Leveraging peer to peer energy sharing for resource optimization

Phân tích hiệu quả của việc chia sẻ năng lượng ngang hàng (peer to peer) để tối ưu hóa tài nguyên.

Chuyên ngành

Computer Engineering (specialization in Computer Science)

Tác giả

Luan An

Thể loại

Luận án tiến sĩ

Năm xuất bản

Số trang

158

Thời gian đọc

24 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

50 Point

Tổng quan nhanh

Chủ đề:
Giao dịch năng lượng P2P: Tối ưu tài nguyên mạng di động
Số trang:
158 trang
Trường:
Virginia Commonwealth University
Chuyên ngành:
Computer Engineering (specialization in Computer Science)
Tác giả:
Năm:

Tóm tắt nội dung luận án

I.Giao dịch năng lượng P2P Tối ưu tài nguyên mạng di động

Nghiên cứu khám phá tiềm năng của giao dịch năng lượng P2P trong việc tối ưu hóa tài nguyên trong mạng xã hội di động. Mô hình này cho phép các thiết bị di động chia sẻ năng lượng trực tiếp với nhau. Điều này giải quyết hiệu quả các thách thức về pin và phân phối tài nguyên. Thiết bị di động không chỉ là người tiêu thụ mà còn có thể là nhà cung cấp năng lượng (prosumer). Phương pháp tiếp cận này tăng cường khả năng hoạt động của mạng. Đồng thời, nó cải thiện trải nghiệm người dùng. Tài liệu này cung cấp một cái nhìn tổng quan về các công nghệ chia sẻ năng lượng. Nó cũng phân tích cách mạng xã hội di động hưởng lợi từ việc sử dụng năng lượng tối ưu. Sự tích hợp giao dịch năng lượng P2P mở ra những con đường mới cho hiệu quả năng lượng và quản lý hệ thống.

1.1. Khái niệm và vai trò chia sẻ năng lượng P2P

Chia sẻ năng lượng P2P là quá trình chuyển giao điện năng trực tiếp giữa các thiết bị. Trong ngữ cảnh mạng di động, các điện thoại thông minh hoặc thiết bị cầm tay khác có thể trao đổi năng lượng. Quá trình này diễn ra thông qua kết nối có dây hoặc không dây tầm gần. Mục tiêu chính là duy trì hoạt động của thiết bị. Đồng thời, nó kéo dài tuổi thọ mạng tổng thể. Hệ thống quản lý năng lượng P2P giảm sự phụ thuộc vào nguồn sạc tập trung. Nó tạo ra một hệ thống năng lượng phân tán hiệu quả hơn. Khái niệm prosumer rất quan trọng ở đây, chỉ ra các thiết bị vừa sản xuất vừa tiêu thụ. Điều này định hình lại cách tài nguyên năng lượng được quản lý.

1.2. Mạng xã hội di động và tối ưu hóa tài nguyên

Mạng xã hội di động là môi trường lý tưởng cho việc chia sẻ năng lượng P2P. Các thiết bị thường xuyên gặp gỡ, tạo cơ hội cho giao dịch năng lượng. Tối ưu hóa tài nguyên bao gồm quản lý năng lượng, băng thông, và khả năng lưu trữ. Chia sẻ năng lượng P2P trực tiếp hỗ trợ giải quyết vấn đề pin. Pin yếu là một hạn chế lớn đối với hiệu suất mạng di động. Bằng cách chia sẻ, các thiết bị có thể duy trì kết nối lâu hơn. Điều này tăng cường sự ổn định và hiệu quả của mạng. Nó cũng cải thiện khả năng phân phối nội dung và dữ liệu.

1.3. Lợi ích của năng lượng P2P cho thiết bị di động

Việc triển khai năng lượng P2P mang lại nhiều lợi ích. Thiết bị có thể kéo dài thời gian hoạt động mà không cần ổ cắm. Điều này đặc biệt hữu ích trong các tình huống khẩn cấp hoặc khi di chuyển. Nó cũng tăng cường khả năng phục hồi của mạng trước các sự cố. Hiệu quả năng lượng tổng thể của hệ thống được cải thiện đáng kể. Giao dịch năng lượng P2P còn mở ra tiềm năng cho thị trường năng lượng cục bộ quy mô nhỏ. Các thiết bị có thể "bán" hoặc "mua" năng lượng từ các thiết bị lân cận. Điều này thúc đẩy một mô hình kinh tế tuần hoàn năng lượng. Đồng thời, nó tối ưu hóa việc sử dụng nguồn năng lượng phân tán (DER).

