基于超聲波的無線攜能通信研究

時錦程，曹自平，邢莉穎

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

基于超聲波的無線攜能通信研究

時錦程，曹自平，邢莉穎

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

無線攜能通信是將無線能量傳輸與無線信息傳輸相結(jié)合的產(chǎn)物。近年來，以無線電波作為媒介的攜能通信研究十分火熱，而以超聲波作為媒介的方式卻沒有得到足夠關(guān)注。從超聲波的傳能機(jī)制出發(fā)，提出超聲波換能器的設(shè)計要求；從超聲波的通信機(jī)制出發(fā)，研究超聲波通信的調(diào)制方式及信道特性；從功率分配角度出發(fā)，建立了速率-能量折衷模型，提出了適用于不同應(yīng)用場景的動態(tài)功率分配算法，建立了基于超聲波的無線攜能通信系統(tǒng)模型。

無線攜能通信；超聲波；能量調(diào)制；動態(tài)功率分配；換能器

0 引言

超聲波是頻率超過20 kHz的聲波，方向性好，穿透力強(qiáng)，能量集中，且較低功率的超聲波對人體無害[1]。此外，超聲波通信在空氣、水下、井下、輸油管道、金屬密閉容器壁[2]等復(fù)雜信道中通信都有巨大的應(yīng)用價值。值得一提的是，在體域網(wǎng)(BSN)通信中，傳統(tǒng)的無線電波雖然具有延時低、速率高、抗干擾性強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)等適宜通信的特性，但電磁輻射是其不可避免的缺憾。而作為需要長時間接觸人體的BSN，采用無線電通信的方式勢必會對人體造成潛在的損害。超聲波作為一種廣泛研究的、可以替代無線電的介質(zhì)，其作為一種新型的信息傳遞介質(zhì)，到目前為止未發(fā)現(xiàn)其負(fù)面作用[3]。

目前無線電能傳輸主要有電磁感應(yīng)、電磁共振、激光和微波三種方式，而對超聲波傳能的研究相對較少。日本學(xué)者ISHIYAMA T等人論述了利用超聲波為低功率移動設(shè)備無線充電的方法[4]，國內(nèi)學(xué)者研究在密閉環(huán)境下利用超聲波給電子設(shè)備定期充電[5]。2011年，東南大學(xué)也進(jìn)行了基于超聲波的無線電能傳輸?shù)难芯浚ㄟ^理論和實(shí)驗證明了其可行性[6]。

無線攜能通信機(jī)制是通信技術(shù)與輸電技術(shù)交叉融合的一個前沿方向。VARSHNEY LR最先提出了攜能通信的概念[7]。由于無線電波可以同時承載信息和能量，利用相同的頻譜并行傳輸信息與能量，從而充分利用寶貴的能量資源和頻譜資源。2015年，南京郵電大學(xué)公開了一種高速無線攜能通信系統(tǒng)，該發(fā)明提高了無線攜能通信裝置的可靠性，容易在全范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，電磁干擾也較低[8]。超聲波無線攜能通信技術(shù)就是將傳統(tǒng)的基于電磁波的無線攜能通信技術(shù)運(yùn)用到超聲通信中，即以超聲波為媒介實(shí)現(xiàn)信息和能量的并行傳輸。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 聲波方程

與電磁波作為橫波不同，聲波在各種彈性介質(zhì)中屬于機(jī)械波，是一種縱波，質(zhì)點(diǎn)振動方向同軸于傳播方向。聲場中一點(diǎn)的聲壓是隨時間變化的，在許多情況下聲壓在一段時間內(nèi)按照時間的正弦函數(shù)變化，作穩(wěn)態(tài)的簡諧振蕩：

p=pAcos(2πft+φ0)

(1)

