基于能量獲取的無(wú)線通信系統(tǒng)研究

馮 劍，王平陽(yáng)，王 琳，張 興

（北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 北京 100876）

1 引言

隨著信息技術(shù)在社會(huì)生產(chǎn)和生活中的廣泛應(yīng)用，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)量呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、基站等通信設(shè)備的多樣化、通信設(shè)備選址的隨機(jī)化，帶來(lái)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能耗的急劇上升與基站供能難度的加大，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展、易于部署的通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為一個(gè)重要的議題。能量獲?。╡nergy harvesting，EH）技術(shù)由于其部署靈活及能提供無(wú)間斷的綠色無(wú)污染的能量等特點(diǎn)，已經(jīng)成為解決未來(lái)通信系統(tǒng)中能耗問(wèn)題的一項(xiàng)非常有潛力的技術(shù)，具體介紹如下。

（1）部署的便利性與靈活性

在傳統(tǒng)的能量受限的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（如無(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)）中，感知節(jié)點(diǎn)通常使用電池供電，缺乏穩(wěn)定可靠的能量來(lái)源，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)受限。盡管可以通過(guò)替換電池或給電池重新充電的方法來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行時(shí)間，但通常存在替換不便、成本過(guò)高或非常危險(xiǎn)（如安裝在腐蝕性環(huán)境中的傳感器）等問(wèn)題，有時(shí)甚至不可能進(jìn)行替換（如植入人體的傳感器）。在這些網(wǎng)絡(luò)中，使用能量獲取技術(shù)供能的設(shè)備優(yōu)勢(shì)明顯：通過(guò)從周圍環(huán)境中獲取能量，提供幾乎無(wú)限的能量，從而極大地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行時(shí)間；同時(shí)使用能量獲取設(shè)備，可以免去布線等約束，從而極大地提高部署節(jié)點(diǎn)的便利性。

（2）通信設(shè)備的多樣性與能量獲取技術(shù)的進(jìn)步

以蜂窩網(wǎng)絡(luò)為例，蜂窩通信網(wǎng)由傳統(tǒng)單一的宏蜂窩（macro cell）網(wǎng)絡(luò)逐漸演變?yōu)橛珊攴涓C、微蜂窩（micro cell）、皮蜂窩（pico cell）、飛蜂窩（femeto cell）及直放站等多種基站組成的多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。基站向微型化以及密集化方向發(fā)展，基站需要的發(fā)射功率急劇減少，使得在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中使用能量獲取技術(shù)為小型基站供能成為可能。而在無(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)中，感知節(jié)點(diǎn)需要的能量更小。另一方面，能量獲取技術(shù)，如太陽(yáng)能收集技術(shù)，其性價(jià)比已經(jīng)非常有競(jìng)爭(zhēng)力，一部分原因是由于技術(shù)的進(jìn)步，特別是超低功耗的電子設(shè)備，可以通過(guò)采集到的太陽(yáng)能、電磁能、熱能等極低的能量運(yùn)行；另一部分原因是市場(chǎng)的壓力，主要是對(duì)傳統(tǒng)能源稅收的提高以及對(duì)于綠色能源的補(bǔ)助和強(qiáng)制性政策。可以預(yù)見(jiàn)，能量獲取技術(shù)未來(lái)的應(yīng)用場(chǎng)景將涵蓋各類自主性組網(wǎng)系統(tǒng)：從物聯(lián)網(wǎng)和感知網(wǎng)絡(luò)到自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)和智能電網(wǎng)的監(jiān)控[1]。

（3）減少無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的碳排放

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年信息通信產(chǎn)業(yè)的碳排放量為全球排放量的2%～2.5%，在科技發(fā)達(dá)國(guó)家為5%～6%，與整個(gè)航空業(yè)的碳排放量相當(dāng)。要提高整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的能效，除了對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與優(yōu)化之外，使用綠色能源也是非常有效的措施[2]。中國(guó)移動(dòng)在河北廊坊試點(diǎn)運(yùn)行的完全用太陽(yáng)能供電的綠色基站，更是對(duì)在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中使用綠色能源提供了有力支撐。

對(duì)能量獲取技術(shù)的研究最初集中在以太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源為能量來(lái)源的設(shè)備，而能量獲取技術(shù)的含義并不僅僅包括可再生能源。通信節(jié)點(diǎn)從周圍環(huán)境中獲取的能量并不一定指太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源，也可能指其他設(shè)備特定發(fā)送的能量，類似于無(wú)線充電技術(shù)。因此，本文中使用“能量獲取”，從而更準(zhǔn)確地描述設(shè)備從周圍環(huán)境中獲取能量的特點(diǎn)。

