Content uploaded by Burak Ahmet Özden
Author content
All content in this area was uploaded by Burak Ahmet Özden on Jan 03, 2023
Content may be subject to copyright.
Enerji Hasatlama Kullanılan Röleli ˙
IHA’larda
Performans Analizi
Performance Analysis of UAV Relaying Using
Energy Harvesting
Burak Ahmet Ozden, Melek Tuylu, Eylem Erdogan
Elektrik ve Elektronik Mühendisli˘
gi Bölümü, ˙
Istanbul Medeniyet Üniversitesi, ˙
Istanbul, Türkiye
Email: burakahmetozden@gmail.com, melektuylufb@gmail.com, eylem.erdogan@medeniyet.edu.tr
Özetçe —Enerji hasatlama sistemleri yeni nesil enerji kayna˘
gı
olarak gittikçe popüler hale gelmektedir. Enerji hasatlama sistem-
leri güne¸s, rüzgâr, basınç, ısı ve elektromanyetik dalgalar gibi
halihazırda bulunan kaynakları kullanırlar. Bunların arasından
elektromanyetik spektrumun önemli bir bölümünü olu¸sturan
radyo frekansından (RF) enerji hasatlama, kablosuz haberle¸sme
sistemlerinde sıklıkla tercih edilmektedir. Enerji hasatlamada
ileti¸sim cihazlarının ve aboneliklerinin sayısının gittikçe artması
RF enerji hasatlamayı daha makul hale getirmektedir. Tüm bu
sebeplerden dolayı, bu çalı¸smada RF enerji hasatlama kullanılan
insansız hava aracı (˙
IHA) tarafından desteklenen i¸sbirlikli bir
yapı önerilmektedir. Önerilen modele ait RF enerji hasatlama
devresi tasarımı sunulmu¸s ve kesinti olasılı˘
gı performansı elde
edilmi¸stir.
Anahtar Kelimeler—Enerji hasatlama, RF, ˙
IHA, Kablosuz a˘glar.
Abstract—Energy harvesting systems become gradually po-
pular as a new generation energy source. Energy harvesting
systems use sources which are already available such as sun,
wind, pressure, heat and electromagnetic waves. Among these,
energy harvesting from radio frequency (RF) which constitutes
an important section of electromagnetic spectrum is frequently
preferred in wireless communication systems. RF energy harves-
ting is become more reasonable due to the fact that the number
of transmission devices and subscriptions increase progressively
in energy harvesting. Due to all of these reasons, a cooperative
construction using RF energy harvesting and supported from
unmanned aerial vehicle (UAV) is proposed in this study. RF
energy harvesting circuit design related to proposed model was
presented and outage probability performance was obtained.
Keywords—Energy harvesting, RF, UAV, Wireless networks.
I. G˙
IR˙
I¸S
Teknolojinin geli¸smesiyle enerjiye olan gereksinim artmak-
tadır. Buna istinaden enerji arayı¸sına yönelmeler ço˘
galmı¸stır.
Örne˘
gin; güne¸s, rüzgâr, basınç, ısı ve elektromanyetik dalgalar
enerji hasatlama için kullanılan kaynaklardır [1]. Burada en
kolay ula¸sılabilir kaynak elektromanyetik dalgalardır. Havada
serbest olarak yayınım yapan radyo ya da mikrodalga frekans-
larındaki elektromanyetik dalgaların üzerinde barındırdıkları
enerjinin uygun antenler yardımıyla verimli ¸sekilde toplan-
ması ve yüksek verimde yükseltici ve do˘
grultucu devrelere
aktarılması elektromanyetik dalgalardan enerji elde edilmesi
olarak adlandırılmaktadır [2]. Elektromanyetik dalga olarak
frekans aralı˘
gı 3kHz ile 300 GHz arasında de˘
gi¸sen RF enerji
hasatlama gelecek vadeden bir teknolojidir [3]. Ayrıca RF
vericilerinin sayısı mobil aboneliklerin sayısı arttıkça artmaya
devam edece˘
gi ve ¸suan hali hazırda tek bir konumdan onlarca
Wi-Fi vericisinin algılanabildi˘
gi dü¸sünüldü˘
günde RF’i kaynak
olarak seçmek oldukça makul olacaktır [4]. Nesnelerin inter-
neti, kablosuz sensör a˘
gları veya çok dü¸sük güç tüketen birçok
cihaz için gerekli olan enerji RF enerji hasatlama teknolojisi
sayesinde kablosuz olarak kar¸sılanabilmektedir [5].