式中p稱為瞬時聲壓，幅度pA稱為峰值聲壓。

聲波隨著傳播距離增加，其攜帶的能量逐漸衰減，衰減程度與擴(kuò)散、散射及吸收等因素有密切相關(guān)。在理想均勻介質(zhì)中，聲能衰減因素僅考慮擴(kuò)散，即能量隨傳播距離增加而減弱。質(zhì)點(diǎn)的聲壓、聲強(qiáng)隨其離聲源的距離呈指數(shù)衰減：

Ps=P0e-αs

(2)

Is=I0e-2αs

(3)

式中：Ps、Is分別表示距聲源s處介質(zhì)的聲壓和聲強(qiáng)，則Ps、Is分別表示聲源處介質(zhì)的聲壓和聲強(qiáng)；s表示聲波與聲源間的距離；α表示衰減系數(shù)。

1.2 系統(tǒng)模型

超聲波無線攜能通信系統(tǒng)由兩大部分組成：控制主機(jī)和感應(yīng)節(jié)點(diǎn)?？刂浦鳈C(jī)主要由信令輸入端、編碼調(diào)制器、超聲波發(fā)生器以及揚(yáng)聲器組成，輸入的信令通過編碼調(diào)制器轉(zhuǎn)換為幅度、相位、頻率等電信號參數(shù)，繼而轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的超聲波通過揚(yáng)聲器向外輻射；感應(yīng)節(jié)點(diǎn)主要由麥克風(fēng)、功率分配器、解調(diào)解碼器、能量轉(zhuǎn)換電路、接口電路、可充電電池(電容)、電源監(jiān)測控制模塊以及傳感器組成，麥克風(fēng)接收到聲波后，功率分配器將其按特定比例分割成信號部分和能量部分，能量部分經(jīng)過收集處理作為感應(yīng)節(jié)點(diǎn)的電源，信號部分經(jīng)過解調(diào)解碼變?yōu)樾帕顐鬟f給傳感器，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送等工作。圖1為超聲波無線攜能通信系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖1 一種超聲波無線攜能通信系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.3 換能器的設(shè)計要求

1.3.1 對頻率特性的要求

一方面，換能器的頻帶寬度與其諧振頻率成正比，諧振頻率越高，頻帶越寬。另一方面，諧振頻率越高，超聲吸收和衰減越厲害，能量轉(zhuǎn)換效率越低。保證頻帶夠?qū)捯笾C振頻率夠越高越好；保證效率要求諧振頻率越低越好。兩者折衷，選用40 kHz左右的聲波較為合適。

1.3.2 對阻抗特性的要求

超聲波換能器的聲輻射阻抗特性直接影響著換能器的效率[9]。當(dāng)換能器振膜輻射聲音時，振膜會收到介質(zhì)聲壓的反作用，會對振膜的震動產(chǎn)生抑制作用。反作用力與振動速度之比稱為輻射阻抗，代表抑制程度，用于設(shè)計換能器的壓電材料聲阻抗越小越好(如PVDF膜)，或者加入聲阻抗匹配層。

1.3.3 對指向特性的要求

指向性用來描述換能器將聲波輻射到空間中不同方向的性質(zhì)。在換能器陣列中，指向角決定了單個換能器之間的最小間距，是陣列設(shè)計中的重要參數(shù)。

1.3.4 對其他特性的要求

換能器特性要求還包括：較高的電聲轉(zhuǎn)換效率，強(qiáng)大的信號輸出能力，傳播距離較長的能力。

2 通信模型

2.1 調(diào)制方式的優(yōu)劣性比較[10]

幅移鍵控：把頻率、相位作為常量，把振幅作為變量，信息比特通過載波的幅度來傳遞，接收端使用包絡(luò)檢波器解調(diào)。對超聲波來說，由于幅度衰落遠(yuǎn)小于電磁波，衰減率大約是電磁波的千分之一，可以使用該方式解調(diào)。考慮到接收端容易受介質(zhì)(空氣、水流)的噪聲擾動，距離較遠(yuǎn)時可能出現(xiàn)誤碼。