在無(wú)線通信系統(tǒng)中應(yīng)用能量獲取技術(shù)時(shí)，由于能量來(lái)源的變化，傳統(tǒng)穩(wěn)定的電網(wǎng)能量或有限的電池能量供能的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題及約束條件不再適用，需要基于能量獲取技術(shù)的特點(diǎn)對(duì)無(wú)線通信的算法、網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議甚至傳輸節(jié)點(diǎn)的硬件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。在能量獲取技術(shù)供能的無(wú)線通信系統(tǒng)中，需要處理的問(wèn)題首先是獲取能量的隨機(jī)性，由于能量來(lái)源不穩(wěn)定，會(huì)在原本無(wú)線通信信道與數(shù)據(jù)到達(dá)的隨機(jī)性基礎(chǔ)上，疊加系統(tǒng)可使用能量的隨機(jī)性，從而大大增加問(wèn)題的復(fù)雜性；其次是能量獲取的因果性，即獲取的能量只能被后續(xù)時(shí)刻使用，系統(tǒng)能使用的能量不能超過(guò)當(dāng)前獲取到的及存儲(chǔ)的總能量；最后是能量的有效性，由于能量存儲(chǔ)設(shè)備的容量有限，不能無(wú)限制地存儲(chǔ)能量，導(dǎo)致可使用的能量有限，超出容量的部分只能丟棄。同時(shí)，與傳統(tǒng)能量供電網(wǎng)絡(luò)不同的是，傳統(tǒng)供能網(wǎng)絡(luò)由于能量不是約束條件，其優(yōu)化的目標(biāo)是提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，如提高系統(tǒng)的吞吐量或降低用戶的阻塞率，而在基于能量獲取技術(shù)的無(wú)線系統(tǒng)中，由于能量獲取技術(shù)的限制，必須要在優(yōu)化能量使用的基礎(chǔ)上考慮網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)質(zhì)量?jī)?yōu)化問(wèn)題。如果只是為了提高系統(tǒng)的吞吐量或降低系統(tǒng)的阻塞率，一旦出現(xiàn)能量枯竭使得傳輸中斷，就會(huì)導(dǎo)致信息無(wú)法傳輸，從而嚴(yán)重影響服務(wù)質(zhì)量。因此，對(duì)于是否在無(wú)線通信系統(tǒng)中應(yīng)用能量獲取技術(shù)，必須進(jìn)行深入細(xì)致的研究。

本文在廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外關(guān)于能量獲取的無(wú)線通信研究工作的基礎(chǔ)上，將研究方向大致歸為3類：第一類為點(diǎn)到點(diǎn)通信，研究的是在一條點(diǎn)到點(diǎn)通信鏈路中，由能量獲取設(shè)備供電的發(fā)送節(jié)點(diǎn)如何最大化吞吐量或如何縮短發(fā)送一定數(shù)量的數(shù)據(jù)所需要的傳輸時(shí)間等優(yōu)化問(wèn)題；第二類為使用能量獲取技術(shù)的設(shè)備的組網(wǎng)，研究?jī)?nèi)容包括異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)可用性、無(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)中的路由設(shè)計(jì)、認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中次級(jí)用戶傳輸節(jié)點(diǎn)傳輸模式設(shè)計(jì)等；第三類是信息與能量流同時(shí)傳輸（simultaneous wireless information and power transfer，SWIPT）系統(tǒng)，主要研究的是由能量來(lái)源穩(wěn)定的發(fā)送節(jié)點(diǎn)向多個(gè)接收終端同時(shí)進(jìn)行信息與能量流的傳輸問(wèn)題。

2 點(diǎn)到點(diǎn)通信

基于能量獲取的點(diǎn)到點(diǎn)通信，通常研究的是一個(gè)由能量獲取設(shè)備供能的發(fā)送節(jié)點(diǎn)，通過(guò)一條信道將數(shù)據(jù)傳送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的通信系統(tǒng)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的供能方式、數(shù)據(jù)的接收與解調(diào)通常不予考慮。對(duì)于這個(gè)場(chǎng)景下的研究已經(jīng)有許多研究成果，例如參考文獻(xiàn)[3]研究了一個(gè)在恒定信道中的離線最優(yōu)功率分配策略，衰落信道的場(chǎng)景在參考文獻(xiàn)[4]中進(jìn)行了研究。由于實(shí)際系統(tǒng)中不可能提前預(yù)知能量與數(shù)據(jù)到達(dá)的準(zhǔn)確分布，因此在線不可預(yù)測(cè)場(chǎng)景下的能量分配策略也有部分研究成果[5]。為了深入介紹點(diǎn)到點(diǎn)通信中的研究現(xiàn)狀，本節(jié)將依次介紹使用的能量獲取設(shè)備模型、能量到達(dá)可預(yù)測(cè)的離線場(chǎng)景能量?jī)?yōu)化、能量到達(dá)不可預(yù)測(cè)下的在線場(chǎng)景能量?jī)?yōu)化。

