無線數據及能量協同傳輸技術研究

黃一軒

摘 要：本文首先介紹了無線網絡的模型及其特點，對無線網所涉及的模型、協議、理論基礎等做了簡單概述，包括能量收割技術模型和無線能量傳輸模型，在無線能量傳輸的基礎上引入無線供電通信網絡，著重分析研究了無線能量接受機制和能量管理機制。

關鍵詞：無線；能量傳輸；協同技術

1 緒論

無線技術的發展使得人們對于無線設備的續航能力提出了更高的要求，然而傳統的供電或者充電模式阻礙了應用的發展。比如，對數量龐大的傳感器節點進行有線充電或者更換電池時成本較大（例如無線傳感器網絡中）；甚至有時在許多關鍵應用中不能進行充電或更換電池操作（例如植入人體的醫療設備）。目前，針對這樣一個緊迫的問題，一種有效的做法是致力于降低無線網絡的能耗，優化傳輸協議。包括節能電路的設計，節能通信技術、節能協議以及節能軟件、應用等的設計開發。

除了減少能源消耗這個思路外，新能源的使用為我們開辟了另一個新的研究方向。例如，能量收割（Energy Harvesting EH）可以從周圍環境中收集光能、潮汐能、電磁能等可再生能源。這些能源具有可再生、綠色等優點，但是這些能量在被收割的過程中不可預測，而且很難控制，這些問題在很大程度上限制了能量收割技術的推廣使用。為了能夠提供更加可預測、可控的能量來源，無線能量傳輸（Wireless Energy Transfer WET）技術應運而生，彌補了傳統能量收割中的技術缺陷。隨著硬件技術的發展，基于能量收割的無線網絡將廣泛應用在現實生活中，并且這種無線網絡理論上具有無限的生命期。能量收割技術可以收集外部能量來為節點供電，從而增加節點的壽命和能力。給定節點的能量使用情況，能量收割技術可以滿足其部分或全部能量需求。射頻信號作為可遠程傳輸、可控的能量來源，近年來受到了研究人員的廣泛關注。基于射頻信號的能量收割技術是該領域目前主要的目前方向。

2 無線能量傳輸技術

無線能量傳輸是指在沒有線路連接的情況下，從電源向能量負載傳輸能量。一般來說，無線能量傳輸技術可以基于三種不同的機制實現，即電感耦合，磁共振耦合和電磁（Electromagnetic EM）輻射。電感耦合和磁共振耦合都是基于近場耦合的，其中能量通過磁場穿過彼此靠近的線圈傳輸。特別是，通過在系統中增加補償電容器，磁諧振耦合實現了線圈之間的諧振。兩種近場技術具有較高的能量傳輸效率，但是操作距離很小。電感耦合在幾厘米內運行，而磁耦合一般在幾厘米到幾米之間。因此，這兩種技術僅限于短距離應用。另外，這兩種技術同時向位于大空間的任意數量的分布式負載供電是很難實現的。

相比之下，基于電磁輻射的無線能量傳輸或者具有射頻功能的無線能量傳輸利用了電磁波的遠場輻射特性，通過這種特性，電磁場與射頻信號通過空間遠程傳播，遠程設備能夠從捕獲的射頻信號中收割能量。通常，支持射頻的無線能量傳輸可以支持更遠的操作距離，從幾米到幾十米，這取決于不同的接收器靈敏度。據Powercast公司報道，發射功率為3瓦（W），接收器能夠在5米（m）的距離上獲得159μW的功率。在發射功率為1.7W的情況下，接收器在27m距離處獲得了2μW的功率。而且，射頻信號的廣播性質使得它能夠同時為大量的分布式設備供電，這使得射頻信號特別適用于諸如無線傳感器網絡或物聯網的應用。本文將重點研究基于射頻信號的無線能量傳輸。

3 系統模型

3.1 能量接收機制

在基于射頻的無線能量傳輸系統中，部署了能量發射器或能量接入點（Energy Access Point EAP）以向分布式用戶廣播射頻信號。為了收獲由射頻信號攜帶的能量，每個用戶包含能量接收器以執行能量收割，通過該能量接收器將接收到的射頻信號轉換為能量。接收到的射頻信號由整流器轉換為直流（Direct Current DC）信號，整流器由二極管和無源低通濾波器（Low-Pass Filter LPF）組成。二極管通常是具有低導通電壓的肖特（Schotty）二極管。然后使用得到的直流信號給充電電池充電，存儲能量以備將來使用。

3.2 能量管理機制

無線能量傳輸（WET）的長久運作如果沒有有效的能量管理機制是不可能實現的。能量管理的目標是制定一個有效的、合理的能量分配方案，用于管理在特定時間到達的數據包和收集到的能量。具體來說就是依據數據隊列和能量隊列的情況，自動調整數據傳輸的功率，以保持網絡的長久運作。假設一個簡單的單用戶的情況，系統模型基于能量收割的加性高斯白噪聲（Additive White Gaussian Noise AWGN）衰減信道，其中，發射器有兩個隊列，一個是用于存儲能量的能量隊列，一個是用于存儲數據包的數據隊列。假設能量的到達過程是隨機的、間歇性的，因此到達能量Ei是一個離散的過程。一般來說，能量是按照靜態馬爾可夫模型或規范化的馬爾可夫過程來實現的。類似地，通常有兩種數據包到達的情況。一是，當發射器準備就緒時，數據包都已到達數據隊列。二是，數據包在發送過程中依次到達數據隊列，一般假設數據包的大小和到達時間都是已知的。

4 結語

射頻信號既可用于傳輸能量，又可用于傳輸信息。因此本文設計了一個新穎的應用模型，即無線攜能通信。其目的是用射頻信號同時提供無線能量傳輸和無線信息傳輸。本文在分析無線能量傳輸技術的基礎上，研究了無線能量接受機制和能量管理機制。

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