頻移鍵控：用數(shù)字信號去調(diào)制載波的頻率，具有良好的抗噪、抗衰減性能。對聲波來說，由于發(fā)射端和接收端有著固定的共振頻率，考慮到能量的接收頻率，只能在共振頻率附近調(diào)制，信道帶寬受限，數(shù)據(jù)傳輸速率也將受到影響。

相移鍵控：用數(shù)字信號去調(diào)制載波的相位，具有較好的誤碼率性能。但由于聲波傳播速度慢，接收端容易產(chǎn)生相位模糊，只能使用相干法解調(diào)，解調(diào)成本較高。

在超聲波數(shù)字通信中，考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜度及所獲得收益，目前使用較多的是開關(guān)鍵控(OOK)調(diào)制和的二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)調(diào)制[11]。OOK通過碼元周期內(nèi)超聲波幅度的大小變化傳遞信息，原理簡單，性能優(yōu)越；2DPSK利用前后相鄰碼元的相對相位值傳遞比特信息，用差分相干解調(diào)法解調(diào)。

能量調(diào)制是針對超聲波無線攜能傳輸而提出的新型調(diào)制方式。如果傳輸?shù)浇邮諜C(jī)的平均功率高于一個特定目標(biāo)值，可以通過信號功率級變化進(jìn)行信息編碼，從而在不降低能量傳輸效率前提下完成不間斷的信息傳輸。為了使接收機(jī)解碼能量調(diào)制的信息，需要通過運(yùn)用諸如能量檢測等技術(shù)在接收端進(jìn)行特定精度的功率變化檢測。

2.2 信道模型

2.2.1 加性高斯白噪聲信道

由式(1)可知，單頻率聲波的瞬時聲壓隨時間呈正弦變化，假設(shè)其頻率f=40 kHz,初始相位φ0=0，歸一化pA，則p=cos(2π*40 000*t)，假設(shè)在此信號商疊加功率為-20 dBW的高斯白噪聲，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 頻率40 kHz超聲波的加性高斯白噪聲信道模型

由式(2)、式(3)可知，聲壓及聲強(qiáng)隨其離聲源的距離成指數(shù)衰減。假設(shè)衰減指數(shù)α=0.1，歸一化聲源處質(zhì)點(diǎn)聲壓及聲強(qiáng)，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 聲壓/聲強(qiáng)隨離聲源距離的衰減規(guī)律(α=0.1)

圖4 聲波信號隨離聲源距離的衰減規(guī)律(α=0.1)

由圖4可知，當(dāng)衰減系數(shù)α=0.1時，距離聲源約7 m處為超聲波信號傳遞的-3 dB點(diǎn)，此時聲壓降為聲源處的1/2，能量降為聲源處的1/4。

2.2.2 多徑衰落信道

在無線信道中，發(fā)射機(jī)和接收天線之間往往存在多條信號傳播路徑。多徑是由建筑物等物體的反射、繞射、散射等引起的。當(dāng)信號在無線信道傳播時，由于多徑反射和衰減，信號將經(jīng)歷隨機(jī)波動。

假設(shè)一個模擬多徑信道的場景(兩徑)，如圖5所示。

圖5 多徑信道的模擬

假設(shè)在平坦空地的一端安裝了一個固定的超聲波基站，在另一端有一面完全反射聲波的巖壁，基站距反射壁的距離為d。移動臺距離基站初始距離為r?；景l(fā)射一個頻率為f的單色聲波信號，另一徑是從反射壁反射過來的信號。

(4)

假定pA=1，r=3，d=10，c=340，α=0.1，仿真結(jié)果如圖6所示。可知，即便移動臺靜止，由于存在反射徑，接收到的合成信號峰值要小于直射徑的信號。