2.1 能量獲取設(shè)備模型

一個(gè)典型的能量獲取設(shè)備供能的點(diǎn)到點(diǎn)通信場(chǎng)景如圖1所示，能量獲取設(shè)備有兩個(gè)模塊，一個(gè)是能量獲取模塊，用于獲取周圍環(huán)境中的能量供發(fā)送設(shè)備使用，在時(shí)刻t獲取到的能量大小為H(t)。能量模塊部分還具有一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備，存儲(chǔ)的能量大小用E(t)表示，最大容量用emax(t)表示（將容量表示為時(shí)變模型是考慮到容量可能出現(xiàn)損耗，如隨充放電次數(shù)的增加而減少）。另一個(gè)模塊是數(shù)據(jù)模塊，用于存放需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。假設(shè)在時(shí)刻t到達(dá)的數(shù)據(jù)量大小為I(t)，數(shù)據(jù)模塊部分有一個(gè)緩沖區(qū)，存放的數(shù)據(jù)大小用D(t)表示，最大容量用dmax表示。發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一個(gè)衰落信道后由接收端進(jìn)行接收。

圖1 能量獲取設(shè)備模型

發(fā)送端的能耗模型除了發(fā)送能耗之外，在實(shí)際系統(tǒng)中，還可以考慮非理想的電路損耗，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換部分功耗、射頻放大器功耗等，通常使用的能耗模型如下：

其中，P代表發(fā)送端的直接傳輸功耗，Ptotal表示發(fā)送端消耗的總功耗。根據(jù)發(fā)送端的直接傳輸功耗是否為0，可以分為開(kāi)啟和靜默兩個(gè)狀態(tài)，靜默狀態(tài)時(shí)發(fā)送端的功耗為β，開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)發(fā)送端的非理想靜態(tài)功耗為α，射頻端的轉(zhuǎn)換效率為η，其中0<η≤1，通常靜默狀態(tài)下的功耗β要遠(yuǎn)小于開(kāi)啟狀態(tài)下的靜態(tài)功耗α。

2.2 離線場(chǎng)景能量?jī)?yōu)化

在離線場(chǎng)景（可預(yù)測(cè)環(huán)境）下，發(fā)送節(jié)點(diǎn)已知能量流與信息流的到達(dá)模型分別為H(t)與I(t)。對(duì)于傳輸能量P，假定使用某種傳輸策略能達(dá)到的信息速率為r(P)，可以假設(shè)r(P)是一個(gè)非負(fù)、單調(diào)遞增的嚴(yán)格凹函數(shù)。大多數(shù)實(shí)際的編碼策略，包括香農(nóng)容量公式都滿足該情況，如編碼速率為1/2時(shí)的容量為：

對(duì)于用電池供電的設(shè)備，由于其總能量大小固定，根據(jù)琴生不等式，可以知道使總傳輸比特最大的能量分配策略是平均分配各時(shí)刻使用的功耗。然而，在能量獲取的點(diǎn)到點(diǎn)通信場(chǎng)景中，獲取到的能量是時(shí)變的，如果使用類似于電池供電設(shè)備的傳輸策略，將傳輸能耗固定，且在最終時(shí)刻將能量全部耗盡的方式是不可行的。該場(chǎng)景下的能量使用策略，必須根據(jù)能量流與信息流的到達(dá)模型H(t)與I(t)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

首先考慮無(wú)論能量流的到達(dá)模型如何，始終都有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的場(chǎng)景。假設(shè)能量到達(dá)模型H(t)隨時(shí)間t的積分為，稱為累計(jì)獲取能量曲線；每一時(shí)刻使用的能量為P(t)，而P(t)隨時(shí)間t的積分為，稱為累計(jì)傳輸能量曲線。易知與均單調(diào)不減。由能量獲取的因果性可知，累計(jì)傳輸能量曲線始終位于累計(jì)獲取能量曲線的下方。

