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A Internet das Coisas Industrial (IIoTs) refere-se a uma tecnologia que combina sensores sem fio, controladores e tecnologias de comunicação móvel para tornar todos os aspectos dos processos de produção industrial inteligentes e eficientes. Como as IIoTs podem envolver vários pequenos dispositivos e sensores alimentados por bateria, há uma necessidade crescente de desenvolver uma rede robusta para transmissão de dados e transferência de energia para monitorar o ambiente IIoT.
Neste sentido, a transferência de energia sem fio é uma tecnologia promissora. Ele utiliza sinais de radiofrequência para alimentar pequenos dispositivos que consomem energia mínima. Recentemente, a transferência simultânea de informação e energia sem fio (SWIPT), que utiliza um único sinal de radiofrequência para realizar simultaneamente a coleta de energia e a decodificação de informações, atraiu um interesse significativo para IIoTs. Além disso, com o rápido crescimento do número de dispositivos inteligentes, o SWIPT foi combinado com o sistema de acesso múltiplo não ortogonal (NOMA), que é um candidato promissor para IIoTs devido à sua capacidade de prolongar a vida útil da bateria de sensores e outros dispositivos. Contudo, a eficiência energética deste sistema cai significativamente com a distância de transmissão do controlador central.
Para superar esta limitação, uma equipe de pesquisadores da Coreia do Sul, liderada pelo Professor Associado Dong-Wook Seo da Divisão de Engenharia Eletrônica e de Informação Elétrica da Universidade Marítima e Oceânica da Coreia, desenvolveu uma nova estrutura aplicando NOMA auxiliado por SWIPT a um sistema de antena distribuída (DAS), melhorando significativamente a eficiência energética e espectral das IIoTs. “Ao aplicar um DAS com antenas de suporte relativamente próximas aos usuários de borda ao longo de uma estação base central, a perda do SWIPT-NOMA com o aumento da distância pode ser reduzida de forma eficiente. Isso melhora a decodificação de informações e o desempenho da coleta de energia,” explica o Dr. Seo.
O estudo deles foi disponibilizado online em 27 de outubro de 2022 e publicado no Volume 19, Edição 7 da revista Transações IEEE em Informática Industrial em 01 de julho de 2023.
Os pesquisadores formularam um algoritmo iterativo de três etapas para maximizar a eficiência energética do sistema SWIPT-NOMA-DAS. Primeiro, eles otimizaram a alocação de energia para o controlador central de IoT. Depois disso, a alocação de energia para sinalização NOMA e a atribuição de divisão de energia (PS) para SWIPT foram otimizadas em conjunto, minimizando as taxas de dados e os requisitos de energia coletada. Finalmente, a equipe analisou um evento de interrupção em que o sistema não consegue fornecer energia e taxas de dados suficientes, estendendo assim o método conjunto de alocação de energia e otimização de atribuição de PS para o cenário de vários clusters.
Eles validaram seu algoritmo por meio de extensas simulações numéricas, descobrindo que o sistema SWIPT-NOMA-DAS proposto é cinco vezes mais eficiente em termos energéticos do que o SWIPT-NOMA sem DAS. Além disso, mostra uma melhoria de mais de 10% no desempenho em relação ao SWIPT-OMA-DAS.
Destacando a importância de seu estudo, o Dr. Seo diz: “Essa tecnologia garante um consumo de energia muito eficiente e oferece diversas vantagens como comodidade, baixo consumo de energia e prolongamento da vida útil da bateria. Assim, pode ser aplicado a smartphones, laptops, dispositivos vestíveis e veículos elétricos. Mais importante ainda, o sistema SWIPT-NOMA-DAS pode otimizar a alocação de recursos e executar com eficiência o carregamento sem fio e a transmissão de informações para usuários em um ambiente IoT”.
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