圖6 α=0.1，r=3時的直射信號、反射信號與合成信號

根據(jù)計算[12]，在r=3，d=10時，超聲波的相干帶寬僅為24 Hz，而用于通信的聲波信號帶寬必然遠(yuǎn)大于這一數(shù)值，因此會發(fā)生頻率選擇性衰落。

3 功率分配

3.1 無線攜能通信vs無線能量通信

無線能量傳輸可以分為兩種傳輸機(jī)制：一種是無線攜能通信機(jī)制和無線能量通信機(jī)制。無線攜能通信機(jī)制利用動態(tài)功率分配(DPS)方式將接收到的超聲波承載的能量按照一定比例分配成兩部分：用于能量收集的部分和用于信息解調(diào)的部分，從而實(shí)現(xiàn)在接收端同時接收信息和能量。另一種是無線能量通信機(jī)制，首先處于非激活狀態(tài)的終端接收無線信號，將其中的功率全部作為無線能量存儲在電池中，然后利用無線能量存儲的電能發(fā)送信息[13]。

3.2 速率-能量折衷

3.3 功率分配原則

超聲波傳輸能量的效率可在低頻窄帶鏈路上發(fā)生頻率共振時最大化，而數(shù)據(jù)通信則需要較大的帶寬以及較高的工作頻率。在無線攜能通信系統(tǒng)中，需要根據(jù)不同的應(yīng)用場景使用不同的功率分配方案，以便獲得傳能和通信性能的最佳折衷[14]。在能量高需求但對數(shù)據(jù)傳輸速率低需求的應(yīng)用場景中，功率分配應(yīng)盡量向能量供給傾斜，但需要保證數(shù)據(jù)通信的可靠性和安全性；在間歇性突發(fā)高速數(shù)據(jù)流應(yīng)用場景中，如定時發(fā)送數(shù)據(jù)的水下溫度感知節(jié)點(diǎn)，可根據(jù)其數(shù)據(jù)發(fā)送周期、單次發(fā)送耗電量等參數(shù)精確計算其維持系統(tǒng)正常運(yùn)行所需要的能量，功率分配應(yīng)向通信傾斜，以獲得數(shù)據(jù)速率最大化。

4 結(jié)論

本文提出了超聲波無線攜能通信的系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合聲波特性論述了超聲波換能器的設(shè)計要求，對超聲波攜能通信進(jìn)行了信道分析，針對傳輸信息速率和傳輸能量間的折衷問題建立了數(shù)學(xué)模型，最后根據(jù)不同的應(yīng)用場景提出了相應(yīng)的動態(tài)功率分配方案。超聲波無線攜能通信可以滿足一些特殊場合的供電和通信需求，例如植入式醫(yī)療器械以及水下傳感器等。在以后的科研工作中會展開更深入的工作，如電路設(shè)計及制作，以解決其實(shí)際應(yīng)用問題。

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Study of ultrasonic simultaneous wireless information and power transfer

Shi Jincheng, Cao Ziping, Xing Liying

(School of Communication and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

Simultaneous wireless information and power transfer is the combination product of wireless power transfer and wireless information transfer. The RF-based SWIPT system has been extensively researched by the scholars both home and abroad in recent years. By contrast, the ultrasonic SWIPT system does not get enough attention. In terms of the working mechanism of ultrasonic WPT, several hardware design requirements are put forward; according to the working mechanism of ultrasonic WIT, modulation modes and channel characteristics are researched; from the aspect of power splitting, rate-energy trade-off is modeled and the Dynamic Power Splitting (DPS) algorithm is proposed to adapt to different application scenarios.

simultaneous wireless information and power transfer; ultrasonic wave; energy modulation; dynamic power splitting; transducer

TN914

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.16.022

時錦程，曹自平，邢莉穎.基于超聲波的無線攜能通信研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(16)：78-81.

2017-02-22)

時錦程(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：超聲波攜能通信、無線能量采集技術(shù)。

曹自平(1974-)，男，博士，教授，主要研究方向：環(huán)境能量采集、綠色通信。