II.Cứu trợ sạc di động qua chia sẻ năng lượng P2P

Nghiên cứu tập trung vào việc giải quyết vấn đề cạn kiệt pin thiết bị di động. Chia sẻ năng lượng P2P cung cấp giải pháp hiệu quả cho "cứu trợ sạc di động". Các phương pháp tối ưu hóa, đặc biệt là lập trình động, được áp dụng. Mục tiêu là đạt được sự chuyển giao năng lượng hiệu quả nhất. Các kịch bản sạc được phân loại rõ ràng. Có sạc bảo toàn năng lượng và sạc hợp tác. Mỗi kịch bản có chiến lược tối ưu riêng. Việc tối ưu hóa không chỉ dừng lại ở cấp độ thiết bị đơn lẻ. Nó mở rộng ra toàn mạng, đảm bảo lợi ích chung. Điều này cải thiện đáng kể tuổi thọ pin và hiệu suất mạng tổng thể.

2.1. Giải pháp tối ưu hóa sạc pin thiết bị di động

Vấn đề cạn kiệt pin là một rào cản lớn đối với hiệu suất thiết bị di động. Năng lượng P2P cung cấp một cơ chế mới. Các thiết bị có thể sạc cho nhau khi gặp gỡ. Điều này giảm thiểu thời gian chết của thiết bị. Nó cũng tăng cường khả năng sẵn sàng của mạng. Hệ thống quản lý năng lượng tích hợp P2P cho phép dự đoán nhu cầu. Nó cũng tối ưu hóa lịch trình sạc. Giải pháp này đặc biệt quan trọng trong môi trường không có sẵn nguồn sạc truyền thống. Nó biến mỗi thiết bị thành một nguồn năng lượng phân tán (DER) tiềm năng.

2.2. Phương pháp lập trình động trong tối ưu sạc

Lập trình động (Dynamic Programming) là một công cụ mạnh mẽ. Nó được sử dụng để tối ưu hóa quyết định sạc. Phương pháp này xem xét các trạng thái năng lượng hiện tại và tương lai của thiết bị. Nó tính toán đường đi sạc tối ưu. Điều này bao gồm quyết định khi nào nên chia sẻ năng lượng. Nó cũng xác định lượng năng lượng cần chia sẻ. Mục tiêu là tối đa hóa lợi ích mạng hoặc cá nhân. Các thuật toán này đảm bảo việc sử dụng năng lượng hiệu quả nhất. Chúng cũng cân bằng giữa nhu cầu cá nhân và nhu cầu của mạng.

2.3. Sạc hợp tác và sạc bảo toàn năng lượng

Nghiên cứu phân biệt hai chế độ sạc chính. "Sạc bảo toàn năng lượng" ưu tiên duy trì năng lượng của thiết bị chủ. Thiết bị chỉ chia sẻ khi có đủ dư thừa. Ngược lại, "sạc hợp tác" tập trung vào lợi ích toàn mạng. Các thiết bị có thể chấp nhận mức năng lượng thấp hơn. Điều này nhằm sạc cho các thiết bị khác đang cần khẩn cấp. Mô hình sạc hợp tác có thể dẫn đến hiệu quả năng lượng cao hơn cho toàn bộ hệ thống. Nó tạo ra một hệ thống quản lý năng lượng linh hoạt hơn. Việc lựa chọn chế độ sạc phụ thuộc vào mục tiêu tối ưu hóa cụ thể.