Kablosuz haberle¸smede gönderilen sinyal yol kaybı, çok
yollu sönümleme, gürültü, gölgeleme gibi olumsuz etkilerden
dolayı oldukça zayıflar. Özellikle uzun mesafelere kablosuz
iletimde gönderilen sinyalde daha çok kayıplar olur. Bu ça-
lı¸smada, ˙
IHA tarafından desteklenen i¸sbirlikli bir haberle¸sme
sistemi kullanılmı¸stır. Kaynak-hedef arasındaki uzaklık art-
tıkça haberle¸sme hızı azalmaktadır. Haberle¸sme hızını artır-
mak ancak kaynak-hedef arasındaki mesafenin azaltılmasıyla
sa˘
glanmaktadır. Kapsama alanı korunarak hız artırımı ancak
araya bir röle konularak sa˘
glanabilmektedir. Röle sayesinde
kaynak-röle ve röle-hedef arası mesafe azaldı˘
gından kaynak-
röle-hedef yolu üzerindeki toplam veri aktarım hızı artmaktadır
[6]. Aynı zamanda ˙
IHA destekli röleler baz istasyonlarından
önemli ölçüde daha dü¸sük maliyetlidir. ˙
IHA destekli röleler
baz istasyonları gibi davranır, ancak ana ta¸sıyıcıya kablolu
ba˘
glantıya ihtiyaç duymaz [7].
Literatürde birden fazla ˙
IHA destekli röle kullanılarak
uçtan uca sinyal gürültü oranını (SNR) arttrıcı çalı¸smalar
yapılmı¸stır. Sistemdeki röle sayısının artması kesinti olasılı˘
gını
iyile¸stirmektedir. Aynı zamanda sistem kazancı röle sayısı ile
do˘
gru orantılı olarak artmaktadır [8]. Bu çalı¸smada, ˙
IHA des-
tekli röle bir baz istasyonundan enerji hasatlamaktadır. Hasat-
ladı˘
gı bu enerjiyi kaynaktan aldı˘
gı bilgiyi hedefe iletmek için
kullanmaktadır. ˙
IHA destekli röleli ileti¸sim modeli için sinyal
iletiminde çöz ve aktar yöntemi kullanılmı¸stır. Bu yöntemde
röle, kaynaktan gelen i¸saret üzerinden kestirim yapar, tekrar
kodlar ve iletir. Alıcının kaynak ile röle arasındaki kanal durum
bilgisine sahip olması gerekmektedir. Hedef, röleden aldı˘
gı
sinyalleri birle¸stirerek mesaj sinyalini elde etmeye çalı¸sır. Bu
çalı¸smada da ˙
IHA’nın bir baz istasyonundan enerji hasatla-
yarak kaynaktan aldı˘
gı bilgiyi hedefe iletmesi beklenmektedir.
Önerilen modele ait enerji hasatlama modeli devre tasarımında
978-1-7281-7206-4/20/$31.00 c
2020 IEEE
Authorized licensed use limited to: ULAKBIM UASL - YILDIZ TEKNIK UNIVERSITESI. Downloaded on January 03,2023 at 08:23:08 UTC from IEEE Xplore. Restrictions apply.