由于能量傳輸模塊存儲(chǔ)設(shè)備的限制，為了不浪費(fèi)獲取到的能量，最優(yōu)使用策略的累計(jì)傳輸能量曲線，應(yīng)始終 高 于曲線-emax(t)[6]。并且，在研究的時(shí)間段T內(nèi)，應(yīng)有表示在研究時(shí)刻終點(diǎn)所有的能量都已耗盡。因此，是起于原點(diǎn)、終于(T(T))的一條曲線，如圖2所示。

圖2 離線場(chǎng)景下始終有數(shù)據(jù)發(fā)送場(chǎng)景

根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]的結(jié)論可以知道，由于r(P)為凹函數(shù)，最優(yōu)的能量使用策略應(yīng)該是從起點(diǎn)到終點(diǎn)最短的一條路徑。對(duì)于離散的數(shù)據(jù)分組情形，最優(yōu)的策略可用一個(gè)簡(jiǎn)單的遞歸算法得到[8]。

其次，考慮普通數(shù)據(jù)到達(dá)場(chǎng)景，此時(shí)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)隨時(shí)間變化，與前文能量使用的分析類似，和分別代表累計(jì)到達(dá)的數(shù)據(jù)總量與累計(jì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量。此時(shí)的優(yōu)化目標(biāo)可能是最小化傳輸時(shí)間[8]或者最大化傳輸完成所有數(shù)據(jù)之后剩余的電量[9]。同理可以推斷出，最優(yōu)傳輸策略的(t)位于與-dmax之間。同時(shí)，滿足能量與數(shù)據(jù)限制的最優(yōu)傳輸策略可以通過(guò)一個(gè)遞歸算法得到[8]。

研究中，傳輸?shù)男诺莱銋⑿诺劳?，還考慮變參信道，式（2）變?yōu)椋?/p>

其中，(t)表示信道增益的幅值平方值。在傳統(tǒng)變參信道系統(tǒng)中，根據(jù)注水定理，在時(shí)間T內(nèi)，使傳送比特?cái)?shù)最多的準(zhǔn)則是使信道的功率譜與噪聲譜之和為常數(shù)。因此，信道質(zhì)量越好，分配的能量越多。而在能量獲取的變參信道中，由于能量獲取的因果性，分配的能量不可能超過(guò)當(dāng)前可使用的能量，因此傳統(tǒng)的注水法不再可行，獲取的能量只能注入后續(xù)的時(shí)間段中，也稱為定向注水法，如圖3所示。定向注水法在參考文獻(xiàn)[4]中進(jìn)行了細(xì)致的研究，滿足能量限制條件和存儲(chǔ)限制條件的最優(yōu)定向注水策略可以通過(guò)一個(gè)遞歸算法得到[9]。

圖3 定向注水法

除了考慮傳輸?shù)哪芎闹?，如果電路處理的功耗等相?duì)于傳輸能耗不可忽略，最優(yōu)的能量分配策略就是讓發(fā)送端間歇性地發(fā)送數(shù)據(jù)，其他時(shí)間保持靜默狀態(tài)。這個(gè)最優(yōu)的分配策略可以通過(guò)參考文獻(xiàn)[9]中給出的反向定向注膠法（backward directional glue-pouring algorithm）得到。

2.3 在線場(chǎng)景能量?jī)?yōu)化

在可預(yù)測(cè)環(huán)境下，能量獲取設(shè)備的資源分配問(wèn)題對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)來(lái)說(shuō)過(guò)于理想，在實(shí)際系統(tǒng)中，能量的到達(dá)模型和數(shù)據(jù)的到達(dá)模型通常無(wú)法預(yù)測(cè)，此時(shí)進(jìn)行能量分配只能根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)和能量與數(shù)據(jù)的歷史到達(dá)規(guī)律來(lái)決定。解決不可預(yù)測(cè)能量到達(dá)的在線環(huán)境下獲取到的能量?jī)?yōu)化問(wèn)題，通常使用的框架是馬爾可夫決策（MDP）過(guò)程，通過(guò)將能量到達(dá)模型H(t)與數(shù)據(jù)到達(dá)模型I(t)分別建模為馬爾可夫過(guò)程，在線問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為馬爾可夫決策過(guò)程進(jìn)行求解。