III.Tối ưu phân phối nội dung với chia sẻ năng lượng P2P

Năng lượng là yếu tố giới hạn trong phân phối nội dung di động. Chia sẻ năng lượng P2P giải quyết trực tiếp thách thức này. Nó giúp thiết bị duy trì hoạt động lâu hơn. Điều này cho phép chúng tham gia tích cực hơn vào việc chuyển tiếp nội dung. Nghiên cứu áp dụng lý thuyết dừng tối ưu. Mục tiêu là đưa ra quyết định chia sẻ nội dung và năng lượng hiệu quả nhất. Nó xem xét mối quan hệ phức tạp giữa năng lượng hiện có và thời gian hoạt động còn lại. Các thuật toán so sánh đã chứng minh hiệu quả của phương pháp này. Việc tối ưu hóa này tăng cường thông lượng và độ tin cậy của việc phân phối nội dung.

3.1. Năng lượng P2P thúc đẩy phân phối nội dung

Trong mạng di động, thiết bị cần năng lượng để truyền, nhận và lưu trữ nội dung. Hạn chế về pin thường dẫn đến gián đoạn phân phối. Chia sẻ năng lượng P2P cho phép thiết bị "nạp năng lượng" cho nhau. Điều này duy trì khả năng hoạt động của chúng. Nó giúp các thiết bị tiếp tục chuyển tiếp thông tin. Điều này đặc biệt quan trọng trong các mạng không có cơ sở hạ tầng cố định. Năng lượng P2P biến các thiết bị thành các nút chuyển tiếp đáng tin cậy hơn. Nó nâng cao hiệu quả năng lượng tổng thể của hệ thống phân phối.

3.2. Lý thuyết dừng tối ưu và chia sẻ năng lượng

Lý thuyết dừng tối ưu được sử dụng để ra quyết định chiến lược. Nó xác định thời điểm tối ưu để thực hiện một hành động. Trong bối cảnh này, hành động là chia sẻ năng lượng hoặc nội dung. Các thiết bị cần quyết định khi nào nên chia sẻ năng lượng cho một thiết bị khác. Điều này giúp thiết bị đó chuyển tiếp nội dung đến đích. Quyết định này cân bằng giữa lợi ích ngắn hạn và dài hạn. Nó tính toán chi phí năng lượng so với giá trị của việc phân phối nội dung. Phương pháp này đảm bảo việc sử dụng năng lượng một cách thông minh.

3.3. Quyết định chia sẻ nội dung và năng lượng tối ưu

Quyết định tối ưu liên quan đến cả nội dung và năng lượng. Thiết bị phải đánh giá giá trị của nội dung cần phân phối. Đồng thời, nó phải xem xét lượng năng lượng cần thiết cho việc đó. Thời gian hoạt động còn lại của thiết bị đóng vai trò quan trọng. Nếu một thiết bị có năng lượng dồi dào, nó có thể chia sẻ nhiều hơn. Nếu năng lượng thấp, nó có thể ưu tiên duy trì hoạt động cho chính mình. Các thuật toán so sánh đã chứng minh hiệu quả. Chúng cho thấy cách việc chia sẻ năng lượng P2P cải thiện đáng kể tỷ lệ phân phối nội dung. Đồng thời, nó kéo dài tuổi thọ của mạng.

IV.Cân bằng năng lượng mạng Giải pháp P2P hiệu quả

Nghiên cứu giải quyết vấn đề mất cân bằng năng lượng trong mạng di động. Chia sẻ năng lượng P2P cung cấp cơ chế mạnh mẽ để cân bằng năng lượng. Điều này đảm bảo phân phối đồng đều hơn giữa các thiết bị. Nó tăng cường sự ổn định và hiệu quả tổng thể của mạng. Các chiến lược được phát triển cho cả mạng liên kết đầy đủ và liên kết một phần. Nó bao gồm cả trao đổi năng lượng một hop và đa hop. Các giao thức cân bằng năng lượng khác nhau được so sánh. Mục tiêu cuối cùng là tối đa hóa tuổi thọ của mạng. Việc này giúp cải thiện đáng kể khả năng phục hồi của hệ thống.

