای شبیهسازی برای فرستنده OFDM و SC-FDMA آورده شده است. در شبیهسازیهای انجام شده برای مبدل دیجیتال به آنالوگ از فیلتر Butterworth با مرتبه 13 و فرکانس قطع نرمالیزه شده 1/20، استفاده کردهایم. شبیهسازیهای این قسمت با استفاده از نرمافزار MATLAB و کامپیوتر با پردازنده تک هستهای با کلاک 2,66 گیگاهرتز و 3 گیگابایت RAM انجام شده است.