馬爾可夫決策過(guò)程中，最優(yōu)策略是最大化給定時(shí)間段內(nèi)效用函數(shù)結(jié)果的策略。效用函數(shù)可能是數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)、重要性[10]或者傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量[11]、一個(gè)特定事件的檢測(cè)結(jié)果。策略的選擇實(shí)際上是能量與效用函數(shù)結(jié)果之間的折中。如果在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)能量使用過(guò)多，會(huì)使得后續(xù)效用函數(shù)更大時(shí)沒(méi)有能量可用；反之，如果策略對(duì)于能量使用過(guò)于吝嗇，效用函數(shù)的結(jié)果也不會(huì)最大。

獲得效用函數(shù)結(jié)果最優(yōu)的策略可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃工具如策略遞歸算法（PIA）[9]得到，通常問(wèn)題求解的復(fù)雜度與狀態(tài)空間的大小相關(guān)，而且給出的結(jié)論并不是分析性的。因此，通常是根據(jù)有限的狀態(tài)信息，尋找平衡能量損耗與獲取的次優(yōu)策略。

例如，考慮如下的時(shí)分系統(tǒng)，在每個(gè)時(shí)隙中，一個(gè)給定重要性的數(shù)據(jù)分組到達(dá)，數(shù)據(jù)分組必須立即被傳送或者被丟棄。這個(gè)時(shí)候是否要進(jìn)行傳輸，基于以下幾個(gè)條件，包括此數(shù)據(jù)分組的重要性、電池剩余量和收集到的電池電量，使整個(gè)時(shí)間段的重要性最高。最優(yōu)的策略實(shí)際上是一個(gè)門(mén)限決策的問(wèn)題，當(dāng)數(shù)據(jù)分組的重要性高于某個(gè)門(mén)限值（與電池剩余量和收集量有關(guān)）時(shí)，就進(jìn)行傳輸，否則拋棄。這個(gè)門(mén)限策略可以用PIA來(lái)得到。只有一個(gè)門(mén)限的策略（non-adaptive balanced policy，NABP）只與這一階段收集到的能量的概率有關(guān)[10]。

再如，在突發(fā)數(shù)據(jù)的傳輸中，數(shù)據(jù)是突發(fā)到達(dá)的而且可以存儲(chǔ)，要優(yōu)化的是整個(gè)數(shù)據(jù)的平均時(shí)延。對(duì)于這類問(wèn)題的傳輸策略一般是基于緩存中的數(shù)據(jù)量來(lái)調(diào)整傳輸?shù)墓腫11]，這樣就不會(huì)浪費(fèi)獲取的能源。

3 能量獲取設(shè)備組網(wǎng)

能量獲取技術(shù)最初集中在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)，希望進(jìn)行一次安裝便永久使用。因此研究的重點(diǎn)主要在于硬件的設(shè)計(jì)，如何設(shè)計(jì)傳感器的結(jié)構(gòu)以獲取太陽(yáng)能、風(fēng)能、電磁能，還有如壓電能量（如人體彎折或行走），其他能源如何轉(zhuǎn)化為設(shè)備可使用的能量等。在此基礎(chǔ)上，如何高效地使用收集到的能量也逐漸成為研究重點(diǎn)，如能量如何存儲(chǔ)、如何布置感知節(jié)點(diǎn)等。近年來(lái)，隨著節(jié)能減排成為共識(shí)，能量獲取技術(shù)在蜂窩網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用也越來(lái)越受到關(guān)注，并引發(fā)了一系列的研究。

對(duì)于能量獲取設(shè)備的組網(wǎng)研究，可以按照其應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大致區(qū)分，通常研究的網(wǎng)絡(luò)是無(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)（cognitive radio network，CRN）以及蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)。其中前兩個(gè)方面研究成果較多，蜂窩網(wǎng)絡(luò)中由于能量獲取技術(shù)的限制，通常認(rèn)為其收集到的能量還無(wú)法支撐整個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，因而受到的關(guān)注不多。近年來(lái)，隨著基站微型化的趨勢(shì)，這個(gè)研究方向也在逐漸受到關(guān)注。

（1）無(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)

在無(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線傳感器與其他傳感器之間的通信是其關(guān)鍵技術(shù)之一，受能量限制，通常需要經(jīng)過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，傳輸節(jié)點(diǎn)的選擇（也就是路由協(xié)議）是一個(gè)重要的研究點(diǎn)。另外，多個(gè)傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)中，單個(gè)數(shù)據(jù)收集節(jié)點(diǎn)收集其他所有節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)路徑的選擇也是一個(gè)重要的研究方向，如參考文獻(xiàn)[12]。由于傳統(tǒng)的感知網(wǎng)絡(luò)也是能量受限網(wǎng)絡(luò)，能量的使用是其研究的重點(diǎn)所在，因此這個(gè)方向的研究工作成果很多，包括延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間、最優(yōu)化傳輸一定數(shù)據(jù)的高能效路由選擇方法等，傳感器非理想的能耗模型也是一個(gè)考慮方向?；谀芰揩@取的無(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示。