4.1. Cân bằng năng lượng trong mạng liên kết đầy đủ

Trong mạng liên kết đầy đủ, mỗi thiết bị có thể giao tiếp với mọi thiết bị khác. Điều này đơn giản hóa việc chuyển giao năng lượng. Các giao thức như Greedy Positive First (PGP), Greedy Closer First (PGC) và Greedy Optimal (PGO) được nghiên cứu. PGP ưu tiên chia sẻ năng lượng với các thiết bị có năng lượng thấp nhất. PGC tập trung vào các thiết bị gần nhất. PGO tìm kiếm giải pháp tối ưu toàn cục. Mục tiêu là cân bằng mức năng lượng đồng đều nhất. Điều này giúp ngăn chặn việc một thiết bị cạn kiệt năng lượng sớm. Nó góp phần kéo dài tuổi thọ mạng tổng thể.

4.2. Cân bằng năng lượng trong mạng liên kết một phần

Mạng liên kết một phần phản ánh thực tế hơn. Các thiết bị không thể kết nối trực tiếp với tất cả các thiết bị khác. Thách thức lớn hơn ở đây. Các giải pháp bao gồm trao đổi năng lượng một hop. Năng lượng chỉ được chuyển giữa các thiết bị lân cận trực tiếp. Trao đổi đa hop cũng được xem xét. Năng lượng có thể đi qua nhiều thiết bị trung gian. Điều này giúp năng lượng đến được các thiết bị xa hơn. Việc tối ưu hóa ở đây phức tạp hơn. Nó yêu cầu các giao thức thông minh hơn để tìm đường truyền hiệu quả. Nó hỗ trợ tích hợp năng lượng tái tạo và hiệu quả năng lượng.

4.3. Các giao thức cân bằng năng lượng P2P

Nghiên cứu so sánh nhiều giao thức cân bằng năng lượng. Mỗi giao thức có ưu nhược điểm riêng. Các giao thức này quản lý quá trình ra quyết định. Chúng xác định thiết bị nào nên chia sẻ hoặc nhận năng lượng. Chúng cũng quyết định lượng năng lượng được trao đổi. Sự so sánh này đánh giá hiệu suất của chúng. Tiêu chí bao gồm tốc độ cân bằng, hiệu quả năng lượng và tác động đến tuổi thọ mạng. Việc lựa chọn giao thức phù hợp là rất quan trọng. Nó đảm bảo hệ thống quản lý năng lượng hoạt động tối ưu. Nó cũng giúp duy trì lưới điện di động ổn định.

V.Hệ thống quản lý năng lượng P2P Tối ưu hiệu quả

Tổng kết nghiên cứu khẳng định vai trò của chia sẻ năng lượng P2P. Nó không chỉ là một tính năng đơn lẻ. Nó là một hệ thống quản lý năng lượng toàn diện cho mạng di động. Mô hình này mang lại hiệu quả vượt trội trong việc tối ưu hóa tài nguyên. Nó giải quyết các vấn đề từ sạc di động đến phân phối nội dung và cân bằng năng lượng. Tiềm năng mở rộng của nó rất lớn. Nó có thể áp dụng cho các hệ thống năng lượng phân tán rộng hơn. Điều này bao gồm thị trường năng lượng cục bộ và microgrid. Hướng nghiên cứu tương lai hứa hẹn phát triển hơn nữa các giải pháp này.

5.1. Tích hợp P2P vào quản lý năng lượng thông minh

Chia sẻ năng lượng P2P là một thành phần thiết yếu của hệ thống quản lý năng lượng thông minh. Nó cho phép phân phối năng lượng linh hoạt và theo nhu cầu. Hệ thống có thể tự động điều chỉnh việc chia sẻ. Điều này dựa trên tình trạng năng lượng của từng thiết bị. Nó cũng căn cứ vào yêu cầu của mạng. Sự tích hợp này tạo ra một lưới điện di động tự trị. Lưới này có khả năng tự phục hồi và tối ưu hóa cao. Nó đại diện cho một bước tiến lớn trong tối ưu hóa lưới điện. Nó cũng hỗ trợ việc tích hợp năng lượng tái tạo vào hệ sinh thái di động.