¸Sekil 1: Enerji Hasatlama Devresi
kullanılan programlar kullanılarak modellenmi¸s ve enerji ha-
satlama devresinin hangi frekans aralı˘
gında maksimum enerji
hasatladı˘
gı ve zamana ba˘
glı olarak hasatlanan enerjinin miktarı
gözlemlenmi¸stir. Farklı modülasyon türleri için hem benzetim
hem de teorik olarak bit hata oranı (BER) hesapları yapılmı¸s
ve grafikleri elde edilmi¸stir. Tüm bunlara ek olarak, önerilen
modele ait yol kaybı hesaplanmı¸s ve buna ba˘
glı olarak kesinti
olasılı˘
gı farklı durumlar için elde edilmi¸stir.
II. ENERJ˙
IHASATLAMA MODEL˙
I
Multisim programı kullanılarak yukarıda gösterilen enerji
hasatlama devresi ˙
IHA’lı model için tasarlanmı¸stır [9]. RF
hasatlama devresi anten, do˘
grultucu, empedans uyumlandırma
ve enerji depolama gibi temel elemanlardan olu¸smaktadır.
RF enerji hasatlama i¸sleminde amaçlanan, daha geni¸s frekans
bandını kapsayan ve aldı˘
gı sinyalin gücünü daha yüksek bir
verimle DC yüke aktaran do˘
grultucu devreler tasarlamaktır
[10]. Tasarlanan devrenin çalı¸sma mantı˘
gı a¸sa˘
gıdaki gibi özet-
lenebilir.
•RF enerjisi anten tarafından toplanır. Bu toplanan
enerji minimum kayıpla empedans uygunla¸stırma dev-
resiyle RF do˘
grultucu devresine aktarılır ve DC enerji
elde edilir.
•Bu DC enerji, yüke iletilmeden önce DC filtre devresi
tarafından filtrelenir.
•¸Sekil 1’de çıkı¸sa ba˘
glanan R1direnci yük direncidir
yani enerji harcayan herhangi bir bile¸sendir.
•Bu elde edilen DC enerji, dü¸sük güç tüketen haber-
le¸sme teknolojilerinin batarya ömrünü uzatarak kablo
ve pil de˘
gi¸stirme gibi sorunlara etkili bir çözüm suna-
caktır [11].
Zamana ba˘
glı olarak hasatlanan voltaj de˘
gerleri ¸Sekil 2’de
görülmektedir. ¸Sekilde görülebilece˘
gi üzere oldukça kısa sü-
rede giri¸se uyguladı˘
gımız sinüzoidal 200mV genlikli AC sinyal
çıkı¸sta 2.6V DC sinyal olarak elde edilmi¸stir.
¸Sekil 2: Voltaj-Zaman Grafi˘
gi
¸Sekil 3: Voltaj-Frekans Grafi˘
gi
Elde edilen devreden alınan de˘
gerler kullanılarak çizi-
len grafik frekans ile de˘
gi¸sen çıkı¸s voltajları hakkında bilgi
vermektedir. Çıkı¸stan en yüksek voltaj elde edilen frekans
de˘
gerlerinin 10-100 MHz arasında oldu˘
gu tespit edilmi¸stir.
Giri¸se, maksimum çıkı¸s voltajı elde edilen frekans aralı˘
gını
geçiren bir filtre konularak enerji hasatlamadan maksimum
verim elde edilebilir.
III. S˙
ISTEM MODEL˙
I
˙
IHA bir baz istasyonundan enerji hasatlamaktadır. Hasat-
ladı˘
gı bu enerjiyi kaynaktan aldı˘
gı bilgiyi hedefe iletmek için
kullanmaktadır. Bu çalı¸smada kaynak ile ˙
IHA arasındaki ve
˙
IHA ile hedef arasındaki g1ve g2kanalları Nakagami-mka-
nalı olarak modellenmektedir. Nakagami-mkanalının olasılık
Authorized licensed use limited to: ULAKBIM UASL - YILDIZ TEKNIK UNIVERSITESI. Downloaded on January 03,2023 at 08:23:08 UTC from IEEE Xplore. Restrictions apply.
