Waveform design for optimal wireless power transfer using evolutionary algorithms
Creators: name: Δοάνης, Παύλος Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Ασύρματη μεταφορά ισχύος
Εξελικτικοί αλγόριθμοι
Σχεδίαση κυματομορφών
Wireless power transfer
Evolutionary algorithms
Waveform design

description: Η ασύρματη μεταφορά ισχύος αποτελεί μία από τις πιο σημαντικές λειτουργίες στα παθητικά UHF RFID συστήματα. Η περιοχή ανάγνωσης τέτοιων συστημάτων περιορίζεται συνήθως από το κατώφλι ευαισθησίας του ολοκληρωμένου κυκλώματος της RFID ετικέτας στην κατερχόμενη ζεύξη, ενώ η αξιοπιστία τους υποβαθμίζεται από φαινόμενα διάλειψης όταν το κανάλι διάδοσης είναι πολλαπλής όδευσης. Ο κύριος σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η εφαρμογή κάποιων από τους γνωστούς εξελικτικούς αλγόριθμους για τη βελτιστοποίηση των εκπεμπόμενων κυματομορφών που χρησιμοποιούνται για ασύρματη μεταφορά ισχύος. Αυτές οι κυματομορφές θα μπορούν να εκμεταλευτούν τόσο την μη γραμμική συμπεριφορά του ανορθωτικού κυκλώματος της RFID ετικέτας όσο και την πληροφορία κατάστασης του καναλιού, για να αυξήσουν την ισχύ του συνεχούς ρεύματος στην έξοδο του ανορθωτή της RFID ετικέτας και επομένως την περιοχή ανάγνωσης. Εκτός από την εφαρμογή διάφορων εξελικτικών αλγορίθμων και τη σύγκριση των επιδόσεών τους, θα διερευνήσουμε αν αυτοί οι αλγόριθμοι μπορούν να πετύχουν καλύτερα αποτελέσματα από τις ήδη χρησιμοποιούμενες μεθόδους βελτιστοποίησης. Για το σκοπό αυτό θα χρησιμοποιήσουμε ένα μοντέλο συστήματος μονής εισόδου-μονής εξόδου. Αυτό αποτελείται από έναν πομπό, το κανάλι διάδοσης και έναν δέκτη κεραία-ανορθωτή. Μέσω αυτού του μοντέλου μπορούμε να προσομοιώσουμε τη λειτουργία ασύρματης μεταφοράς ισχύος σε ένα παθητικό UHF RFID σύστημα ή γενικότερα σε οποιοδήποτε σύστημα περιλαμβάνει τέτοια λειτουργία. Έτσι, μπορούμε να υπολογίσουμε τις εκπεμπόμενες και λαμβανόμενες κυματομορφές αλλά και την ισχύ του ανορθωμένου σήματος στην έξοδο της κεραίας-ανορθωτή με χρήση Matlab. Το πρόβλημα της βελτιστοποίησης των εκπεμπόμενων κυματομορφών διερευνάται τόσο σε συχνοτικά επίπεδο κανάλι όσο και σε κανάλια διάδοσης πολλαπλών διαδρομών. Τέσσερις διαφορετικοί εξελικτικοί αλγόριθμοι εφαρμόζονται με επιτυχία και δίνουν πανομοιότυπα αποτελέσματα, με τον CoDE να ξεχωρίζει επειδή εντοπίζει τις βέλτιστες λύσεις με λιγότερους υπολογισμούς της συνάρτησης στόχου. Επομένως, φαίνεται ότι η μορφή της συνάρτησης στόχου δεν είναι ιδιαιτέρως πολύπλοκη. Αυτά τα αποτελέσματα είναι επίσης παρόμοια με τα αποτελέσματα που εξασφαλίζουν οι ήδη χρησιμοποιούμενες μέθοδοι βελτιστοποίησης. Αυτό το εύρημα αποτελεί ένδειξη ότι παρά την απλότητά τους, οι υπάρχουσες μέθοδοι πιθανότατα εντοπίζουν τις ολικά βέλτιστες λύσεις στα υπό μελέτη κανάλια διάδοσης. Τέλος, επαληθεύεται ότι οι κυματομορφές που σχεδιάζονται μέσω της μεθόδου επεξεργασίας σήματος time reversal είναι συχνά σχεδόν όσο αποδοτικές είναι και οι βελτιστοποιημένες
description: Wireless power transfer is one of the most important functions in passive UHF RFID systems. The read range of such systems is usually limited by the RFID tag’s chip sensitivity threshold in the downlink, while their reliability is degraded by the fading effects when the propagation channel is multipath. The main purpose of this thesis is to apply some well known evolutionary algorithms for the optimization of the transmitted waveforms used for wireless power transfer. These waveforms will be able to exploit both the nonlinear behavior of the tag’s rectifying circuit and the channel state information, in order to increase the DC power on the output of the tag’s rectifier and consequently the read range. Apart from the application of different evolutionary algorithms and the performance comparison among them, we will investigate if they can introduce any improvement to the optimization methods already in use. To this end, we consider a single input-single output system model. This model consists of a transmitter, the propagation channel and a receiver rectenna. Based on this system model we can simulate the wireless power transfer function in a passive UHF RFID system or in any system that incorporates this function. In this way we can calculate the transmitted and received waveforms, as well as the rectified DC power on the rectenna’s output using Matlab routines. The waveform optimization problem is investigated both for a frequency flat channel and for multipath propagation channels. Four different evolutionary algorithms are applied successfully and they give identical results, with CoDE standing out for tracking the optimal solutions with less objective function evaluations. Hence, it seems that the objective function’s landscape is not very challenging. These results are also similar to the results obtained by the optimization methods already in use. This finding is an indication that, despite their simplicity, the existing methods probably track the globally optimal solutions for the investigated propagation channels. It is also verified that the waveforms designed by time reversal processing are often almost as efficient as the optimized ones in multipath propagation channels