5.2. Hướng nghiên cứu tương lai cho năng lượng P2P

Nghiên cứu mở ra nhiều hướng phát triển trong tương lai. Cần khám phá thêm về cơ chế khuyến khích cho việc chia sẻ năng lượng. Nó cũng cần nghiên cứu về các mô hình kinh doanh tiềm năng. Việc tích hợp công nghệ blockchain có thể tăng cường tính bảo mật. Nó cũng có thể nâng cao tính minh bạch của giao dịch năng lượng P2P. Ngoài ra, việc mở rộng ứng dụng cho các kịch bản mạng khác là cần thiết. Điều này bao gồm Internet of Things (IoT) và smart cities. Cần phát triển thêm các thuật toán học máy. Chúng giúp dự đoán nhu cầu năng lượng và tối ưu hóa chia sẻ.

5.3. Tiềm năng ứng dụng rộng rãi của mô hình P2P

Mô hình chia sẻ năng lượng P2P có tiềm năng ứng dụng vượt ra ngoài mạng xã hội di động. Nó có thể là nền tảng cho các thị trường năng lượng cục bộ. Các hộ gia đình hoặc doanh nghiệp nhỏ có thể trao đổi năng lượng với nhau. Nó cũng là thành phần quan trọng của microgrid. Microgrid có thể hoạt động độc lập hoặc kết nối với lưới điện chính. Việc này thúc đẩy hiệu quả năng lượng và bền vững. Nó cũng giảm bớt gánh nặng cho cơ sở hạ tầng năng lượng truyền thống. Việc này mang lại một cách tiếp cận mới để quản lý nguồn năng lượng phân tán (DER).

Mục lục chi tiết luận án

Lời cảm ơn
Danh mục bảng
Danh mục hình vẽ
Tóm tắt
1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1. Động lực nghiên cứu
1.2. Cấu trúc của luận án
2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Các công nghệ chia sẻ năng lượng
2.2. Mạng xã hội di động
2.3. Sử dụng năng lượng tối ưu
2.4. Chia sẻ năng lượng để truyền tải nội dung
2.5. Phân phối năng lượng để cân bằng
3. CHƯƠNG 3: GIẢM TẢI SẠC DI ĐỘNG THÔNG QUA CHIA SẺ NĂNG LƯỢNG P2P
3.1. Tối ưu hóa dựa trên quy hoạch động
3.1.1. Tối ưu hóa cho sạc bảo thủ
3.1.2. Tối ưu hóa cho sạc hợp tác
3.2. Tối ưu hóa toàn mạng
4. CHƯƠNG 4: TRUYỀN TẢI NỘI DUNG VỚI CHIA SẺ NĂNG LƯỢNG P2P
4.1. Lý thuyết dừng tối ưu
4.2. Quan hệ giữa năng lượng và thời gian sống còn lại
4.3. Chia sẻ nội dung và năng lượng tối ưu
4.4. So sánh các thuật toán
5. CHƯƠNG 5: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG VỚI CHIA SẺ NĂNG LƯỢNG P2P
5.1. Cân bằng năng lượng cho đồ thị kết nối đầy đủ
5.1.1. Cân bằng năng lượng tham lam ưu tiên dương (PGP)
5.1.2. Cân bằng năng lượng tham lam ưu tiên gần hơn (PGC)
5.1.3. Cân bằng năng lượng tham lam tối ưu (PGO)
5.2. Cân bằng năng lượng cho đồ thị kết nối một phần
5.2.1. Cân bằng năng lượng với trao đổi năng lượng đơn chặng
5.2.1.1. Cân bằng năng lượng tối ưu
5.2.1.2. Giao thức cân bằng năng lượng
5.2.2. Cân bằng năng lượng với trao đổi năng lượng đa chặng
5.2.2.1. Cân bằng năng lượng tối ưu
5.2.2.2. Giao thức cân bằng năng lượng
5.3. So sánh các giao thức cân bằng năng lượng
5.3.1. Đồ thị kết nối đầy đủ
5.3.2. Đồ thị kết nối một phần
6. CHƯƠNG 6: THẢO LUẬN VỀ TỐI ĐA HÓA THỜI GIAN SỐNG CỦA MẠNG
7. CHƯƠNG 7: HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI
Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Leveraging peer to peer energy sharing for resource optimization

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (158 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

Virginia Commonwealth University VCU Scholars Compass Theses and Dissertations Graduate School 2020 LEVERAGING PEER-TO-PEER ENERGY SHARING FOR RESOURCE OPTIMIZATION IN MOBILE SOCIAL NETWORKS Aashish Dhungana Virginia Commonwealth University Follow this and additional works at: https://scholarscompass.edu/etd Part of the Digital Communications and Networking Commons, and the Theory and Algorithms Commons © The Author Downloaded from https://scholarscompass.edu/etd/6439 This Dissertation is brought to you for free and open access by the Graduate School at VCU Scholars Compass. It has been accepted for inclusion in Theses and Dissertations by an authorized administrator of VCU Scholars Compass. For more information, please contact libcompass@vcu. c Aashish Dhungana, October 2020 All Rights Reserved.