¸Sekil 4: ˙
IHA Sistem Modeli
yo˘
gunluk fonksiyonu a¸sa˘
gıdaki gibi ifade edilebilir [12]:
fk(k)=(
2mmk(2m
−1)
wmΓ(m))exp(−mk2
w),k ≥0(1)
Buna ek olarak çalı¸smada ele alınan ˙
IHA yol kaybı a¸sa˘
gıdaki
gibi modellenebilir [13]:
Lsr =βrα
sr (2)
Bu denklemde αve βparametreleri a¸sa˘
gıda verilmektedir:
β=(
4πf
c)2(3)
α=2.32 (4)
Burada ifade edilen rparametresi, noktalar arasındaki me-
safeyi göstermektedir ve rrd =(h)2+(drd)2olarak ifade
edilebilir.
IV. NÜMER˙
IK SONUÇLAR
TABLO I: Benzetim Parametreleri
dsr(Kaynak-Röle(metre)) 20,40,55,80,110
drd(Röle-Varı¸s Noktası(metre)) 10,30,45,75,100
h(Rölenin Yüksekli˘
gi(metre)) 15,35,50,70,105
frekans(Hz) 108
β17.546
α2.32
¸Sekil 5: Yol Kaybı Grafi˘
gi
¸Sekil 6: Kesinti Olasılı˘
gı Grafi˘
gi
Yol kaybı röle-hedef ya da röle-kaynak arası mesafenin
üstel fonksiyonu ¸seklinde artmaktadır. Yani rölenin kaynak
ve hedefe uzaklı˘
gı arttıkça yol kaybı artmaktadır. Bu üstel
fonksiyon beta katsayısı ile çarpılarak yol kaybı bulunmu¸s
olur. Beta katsayısı ise hasatlanan enerjinin frekansına ba˘
glıdır
ve karesi ile do˘
gru orantılıdır. Bu çalı¸smada, kaynak ile röle
arası yatay uzaklık 0-100 metre, röle ile hedef arası uzaklık
ise 100-200 metre ve rölenin yerden yüksekli˘
gi 20-120 metre
olarak alınmı¸stır. Röle ile hedef arası mesafe yakla¸sık 250
metre oldu˘
gunda yol kaybının 6×106yani yakla¸sık 68 dB
oldu˘
gu gözlemlenmi¸stir.
Kesinti olasılı˘
gı, sistem SNR de˘
gerinin belirlenen bir SNR
e¸sik de˘
gerinden dü¸sük olma olasılı˘
gıdır [14]. ˙
I¸sbirlikli siste-
min kesinti olasılı˘
gı hesaplanırken kaynak-röle ile röle-hedef
arasındaki kanalın SNR de˘
geri hesaplanıp kar¸sıla¸stırılmı¸stır.
Minimum olan SNR de˘
geri baz alınıp kesinti olasılı˘
gı bunun
üzerinden hesaplanmı¸stır. SNR e¸sik de˘
geri 10 dB olarak be-
lirlenmi¸stir. Kaynaktaki sinyalin gücü yani grafikteki ortalama
SNR de˘
gerleri 30 ile 100 dB arası belirlenmi¸stir. (varyans=1
kabul edilmi¸stir.) Kaynaktaki sinyalin gücü aynı zamanda
rölede hasatlanan enerjinin gücüne e¸sit alınmı¸stır. Kaynaktaki
sinyalin gücü artırıldı˘
gında kesinti olasılı˘
gının azaldı˘
gı görül-
mektedir. Kaynaktaki gücü 100 dB yaptı˘
gımızda ise kesinti
olasılı˘
gının 10−4’e kadar indi˘
gi görülmektedir.
BER, birim zaman ba¸sına bit hata sayısıdır. BER, genellikle
yüzde olarak ifade edilen birimsiz bir performans ölçümü-
dür. SNR sistem performansını tahmin etmek için önemli
bir parametredir [15]. Verici gücü arttıkça BER azalacaktır.
