De energiebeperkingen van ontvangers in draadloze communicatie hebben grote invloed op de algehele prestaties van systemen. Een belangrijk concept in dit verband is het gebruik van supercondensatoren, die tijdelijke energieopslag mogelijk maken, waardoor de batterijbelasting op de zender wordt verminderd en de transmissie efficiëntie wordt verbeterd. In een dergelijk systeem ontvangt de ontvanger energie van de batterij van de zender via de supercondensator, en de energieverbruik van de batterij wordt vervolgens geregeld door het beleid dat bij de ontvanger wordt toegepast.

Het beleid van de ontvanger, zoals gedefinieerd in de vorige sectie, is afhankelijk van de batterijstatus van de ontvanger. Wanneer de batterijcapaciteit boven een bepaalde drempel ligt, verandert het beleid van de ontvanger de manier waarop hij de energie gebruikt, met als doel de energieverdeling efficiënt te maken. Dit beleid zorgt ervoor dat de zender alleen gegevens verstuurt wanneer de ontvanger voldoende energie heeft om die gegevens te verwerken, wat leidt tot een verbetering van de algehele energie-efficiëntie van het systeem.

Een belangrijke observatie hierbij is dat de energieconsumptie van de batterij van de zender voornamelijk afhangt van zijn eigen batterijstatus, en niet van het beleid dat door de ontvanger wordt gevolgd. Dit maakt het systeem relatief eenvoudig in termen van implementatie aan de zenderkant. Tegelijkertijd zorgt dit beleid ervoor dat het driftgedrag van de batterij in de ontvanger een cruciale rol speelt in de prestaties van het systeem, aangezien de batterij van de ontvanger zich negatief of positief kan ontwikkelen afhankelijk van de energievoorziening.

Wanneer het energiebeleid van de ontvanger niet optimaal wordt beheerd, ontstaat er een prestatiekloof ten opzichte van de theoretische bovengrens van het systeem. Deze kloof komt voort uit de manier waarop de batterijstatus van de ontvanger zich gedraagt ten opzichte van de supercondensator en de zender. Om deze kloof te dichten, is het noodzakelijk om de controle over de batterijdrift van de ontvanger te verbeteren, zodat het driftgedrag kan worden geoptimaliseerd en de prestaties verder kunnen worden verbeterd.

Een effectieve manier om de prestaties van een ontvanger in dit systeem te verbeteren, is door gebruik te maken van tijdsdilatie. Het idee achter tijdsdilatie is om de batterijdrift van de ontvanger over een grotere reeks tijdsloten te verdelen, wat leidt tot een kleinere drift per tijdslot. Dit kan worden bereikt door het beleid van de ontvanger aan te passen, zodat de ontvanger in batches van tijdsloten werkt die zijn geschaald met een functie die afhangt van de batterijcapaciteit van de ontvanger. Het resultaat is dat de ontvanger in kleinere tijdsloten werkt, wat leidt tot een kleinere per-slot drift en een lagere frequentie van het overschrijden van de halve batterijcapaciteit.

Wanneer de tijdsdilatiefunctie correct wordt toegepast, wordt de prestatiekloof tussen de werkelijke prestaties en de theoretische bovengrens kleiner naarmate de batterijcapaciteit van de ontvanger toeneemt. Deze benadering heeft het voordeel dat de feedback overhead wordt verminderd, wat leidt tot een efficiënter gebruik van de beschikbare energie en een betere prestaties in systemen met energiebeperkingen. Dit stelt het systeem in staat om een bijna optimale doorvoer te bereiken, zelfs wanneer de batterijcapaciteit van de ontvanger relatief klein is.

Bovendien kan het gebruik van een systeem met tijdsdilatie de prestaties van het systeem verbeteren zonder dat er voortdurend feedback van de ontvanger nodig is. In plaats van periodieke feedback te gebruiken, kan het systeem zichzelf dynamisch aanpassen aan de veranderende batterijstatus, wat de complexiteit van het systeem vermindert en de algehele efficiëntie verhoogt.