LEVERAGING PEER-TO-PEER ENERGY SHARING FOR RESOURCE OPTIMIZATION IN MOBILE SOCIAL NETWORKS A dissertation submitted in fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy at Virginia Commonwealth University. by AASHISH DHUNGANA Doctorate in Computer Engineering with specialization in Computer Science - 2016-2020 Director: Dr. Eyuphan Bulut, Associate Professor, Department of Computer Science Virginia Commonwewalth University Richmond, Virginia October, 2020 i Acknowledgements First, I would like to acknowledge and express my sincere gratitude to my honorable advisor Dr. Eyuphan Bulut, for his direction, assistance, and invaluable guidance.

I would also like to thank Dr. Tomasz Arodz, Dr. Kostadin Damevski, Dr. Kemal Akkaya and Dr.

Yanxiao Zhao for their kind approval to join my dissertation committee and for providing guidance and valuable feedback. I would also like to acknowledge and thank my family for their continuous assistance during my entire academic journey. ii TABLE OF CONTENTS Chapter Page Acknowledgements. ii Table of Contents.

iii List of Tables. v List of Figures .3 Organization of the Dissertation .1 Energy Sharing Technologies .2 Mobile Social Networks .1 Optimal Energy Usage .2 Energy Sharing for Content Delivery .3 Energy Distribution for Balancing. 17 3 Mobile Charging Relief via P2P Energy Sharing .3 Dynamic Programming based Optimization .1 Optimization for Conservative Charging .2 Optimization for Cooperative Charging .4 Network-wise Optimization. 47 4 Content Delivery with P2P Energy Sharing .3 Optimal Stopping Theory .2 Energy and Residual Time-to-Live relation .3 Optimal Content and Energy Sharing .1 Algorithms in Comparison.

71 5 Energy Balancing with P2P Energy Sharing .3 Energy Balancing for Fully Connected Graphs .1 Greedy Positive First Energy Balancing (PGP ) .2 Greedy Closer First Energy Balancing (PGC ) .3 Greedy Optimal Energy Balancing (PGO ) .4 Energy Balancing for Partially Connected Graphs .1 Energy Balancing with Single Hop Energy Exchanges .1 Optimal Energy Balance .2 Energy Balancing Protocols .2 Energy Balancing with Multi-Hop Energy Exchanges .1 Optimal Energy Balance .2 Energy Balancing Protocol .1 Energy Balancing Protocols in Comparison .4 Fully Connected Graphs .5 Partially Connected Graphs .6 Discussion on Network Lifetime Maximization. 123 7 Future Research Directions. 142 v LIST OF TABLES Table Page 1 A summary of current research using energy sharing in mobile social networks. 18 2 Notations used in Chapter 3.

23 3 (Source, destination) index assignments for D matrix’s fourth dimen- sion based on charging decisions of users with different types of decision blocks. 34 4 Optimal charging decisions in each charging scenario. 40 5 Charging decisions for each decision block in cooperative case. 41 6 Notations used in Chapter 4.

57 7 Decisions with forwarding and sharing. 59 8 Simulation settings for Chapter 4. 63 9 Energy transfer amounts between nodes and final energy levels of nodes for scenarios in Fig.20 with 80% transfer efficiency. 75 10 Notations used in Chapter 5.

78 vi LIST OF FIGURES Figure Page 1 The scenarios considered for energy sharing in different mobile network applications. 4 2 Energy sharing scenarios in a mobile social network consisting of smart mobile devices. The energy sharing can be achieved in a conductive manner via a sharing cable or a gadget or through near-field wireless power transfer. 14 3 Source node charges itself at a charger and when it meets with a mes- senger offering better delivery option for its message to a specific des- tination, it transfers the message as well as the sufficient energy for the messenger to carry it to the destination.