BPSK(˙
Ikili Faz Kaydırmalı Anahtarlama) için bu artı¸sdi
˘
ger
modülasyon türlerine göre daha hızlıdır [16]. SNR de˘
gi¸simine
ba˘
glı olarak de˘
gi¸sen BER oranları benzetim ve teorik için
ayrı ayrı hesaplanmı¸stır. Sonuçlardan da görüldü˘
gü gibi teorik
ile benzetim sonuçları birbirlerine oldukça yakın çıkmaktadır
ve bit sayısı artırıldıkça benzetim neredeyse tamamen teorik
hesaba benzeyecektir. Beklenildi˘
gi gibi BASK(˙
Ikili Genlik
Kaydırmalı Anahtarlama) hesabında, BASK iletiminde bilgi
genlikte tutuldu˘
gu ve gürültüden en çok etkilenen de sinyalin
genli˘
gi oldu˘
gu için hata oranı di˘
gerlerine kıyasla daha yüksek
çıkmı¸stır. Hata oranına göre sıralama yapıldı˘
gında en yüksek
hatadan en dü¸sük hataya do˘
gru sıralama ¸su ¸sekildedir:
•BASK(˙
Ikili Genlik Kaydırmalı Anahtarlama)
Authorized licensed use limited to: ULAKBIM UASL - YILDIZ TEKNIK UNIVERSITESI. Downloaded on January 03,2023 at 08:23:08 UTC from IEEE Xplore. Restrictions apply.
•BFSK(˙
Ikili Frekans Kaydırmalı Anahtarlama)
•BPSK(˙
Ikili Faz Kaydırmalı Anahtarlama)
¸Sekil 7: BER-SNR Performans Grafikleri
V. SONUÇ VE YORUMLAR
Bu çalı¸smada, enerji hasatlama ile i¸sbirlikli bir haber-
le¸sme sistemi birle¸stirilmi¸stir. Rölenin kaynak ve hedefe olan
uzaklıklarına ba˘
glı olarak de˘
gi¸sen yol kaybı hesapları elde
edilmi¸s ve rölenin kayna˘
ga veya hedefe olan uzaklı˘
gının
artmasıyla yol kaybının da arttı˘
gı gözlemlenmi¸stir. Rölenin
yerden yüksekli˘
gi, kayna˘
ga ve hedefe olan uzaklı˘
gı optimize
edilerek kaynak-röle ve röle-hedef arasındaki kanalların SNR
hesapları yapılmı¸stır. Bu iki kanaldan minimum SNR’a sahip
olan kanalın kesinti olasılı˘
gı hesaplanıp grafi˘
gi elde edilmi¸stir.
Kaynaktan gönderilen sinyalin gücü arttıkça kesinti olasılı˘
gının
azaldı˘
gı gözlemlenmi¸stir. Enerji hasatlama kısmında ise enerji
hasatlama devresi Multisim programıyla simüle edilmi¸sve
zamana ba˘
glı olarak hasatlanan voltaj de˘
gerlerini içeren grafik
elde edilmi¸stir. Devrede anten kullanılmamı¸s fakat antenin RF
sinyalini topladı˘
gı varsayılmı¸stır. Bu sinyal 200mV genli˘
ginde
AC bir sinyal olarak kabul edilmi¸stir. Bu sinyal farklı frekans-
lar altında DC sinyale çevrilmi¸stir. RF sinyalinin maksimum
verimle hasatlandı˘
gı frekans aralı˘
gı 10-100M Hz olarak tespit
edilmi¸stir. Bu frekans aralı˘
gında sistemimiz için maksimum
voltaj de˘
geri olan 2.6V büyüklü˘
günde bir DC sinyal elde
edilmi¸stir. Enerji hasatlama devresinin giri¸sine, sadece bu
maksimum verim elde edilen frekans aralı˘
gını geçiren bir filtre
konularak maksimum verimle enerji hasatlanabilir. Bu enerji
dü¸sük güç harcayan cihazlar için do˘
grudan kullanılabilece˘
gi
gibi daha sonra kullanılmak üzere de depolanabilir.
KAYNAKLAR
[1] BELEN, M. A. (2018). RF Enerji Hasatlama Sistemleri için Çift Bandlı
Greinacher Do˘
grultucu Devre Tasarımı. Mühendislik Bilimleri ve Tasarım
Dergisi, 6 (2), 348-353.
[2] Dr. Cahit Karaku¸s - Yük. Müh. Onur Tekir. Elektromanyetik Dalgalardan
Enerji Hasat Etmek
[3] Lu, X., Wang, P., Niyato, D., Kim, D. I., & Han, Z. (2014). Wireless
networks with RF energy harvesting: A contemporary survey. IEEE
Communications Surveys & Tutorials, 17(2), 757-789.
[4] Maç, M. M., Binici, Ü., Partal, H. P., Partal, S. Z., & Belen, M. A. (2014).
RF Enerji Toplayıcı Devre Tasarımı RF Energy Harvesting Circuit
Design. Eleco Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisli˘gi Sempozyumu
[5] CANSIZ (2018). M. 915 MHz ta¸sıyıcı frekansında RF enerji hasatlama.
DÜMF Mühendislik Dergisi, 10(1), 91-98.
[6] Babaei, M., Aygölü, Ü., & Basar, E. (2019). Cooperative AF relaying
with energy harvesting in Nakagami-m fading channel. Physical Com-
munication, 34, 105-113.
[7] Hamid, M., & Kostanic, I. (2014). Path Loss Prediction in Relay Station
Environment. In Transactions on Engineering Technologies (pp. 403-
416). Springer, Dordrecht.
[8] Ba¸saran, S. T., Kurt, G. K. (2017). ˙
I¸sbirlikli A ˘
g Kodlamalı OFDMA
Sistemleri için Röle Seçim Teknikleri. EMO B˙
IL˙
IMSEL DERG˙
I, 7(13),
17-23.
[9] Salman Y. Mansour. (2018). Design of Multi-Band RF Energy Harvesting
System Master Thesis
[10] Ömer KASAR. (2019). Geni¸s Bandlı Enerji Hasatlama Devrelerinin
Tasarımı ve Gerçeklenmesi. Doktora Tezi.
[11] Do˘
gay ALTINEL. RF Energy Harvesting In Wireless Communication
Systems Statistical Models for Battery Recharging Time. Yüksek Lisans
Tezi.
[12] Tang, L., & Hongbo, Z. (2003, November). Analysis and simulation of
Nakagami fading channel with MATLAB. In Asia-Pacific Conference on
Environmental Electromagnetics, 2003. CEEM 2003. Proceedings. (pp.
490-494). IEEE.
[13] Chen, Y., Zhao, N., Ding, Z., & Alouini, M. S. (2018). Multiple UAVs
as relays: Multi-hop single link versus multiple dual-hop links. IEEE
Transactions on Wireless Communications, 17(9), 6348-6359.
[14] ¸SAH˙
IN, H. ˙
I., & KAYA, H. Akıllı Antenli Hücresel ˙
Ileti¸sim Sistemle-
rinde Kesinti Olasılı˘
gının Hesaplanması.
[15] Shafik, R. A., Rahman, M. S., & Islam, A. R. (2006, December). On
the extended relationships among EVM, BER and SNR as performance
metrics.In 2006 International Conference on Electrical and Computer
Engineering (pp. 408-411). IEEE.
[16] Li, X., Liu, Y., Wang, J., & Liu, Y. (2017, December). Investigation on
the BER performance of BPSK and BFSK under different boresight.In
2017 IEEE 2nd Information Technology, Networking, Electronic and
Automation Control Conference (ITNEC) (pp. 443-447). IEEE.
Authorized licensed use limited to: ULAKBIM UASL - YILDIZ TEKNIK UNIVERSITESI. Downloaded on January 03,2023 at 08:23:08 UTC from IEEE Xplore. Restrictions apply.