Naast de toepassing van tijdsdilatie zijn er andere technieken die de prestaties van draadloze communicatiesystemen met energiebeperkingen kunnen verbeteren. Bijvoorbeeld, het gebruik van gecontroleerde energie-oogstingsbronnen (EH) in plaats van oncontroleerbare bronnen kan helpen om de energiedistributie en de timing van energiearrivals te optimaliseren. Dit maakt het mogelijk om de hoeveelheid en het moment van de geoogste energie beter te beheersen, wat leidt tot efficiëntere communicatie en vermogensoverdracht (WPT).

Door dergelijke geavanceerde technieken te combineren, kan het systeem met een energiebeperkte ontvanger een doorvoersnelheid bereiken die vrijwel gelijk is aan de bovengrens, zelfs bij het gebruik van een relatief kleine batterijcapaciteit.

Hoe beïnvloeden signaal- en systeemparameters de efficiëntie van draadloze energieoverdracht?

De totale energieconversie-efficiëntie van een draadloos energieoverdrachtsysteem (Wireless Power Transfer, WPT) wordt bepaald door drie hoofdcomponenten: de efficiëntie van de zender (η_t), de efficiëntie van de draadloze transmissie (η_c) en de efficiëntie van de ontvanger (η_r). Deze factoren samen definiëren hoe effectief de DC-energie aan de zenderzijde wordt omgezet naar bruikbare DC-energie aan de ontvangerzijde. In een geavanceerd WPT-systeem met meerdere antennes en meerdere frequentiebanden, bijvoorbeeld een MIMO-systeem, spelen verschillende systeemparameters een cruciale rol bij het beïnvloeden van deze efficiënties.

Het zendproces begint met het genereren van een multicarrier signaal op de zenderantenne. Dit signaal bestaat uit N orthogonale sub-banden, elk met eigen draaggolffrequenties fn en bandbreedte fw, waar onafhankelijke symbolen op worden gemoduleerd. De invoersignalen voor de hoogvermogenversterker (High Power Amplifier, HPA) worden gemodelleerd als complexe, willekeurig verdeelde variabelen die verschillende frequentiecomponenten en antennes beslaan. De HPA werkt echter niet lineair; afhankelijk van de amplitude van het invoersignaal kan de versterking verzadigen, wat leidt tot niet-lineaire vervormingen, amplitude- en faseverschuivingen, en een complexe relatie tussen de ingangsspanning en de versterkte output. Dit betekent dat η_t niet constant is, maar een niet-lineaire functie van het ingangssignaal.

Het versterkte RF-signaal wordt vervolgens via een multipad-kanaal verzonden, waarin meerdere paden met verschillende vertragingen en faseverschuivingen het signaal bereiken bij de ontvangerantennes. Door het combineren van signalen van alle zendantennes en over alle sub-banden wordt de totale ontvangen RF-signaalsterkte bepaald. De kanaalfrequentierespons, een samengestelde vector van de effecten van padverliezen, vertragingen en faseverschuivingen, beïnvloedt rechtstreeks de ontvangen signaalkwaliteit en dus η_c.

De ontvanger maakt gebruik van een rectenna, een combinatie van antenne en gelijkrichter, om de ontvangen RF-energie om te zetten naar DC-energie. De karakteristiek van de gelijkrichter is sterk niet-lineair en hangt niet alleen af van het gemiddelde vermogensniveau van het ontvangen signaal, maar ook van hogere orde statistische momenten (zoals de vierde moment van het signaal). Dit betekent dat signalen met bepaalde golfvormen, bijvoorbeeld multi-tone of gemoduleerde golven met hoge piekwaarde, kunnen leiden tot een hogere energieomzettingsefficiëntie (η_r). Daarom heeft het ontwerp van het ingangssignaal, inclusief modulatie en golfvorm, een directe invloed op het oogsten van energie aan de ontvangerzijde.

Verder kan het samenvoegen van meerdere antennes aan de ontvangerzijde plaatsvinden via DC-combinatie (het samenvoegen van gelijkgerichte signalen) of RF-combinatie (het combineren van RF-signalen vóór de gelijkrichting). De keuze van deze architectuur beïnvloedt eveneens de uiteindelijke DC-energieopbrengst.