16 4 Charging patterns and decision points of two users. 25 5 Total duration with energy exchange opportunity determined by the intersection of user meetings, charging patterns and charging decisions of users. 32 6 Dynamic programming table cell updates in the fourth dimension on a sample charging pattern of two users with different charging types included in decision blocks. 33 7 Charging patterns and skips after cooperative charging.

Arrows show the direction and the amount of energy shared between the users. 40 8 Statistics from real mobile network traces: a) distribution of number of meetings between pairs of nodes, b) hourly distribution of meeting times between nodes during a day, and c) distribution of meeting durations. 43 9 CDF of mobile charging relief obtained among all users and pairs with conservative and collaborative charging, respectively. 44 10 Average mobile charging relief with conservative and different collab- orative charging cases.

45 vii 11 Average mobile charging relief with different number of days of data used. 46 12 Impact of wireless power transfer efficiency and speed on the average mobile charging relief. 47 13 An illustration of energy sharing based content delivery in opportunis- tic networks, where energy is used as an incentive to carry a message copy. 50 14 An example opportunistic network with mean intermeeting times de- noted as the weights of the edges on the graph.

52 15 Delivery rate, delay and number of forwardings versus time-to-live in Cambridge dataset. 67 16 Delivery rate, delay and number of forwardings versus time-to-live in Haggle dataset. 68 17 Delivery rate, delay and number of forwardings versus time-to-live in synthetic dataset. 69 18 Impact of loss rate, transfer efficiency and available partial link weight on the performance ratio of sharing over forwarding.

70 19 Energy balancing through interactions between nodes at opposite sides of the average energy in the network. 73 20 (a) Energy balancing in a fully connected contact graph. (b) Energy balancing in a partially connected contact graph. (c) Energy Balancing with time limit of 50.

Edges represent that the nodes meet each other opportunistically with an average intermeeting time shown as link weight. 74 21 Optimal target average energy for different energy loss rates for a large- scale network with uniform energy distributions. 86 22 An example contact graph with 3 nodes: (a) Perfect energy balanc- ing is possible with single hop energy exchanges. (b) Perfect energy balancing requires multi-hop energy exchanges (with β = 0.

94 viii 23 Comparison of proposed algorithms with the state-of-the-art algorithm in terms of (a) variation distance, (b) total energy remaining in the network, (c) total number of interactions, (d) variation distance at each total energy level and (e) variation distance at each total number of interactions (when β=0. (f) shows the impact of different loss rates on PGO performance. 107 24 Impact of time threshold (τ ) and loss rate (β) on optimal average en- ergy achievable (Eopt ) and corresponding variation distance and total loss at Eopt with expected meeting probability threshold p = 1 − 1/e = 0. 109 25 Comparison of protocols in terms of (a) variation distance, (b) total energy remaining in the network, (c) total number of interactions, (d) variation distance at each total energy level and (e) variation distance at each total number of interactions (when β=0.63) using regular synthetic traces.

(f) shows variation distance with p=0. 111 26 Comparison of protocols in terms of (a) total energy remaining in the network, (b) variation distance at each total energy level and (c) variation distance at each total number of interactions (when β=0.63) using regular synthetic traces. (d) shows total energy remaining in the network with p=0. 113 27 Comparison of protocols in terms of (a) variation distance, (b) total energy remaining in the network, (c) total number of interactions, (d) variation distance at each total energy level and (e) variation distance at each total number of interactions (when β=0.63) using Cambridge traces.

114 28 Comparison of all algorithms in terms of (a) variation distance, (b) to- tal energy remaining in the network, (c) total number of interactions, (d) variation distance at each total energy level and (e) variation dis- tance at each total number of interactions (when β=0.8) using group-based synthetic traces. 116 ix 29 Comparison of PLE and PM LE in terms of (a) variation distance, (b) total energy remaining in the network, and (c) total number of inter- actions under different inter-group contact sparsity (γ) in group-based synthetic traces (p = 0. 118 30 Comparison of protocols in terms of achievable network lifetime with balancing and lifetime maximization objective functions and different γ values (when β=0.8) using group-based synthetic traces. 120 x Abstract LEVERAGING PEER-TO-PEER ENERGY SHARING FOR RESOURCE OPTIMIZATION IN MOBILE SOCIAL NETWORKS By Aashish Dhungana A dissertation submitted in fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy at Virginia Commonwealth University.