（2）認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)

認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知節(jié)點(diǎn)具備學(xué)習(xí)能力，通過(guò)與周圍環(huán)境交互信息來(lái)感知和利用該空間中的可用頻譜。通常假設(shè)次級(jí)用戶（secondary user）使用能量獲取技術(shù)。在這個(gè)過(guò)程中，次級(jí)用戶選擇感知與傳輸數(shù)據(jù)的策略、傳輸時(shí)使用能量的策略、學(xué)習(xí)策略等過(guò)程中能量的使用，都是非常值得研究的方向。如參考文獻(xiàn)[16]中研究頻譜感知的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并推導(dǎo)出不同網(wǎng)絡(luò)配置下的最優(yōu)模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣速率和感知時(shí)間；參考文獻(xiàn)[17]中研究了一個(gè)由可再生能源供電的二級(jí)傳輸節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，在能量受限與沖突受限的約束條件下，最大化總吞吐量的最優(yōu)頻譜感知策略；參考文獻(xiàn)[18]中推導(dǎo)了在一個(gè)可再生能源供電的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，從周圍獲取能量的二級(jí)節(jié)點(diǎn)可以達(dá)到的理論上的最大吞吐量上限?；谀芰揩@取的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示。

圖4 能量獲取設(shè)備組網(wǎng)示意[l1]

（3）蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)

近來(lái)，能量獲取技術(shù)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用也逐漸受到關(guān)注。但受獲取能量的限制，通?？紤]使用電網(wǎng)與可再生能源混合供電的場(chǎng)景。相對(duì)而言，這部分的研究工作不多。如在參考文獻(xiàn)[13]中，考慮了在可再生能量與電網(wǎng)共存情況下，下行正交多輸入多輸出天線（MIMO）系統(tǒng)中時(shí)延最優(yōu)的基站非連續(xù)傳輸控制機(jī)制及用戶調(diào)度策略；在參考文獻(xiàn)[14]中，考慮了在一個(gè)單小區(qū)下面，由電網(wǎng)與可再生能源混合供電情況下的最小化電網(wǎng)功率傳輸?shù)膯?wèn)題；在參考文獻(xiàn)[15]中，利用隨機(jī)幾何的數(shù)學(xué)工具，給出了在一個(gè)完全由可再生能源供電的K層空間泊松點(diǎn)過(guò)程（SPPP）分布的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可用性大小的上界。在隨機(jī)幾何理論被引入用于建模異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的情形下，這部分的研究成果也在逐漸增加?；谀芰揩@取的蜂窩網(wǎng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4（c）和圖4（d）所示。

4 信息與能量流同時(shí)傳輸系統(tǒng)

無(wú)論是點(diǎn)到點(diǎn)通信還是能量獲取設(shè)備組網(wǎng)，其共同點(diǎn)是能量獲取的節(jié)點(diǎn)均為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，即發(fā)送端從周圍環(huán)境中獲取能量，并將收集的能量用于信息的發(fā)送。近來(lái)，已有研究者將目光投向通信過(guò)程中信息的接收方獲取能量的研究。其中發(fā)送端的能量由電網(wǎng)或其他穩(wěn)定的能量來(lái)源供應(yīng)，而接收端通信使用的能量則從發(fā)送端發(fā)送的電磁波中獲取之后再用于信息的發(fā)送，類似于無(wú)線充電技術(shù)，一般稱為無(wú)線能量傳輸，也稱為SWIPT。

4.1 SWIPT技術(shù)介紹

SWIPT技術(shù)研究的可行性是基于以下事實(shí)：傳輸信息的無(wú)線電波在電磁能量可以被獲取的情況下，也是一種能量的來(lái)源，也可以被獲取。如蜂窩系統(tǒng)中，對(duì)某個(gè)用戶來(lái)說(shuō)是有用信號(hào)的電磁波，對(duì)于其他用戶來(lái)說(shuō)則是噪聲，而這部分電磁波如果可以被獲取，則可以節(jié)約用戶需要的能耗。在這個(gè)研究方向中，接收端可以接收信息，也可以接收能量，或者兩者同時(shí)進(jìn)行。受實(shí)際電路限制，接收端不能同時(shí)對(duì)同一個(gè)信息進(jìn)行解調(diào)與能量收集。因此，SWIPT中接收端對(duì)同時(shí)進(jìn)行信息解調(diào)和能量接收的無(wú)線電磁流的接收模式通常有兩種，一種是時(shí)域切換（time switching，TS），另一種為能量分割（power splitting，PS）。時(shí)域切換的工作模式是，接收端接收的信號(hào)要么被能量獲取單元收集，要么被信息接收單元接收用來(lái)解決信息；能量分割的工作模式是，接收的信號(hào)被一個(gè)能量分割器分割為兩路，一路傳輸給能量獲取單元，一路傳送給信息處理單元。在這個(gè)研究點(diǎn)中，接收模式工作方式的設(shè)計(jì)（如TS中兩部分的模式切換的策略、PS中分割給兩個(gè)單元的能量的策略）是研究的重點(diǎn)。

除此之外，對(duì)SWIPT的研究也不僅僅局限于能量流與信息流均被同一個(gè)接收端接收的情形。在同一個(gè)接入點(diǎn)（AP）下的用戶終端，有些終端是從接收的信號(hào)中解調(diào)出有用信息，稱為信息接收終端（information receiver，IR），有些終端只專注于從接收的信號(hào)中獲取能量，稱為能量獲取終端（energy receiver，ER）。通常IR與ER對(duì)于功率的敏感程度不一致（通常IR為-60 dBm，ER為-10 dBm）。在這個(gè)系統(tǒng)中，存在一個(gè)“遠(yuǎn)近效應(yīng)”問(wèn)題，即由于路徑損耗，ER終端會(huì)部署得與接入點(diǎn)更近一些，如圖5所示。

另外，除了接收信息流與能量流的終端可以不統(tǒng)一之外，也有研究開(kāi)始關(guān)注傳輸信息流與能量流的接入點(diǎn)不在一起的情況，即網(wǎng)絡(luò)中單獨(dú)有電站通過(guò)無(wú)線給終端傳送能量（通常是使用微波能量傳輸），而信息的傳輸與原有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)一致。

4.2 場(chǎng)景與主要方法

對(duì)于SWIPT系統(tǒng)方向的研究，多與物理層多輸入多輸出（MIMO）天線技術(shù)相關(guān)，而研究的場(chǎng)景相對(duì)較為簡(jiǎn)單。參考文獻(xiàn)[19]中，研究了一個(gè)三節(jié)點(diǎn)的MIMO廣播系統(tǒng)，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為發(fā)射節(jié)點(diǎn)，向其他兩個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送能量與信息，其他的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)只獲取能量、一個(gè)只解調(diào)信息，且發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)都裝備了多天線，在能量節(jié)點(diǎn)與信息節(jié)點(diǎn)共站與不共站兩種情形下研究最大信息速率與能量速率的折中關(guān)系。參考文獻(xiàn)[20]中，考慮了一個(gè)多用戶的多輸入單輸出（MISO）天線廣播系統(tǒng)中，一個(gè)多天線的接入點(diǎn)通過(guò)波束成形向多個(gè)單天線的用戶同時(shí)廣播信息與能量，研究在信息解調(diào)用戶最低接收功率約束條件下傳輸給能量接收者的能量最大值。而在參考文獻(xiàn)[21]中，研究了一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的MISO信道中，在信道信息未知的情況下，接收方的能量接收與信息接收兩種狀態(tài)之間的切換機(jī)制。參考文獻(xiàn)[22]中，研究了接收節(jié)點(diǎn)將接收的能量分離，一部分用于獲取能量，另一部分用于解調(diào)信息的能量分離策略。參考文獻(xiàn)[23]中，研究了在一個(gè)寬帶系統(tǒng)中，通過(guò)OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)和波束成形技術(shù)同時(shí)形成多個(gè)并形的子信道，這樣可以進(jìn)行信息與能量的同時(shí)傳輸，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖5 SWIPT系統(tǒng)

而對(duì)于區(qū)分了ER與IR的SWIPT系統(tǒng)中，由于發(fā)送節(jié)點(diǎn)信號(hào)衰落的影響，能量接收終端更靠近發(fā)送節(jié)點(diǎn)，因而有很大概率會(huì)竊聽(tīng)到信息接收終端的信息，因此在此類系統(tǒng)中，波束的安全性設(shè)計(jì)[24]是一個(gè)非常值得關(guān)注的研究點(diǎn)。

對(duì)于信息發(fā)送節(jié)點(diǎn)與能量發(fā)送節(jié)點(diǎn)的分離，即網(wǎng)絡(luò)中存在基站與電站分別給用戶終端進(jìn)行信息與能量的傳輸，參考文獻(xiàn)[25]中已有部分研究：研究了在基站和電站分別以空間泊松點(diǎn)分布的系統(tǒng)中，對(duì)于用戶也為空間泊松點(diǎn)分布的情況下，要滿足阻塞率的約束條件，基站的分布密度、基站的發(fā)射功率以及電站的密度與發(fā)射功率這些參數(shù)之間應(yīng)該滿足的條件。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜觀能量獲取的研究現(xiàn)狀，研究方向有發(fā)送節(jié)點(diǎn)獲取能量的研究（點(diǎn)到點(diǎn)通信）、接收節(jié)點(diǎn)高效獲取發(fā)送節(jié)點(diǎn)的能量（信息與能量同時(shí)傳輸系統(tǒng)）、多節(jié)點(diǎn)的能量獲取設(shè)備組網(wǎng)的設(shè)計(jì)，能量獲取技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到無(wú)線通信系統(tǒng)的各個(gè)層面。筆者認(rèn)為，未來(lái)尚有許多研究方向需要進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

點(diǎn)到點(diǎn)通信系統(tǒng)中，在能量到達(dá)模型不確定的不可預(yù)測(cè)環(huán)境中，能量使用的是學(xué)習(xí)算法；對(duì)于現(xiàn)有的不可預(yù)測(cè)環(huán)境中的能量使用，通常使用的方法是在線優(yōu)化框架。然而，在實(shí)際環(huán)境中，統(tǒng)計(jì)信息可能會(huì)隨時(shí)間變化或者在開(kāi)始部署節(jié)點(diǎn)時(shí)統(tǒng)計(jì)信息還沒(méi)有辦法得到。在這些情況下，一個(gè)可選的解決辦法是使用學(xué)習(xí)理論來(lái)實(shí)時(shí)跟蹤研究能量與數(shù)據(jù)到達(dá)的模型，并依此調(diào)整能量分配的策略。

關(guān)于能量獲取設(shè)備組網(wǎng)，其能量的使用值得深入探討。在現(xiàn)在的研究中，大多考慮的是單鏈路、三節(jié)點(diǎn)組成的中繼信道、廣播信道與多址接入信道的容量分析。對(duì)于多節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)，其復(fù)雜程度與節(jié)點(diǎn)的數(shù)目成正比，因此研究較少。而未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)之間的差異，其獲取能量的能力、能量存儲(chǔ)的能力都不同，基于節(jié)點(diǎn)之間的合作，彌補(bǔ)能量不足節(jié)點(diǎn)的覆蓋問(wèn)題。如在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，存在宏基站、微基站、直放站等，有些基站由電網(wǎng)供電，有些基站由電網(wǎng)與能量獲取設(shè)備混合供電或者完全由能量獲取設(shè)備供電。在獲取能量不足時(shí)，縮小使用能量獲取設(shè)備供電的覆蓋范圍或完全關(guān)閉，其業(yè)務(wù)量由其他基站進(jìn)行服務(wù)等。

關(guān)于信息與能量傳輸?shù)南到y(tǒng)，除了MIMO系統(tǒng)中用于能量接收與信息解調(diào)的能量分割方式的設(shè)計(jì)、能量接收終端與信息接收終端的安全性問(wèn)題這兩個(gè)研究點(diǎn)之外，電站與基站的混合布站場(chǎng)景也是新興的研究方向，如可以考慮在一片區(qū)域中，用戶分布不均勻時(shí)基站與電站的布站選址問(wèn)題等。除此之外，在蜂窩系統(tǒng)中基站的功耗模型較為完備，而電站的功耗模型在此類場(chǎng)景中也可以考慮。

在全球大力倡導(dǎo)節(jié)能減排的今天，綠色通信已經(jīng)成為無(wú)線通信系統(tǒng)建設(shè)的共識(shí)。能量獲取技術(shù)作為一項(xiàng)非常有潛力的節(jié)能技術(shù)，其應(yīng)用與研究已經(jīng)受到學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，并予以了深入的研究。本文在廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，對(duì)能量獲取的無(wú)線通信中資源優(yōu)化的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，分析了研究中使用的模型與約束條件、主要研究的場(chǎng)景及問(wèn)題、采用的主要解決方法，并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望，為將來(lái)能量獲取的各項(xiàng)技術(shù)提供了研究基礎(chǔ)。

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