Het optimaliseren van de totale energie-efficiëntie van een WPT-systeem vereist een holistische benadering waarbij niet alleen de afzonderlijke efficiënties van zender, kanaal en ontvanger worden gemaximaliseerd, maar ook rekening wordt gehouden met hun onderlinge afhankelijkheden. Een geïsoleerde optimalisatie van bijvoorbeeld alleen η_t of η_r zonder inachtneming van het complete systeem leidt niet per se tot de beste prestatie. Het ontwerp van het signaal moet daarom afgestemd zijn op de niet-lineariteiten van de HPA en de rectifier, alsmede op de kanaaleigenschappen.

Belangrijk is daarnaast dat de realistische exploitatie van de HPA-regimes (lineair versus verzadigd) en het gebruik van geavanceerde signaalvormen met gunstige hogere orde momenten significante voordelen kunnen bieden voor de algehele efficiëntie. Dit onderstreept het belang van het integreren van systeem-, kanaal- en signaalmodellen bij het ontwikkelen van WPT-technologieën.

Voor een volledig begrip van de werking van WPT-systemen dient men zich bewust te zijn van de fysieke limieten en de wiskundige relaties die de omzetting van energie bepalen. Het niet-lineaire gedrag van componenten zoals de HPA en rectifier introduceert complexe afhankelijkheden die niet triviaal te optimaliseren zijn. Tegelijkertijd opent dit ook de deur naar innovaties in waveform design en signaalmodulatie, waarmee de prestatiegrenzen van draadloze energieoverdracht kunnen worden verlegd.

Hoe kan het UAV-geassisteerde DS-DS-systeem de communicatieprestaties verbeteren?

In de analyse van communicatieprestaties in onbemande luchtvoertuig (UAV)-geassisteerde systemen is het belangrijk te begrijpen hoe het signaal-ruisverhouding (SNR) zich gedraagt in de aanwezigheid van fading en schaduwingseffecten. De cumulatieve verdelingsfunctie (CDF) van SNR kan wiskundig worden uitgedrukt als:

fγ(γ)=1G2,2m1m2γ∣1−α2,1−α1∣2,2γ∅,f_{\gamma}(\gamma) = \frac{1}{G_{2,2}} m_1 m_2 \gamma \left| 1 - \alpha_2, 1 - \alpha_1 \right|^{2,2} \gamma^\emptyset,

waaruit blijkt dat de CDF afhankelijk is van verschillende fadingparameters zoals m1m_1 en m2m_2, evenals de schaduwingseffecten α1\alpha_1 en α2\alpha_2. Dit heeft directe implicaties voor de prestaties van UAV-geassisteerde systemen, vooral wanneer we de uitvalkans (Outage Probability, OP) beschouwen. De OP wordt gedefinieerd als de kans dat de SNR onder een drempelwaarde γT\gamma_T valt, en kan worden uitgedrukt als:

Pout=Pr{γ≤γT}=Fγ(γT),P_{\text{out}} = \text{Pr}\{ \gamma \leq \gamma_T \} = F_{\gamma}(\gamma_T),

waarbij de OP voor een DS-DS-scenario kan worden berekend door de hierboven gegeven formules in te voeren. De uitvalkans neemt af wanneer de fadingparameters m1m_1 en m2m_2 worden verhoogd, en wanneer de schaduwingparameters α1\alpha_1 en α2\alpha_2 worden verlaagd, zoals weergegeven in de theoretische en gesimuleerde resultaten.

Daarnaast wordt de gemiddelde symbolenfoutkans (ASER) vaak gebruikt om de prestaties van communicatiesystemen te evalueren. De ASER biedt een methode om de effectiviteit van verschillende modulatieschema’s te vergelijken, evenals de prestaties van signaalverwerkingsalgoritmen in de aanwezigheid van verschillende soorten fading en ruis. De ASER voor een geavanceerd modulatieschema, zoals kwadratuuramplitudemodulatie (QAM), kan worden berekend met behulp van de CDF-benadering:

Ps(e)=∫0∞Ps(e∣γ)Fγ(γ)dγ.P_s(e) = \int_0^\infty P_s(e|\gamma) F_{\gamma}(\gamma) d\gamma.

Voor het DS-DS-scenario kan de ASER worden berekend door de voorwaardelijke ASER van een rechthoekige QAM (RQAM) in te voegen in de bovenstaande formule. Dit leidt tot een specifieke uitdrukking voor de ASER van het systeem, afhankelijk van de SNR en de fadingparameters.

Wanneer we kijken naar de ASER-prestaties voor QAM-schema's zoals 16-SQAM, zien we duidelijk dat de prestaties verbeteren naarmate de fadingparameters m1m_1 en m2m_2 toenemen, en/of de schaduwingparameters α1\alpha_1 en α2\alpha_2 afnemen. Dit suggereert dat lagere-order QAM-schemata mogelijk beter presteren in omgevingen met een lage SNR en op grote hoogtes, terwijl hogere-order QAM-schemata meer geschikt kunnen zijn voor situaties met een hoge SNR en lage hoogtes.

De impact van SNR op de ASER wordt verder onderzocht door middel van theoretische en gesimuleerde analyses. De overeenkomst tussen deze twee resultaten benadrukt de nauwkeurigheid van de theoretische modellen en hun toepasbaarheid in real-world scenario’s. Simulaties laten zien dat, hoewel de verandering van m1m_1 en m2m_2 een groter effect heeft op de prestaties dan α1\alpha_1 en α2\alpha_2, de exacte keuze van modulatieschema cruciaal is voor het optimaliseren van de systeemcapaciteit afhankelijk van de specifieke omstandigheden, zoals SNR-niveaus en hoogtes.

Er zijn echter verschillende factoren die verder onderzocht moeten worden om de prestaties van UAV-geassisteerde communicatiesystemen te verbeteren. De integratie van UAV’s met 5G-netwerken is een veelbelovende ontwikkeling die snelle datatransmissie en lage latentie communicatie mogelijk maakt, wat vooral nuttig is voor toepassingen zoals real-time controle, datastreaming en autonome navigatie. Daarnaast staat swarm-communicatie in opkomst, waarbij UAV’s in een gecoördineerde manier samenwerken om de efficiëntie van missies zoals zoek- en reddingsacties te verhogen.

Een ander belangrijk onderzoeksgebied is het gebruik van satellietcommunicatie, waarmee UAV’s hun bereik kunnen vergroten, zelfs in afgelegen of uitdagende omgevingen. Door de uitbreiding van de communicatiemogelijkheden met satellieten kunnen UAV’s wereldwijd opereren, zonder afhankelijk te zijn van terrestrische infrastructuren.

Naast de communicatietechnologieën moet er ook veel aandacht worden besteed aan de energie-efficiëntie van UAV’s. Het ontwikkelen van batterijen met hogere energiedichtheid is essentieel voor het verbeteren van de vliegduur en het bereik van UAV’s. Het combineren van batterijen met alternatieve energiebronnen, zoals zonnecellen of brandstofcellen, kan de efficiëntie verder verbeteren. Onderzoek naar de snelle oplaad- en ontlaadcapaciteiten van batterijen is eveneens belangrijk om de praktische bruikbaarheid van UAV’s in verschillende toepassingen te vergroten.

De verdere ontwikkeling van autonome UAV’s, aangedreven door kunstmatige intelligentie en machine learning, biedt veelbelovende mogelijkheden voor de toekomst. UAV’s zullen in staat zijn om complexere taken autonoom uit te voeren, zoals het vermijden van obstakels, het samenwerken in zwermen en het navigeren door dynamische omgevingen. Deze evolutie zal de inzetbaarheid van UAV’s in uiteenlopende sectoren verder uitbreiden, van landbouw tot milieuanalyse.

Waarom Conservatieven Zich Gevangen Vinden in de Verdediging van het Oude Regime
Is Code-Switching Hypocrisy in Politics or a Necessity for Connection?
Hoe werkt een drag-and-drop bestandupload met FastAPI en real-time feedback?
Hoe Werkt het Amerikaanse Migratiesysteem via Executive Orders?