Virginia Commonwealth University, 2020. Eyuphan Bulut, Associate Professor, Department of Computer Science Mobile Opportunistic Networks (MSNs) enable the interaction of mobile users in the vicinity through various short-range wireless communication technologies (e., Bluetooth, WiFi) and let them discover and exchange information directly or in ad hoc manner. Despite their promise to enable many exciting applications, limited battery capacity of mobile devices has become the biggest impediment to these appli- cations. The recent breakthroughs in the areas of wireless power transfer (WPT) and rechargeable lithium batteries promise the use of peer-to-peer (P2P) energy sharing (i., the transfer of energy from the battery of one member of the mobile network to the battery of the another member) for the efficient utilization of scarce energy resources in the network.

However, due to uncertain mobility and communication opportunities in the network, resource optimization in these opportunistic networks is very challenging. In this dissertation, we study energy utilization in three different applications in Mobile Social Networks and target to improve the energy efficiency in the network by benefiting from P2P energy sharing among the nodes. More specifi- xi cally, we look at the problems of (i) optimal energy usage and sharing between friendly nodes in order to reduce the burden of wall-based charging, (ii) optimal content and energy sharing when energy is considered as an incentive for carrying the content for other nodes, and (iii) energy balancing among nodes for prolonging the network lifetime. We have proposed various novel protocols for the corresponding applications and have shown that they outperform the state-of-the-art solutions and improve the energy efficiency in MSNs while the application requirements are satisfied.

xii CHAPTER 1 INTRODUCTION About 5 billion users are carrying a mobile device with a service around the globe [1]. The various uses of these devices and increasing popularity of software applications such as email, Facebook, and maps have made people highly dependent on mobile devices. This intensive use of mobile devices has brought a huge load on battery re- quirements. The hardware capabilities have significantly improved since the advent of smartphones but the development of powerful batteries have not taken the necessary pace, making the batteries the main bottleneck.

The charge on most smartphones lasts about one day with average usage, or less with intensive usage (e., social sens- ing [2]). As a result, users are required to charge their devices frequently. The most common practice for users is to charge their phones by connecting them to a wall outlet through charging cables. This requires users to carry a charging cable and find an outlet, which is mostly available indoors.

Thus, the charging process can potentially be irritating and sometimes infeasible. With the integration of built-in wireless charging capability in recent phones (including iPhone 8 and X [3]), users are relieved from the need to carry charging cables but the current application of wireless charging is very limited as it requires not the phone but the charging mat to be con- nected to an outlet.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Trích dẫn luận án này

Aashish Dhungana (2020). Leveraging peer to peer energy sharing for resource optimiza [Luận án tiến sĩ, Virginia Commonwealth University]. LuanAn.net. https://luanan.net/nang-luong-moi-truong/nang-luong-tai-tao/leveraging-peer-to-peer-energy-sharing-for-resource-optimization

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Leveraging peer to peer energy sharing for resource optimiza" nghiên cứu về vấn đề gì?

Phân tích hiệu quả của việc chia sẻ năng lượng ngang hàng (peer to peer) để tối ưu hóa tài nguyên.

Luận án "Leveraging peer to peer energy sharing for resource optimiza" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại Virginia Commonwealth University. Năm bảo vệ: 2020.

Luận án "Leveraging peer to peer energy sharing for resource optimiza" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Leveraging peer to peer energy sharing for resource optimiza" thuộc chuyên ngành Computer Engineering (specialization in Computer Science). Danh mục: Năng Lượng Tái Tạo.

Luận án "Leveraging peer to peer energy sharing for resource optimiza" có bao nhiêu trang?

Luận án "Leveraging peer to peer energy sharing for resource optimiza" có 158 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Leveraging peer to peer energy sharing for resource optimiza" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter