無線數(shù)據(jù)與能量協(xié)同傳輸技術(shù)：編碼與調(diào)制設(shè)計

胡杰 金石

摘要：利用射頻（RF）信號的遠場傳輸特性，無線數(shù)據(jù)與能量協(xié)同傳輸技術(shù)（簡稱為無線數(shù)能同傳）（SWIPT）可以將數(shù)據(jù)與能量通過同一無線射頻信號傳輸?shù)酵ㄐ旁O(shè)備，從而同時滿足設(shè)備的通信與用能需求。該技術(shù)的實現(xiàn)需要從硬件方面對無線射頻電路、收發(fā)天線以及電磁波束重新設(shè)計以提升無線能量傳輸（WPT）的效率，另一方面也需要在信息和通信理論方面取得突破，實現(xiàn)編碼和調(diào)制級別的SWIPT控制。

關(guān)鍵詞：RF WPT；SWIPT；編碼與調(diào)制

1 未來通信設(shè)備能量危機及解決方案

在即將到來的物聯(lián)網(wǎng)時代，無線通信網(wǎng)絡(luò)需要滿足未來大規(guī)模機器類通信需求。廣泛部署的低功耗機器類通信設(shè)備（例如：傳感器、智能電網(wǎng)、共享單車等）的數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳等操作依賴于自身配備的電池；但有限的電池容量極大制約了該類通信設(shè)備的使用壽命，更換電池提升了網(wǎng)絡(luò)運營商的運營成本，依賴于化學(xué)儲能的電池也會對環(huán)境造成有害影響。因此，無線自供電通信網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)可以從根本上解除低功耗通信設(shè)備對傳統(tǒng)電池的依賴。

在無線自供電通信網(wǎng)絡(luò)中，能量的來源多樣化。低功耗通信設(shè)備可以從太陽能、風(fēng)能等可再生能源采集能量來支持自身操作[1]。然而可再生能源的采集極大地依賴周圍環(huán)境，例如：在陰雨天氣、夜間或者植被覆蓋豐富的地區(qū)，光照嚴(yán)重不足，通信設(shè)備并不能獲取足夠的太陽能以支持自身操作。此外，通信設(shè)備也可以采集廣泛存在于周圍環(huán)境中的射頻信號能量。各種類型的射頻信號發(fā)射機廣泛部署于周邊環(huán)境中，例如：廣播電視發(fā)射塔、音頻廣播服務(wù)發(fā)射塔、蜂窩通信基站，Wi-Fi接入熱點等。這些發(fā)射機發(fā)射的信號廣泛分布于300 MHz～300 GHz的射頻頻段。通信設(shè)備裝配相應(yīng)的射頻能量采集裝置，就可實現(xiàn)對周邊射頻信號能量的獲取。但環(huán)境中的射頻（RF）能量密度只有0.0002～1 Μw/cm2，只能支撐一些較長工作周期的通信設(shè)備。為了克服能量在時間空間分布的不均勻性，可以采取主動控制的無線能量傳輸（WPT）技術(shù)，實現(xiàn)對低功耗通信設(shè)備的無線充能，如：電感耦合技術(shù)[2]、磁感耦合技術(shù)[3]，以及射頻傳能技術(shù)[4]等。值得注意的是：電感耦合和磁感耦合技術(shù)只適應(yīng)于收發(fā)機之間距離小于2 m的近場能量傳輸。在無線自供電通信網(wǎng)絡(luò)中，射頻傳能技術(shù)更加適合于為處于遠場位置（大于2 m）的低功耗通信設(shè)備進行能量補充。

2 無線射頻能量傳輸

一條完整的無線射頻能量傳輸鏈路如圖1所示。在發(fā)射端能量源提供的直流能量通過功率放大器以射頻信號的形式從天線發(fā)出，經(jīng)過無線信道的傳輸?shù)竭_接收天線后，射頻信號攜帶的交流能量由匹配電路和整流器轉(zhuǎn)化為直流能量。直流能量經(jīng)過充能管理電路完成對儲能單元的充電操作或者直接用于驅(qū)動用電設(shè)備。為了對抗無線能量傳輸過程中的損耗，需要在不同的模塊采用以下應(yīng)對措施。

（1）無線射頻能量傳輸通常需要較高的射頻信號發(fā)射功率。若發(fā)射功率超過功率放大器的線性工作區(qū)間，就會產(chǎn)生功放能量的泄露問題。因此需要開發(fā)全固態(tài)功率放大器，有效增加功放的線性工作區(qū)間，減小功放能量泄露對無線能量傳輸效率的影響。

（2）無線空口傳輸損耗會帶來射頻能量的顯著衰減。為克服無線信道的路徑損耗，收發(fā)機兩側(cè)均需要設(shè)計高增益定向天線，將射頻能量集中在某一個方向發(fā)射以提升能量傳輸效率。接收機一側(cè)也可以采用人造電磁結(jié)構(gòu)以及超表面技術(shù)來提升對空間射頻能量的采集能力[5]。工作于射頻頻段的艾力波束（Airy Beam）具備非散射特性和自加速特性[6]。這些特性使得艾力波束可以在傳輸過程中實現(xiàn)自治愈和自聚焦，以減少射頻能量在傳輸過程中的損失，提升無線射頻能量的傳輸效率。

（3）由于收發(fā)機可能發(fā)生的移動，造成接收射頻信號的頻率與接收機最佳匹配頻率之間發(fā)生偏移。由此產(chǎn)生的信號失配會造成射頻能量的極大損失。因此需要采用寬帶匹配電路，對抗頻率偏移產(chǎn)生的信號失配影響，提升無線能量的傳輸效率。

（4）在完美匹配的情況下，整流器具備如下特性：輸入的射頻信號功率需要高于某一門限值，其射頻能量才可被轉(zhuǎn)換為直流能量。整流器輸出的直流電流是關(guān)于輸入射頻信號功率各項系數(shù)為正數(shù)的多項式函數(shù)。因此提升接收射頻信號的功率一方面可以有效激活整流器，另一方面也可以提升整流效率[7]。

（5）能量管理電路可以起到升壓和穩(wěn)壓的作用，以保證用電設(shè)備的穩(wěn)定工作。能量管理電路也可以有效減緩能量存儲單元的放電現(xiàn)象，保證能量的存儲效率[8]。

為有效提升整條無線射頻能量傳輸鏈路的傳輸效率，需要對上述各個模塊的傳能效率進行聯(lián)合設(shè)計和優(yōu)化。

工業(yè)界當(dāng)前已在無線射頻能量傳輸技術(shù)的商用化上取得了進展。Energous WattUp公司在5.8 GHz射頻頻段利用陣列天線技術(shù)實現(xiàn)4.5 m范圍內(nèi)的無線射頻充能，能量發(fā)射機的發(fā)射功率至少為16 W；OSSIA Costa公司開發(fā)的射頻能量發(fā)射機利用陣列天線技術(shù)在2.8 GHz頻段發(fā)射定向能量波束，其充電范圍可達9 m。Powercast公司提供了一種低功耗射頻能量發(fā)射設(shè)備，在915 MHz頻段以3 W的射頻發(fā)射功率可在3 m的范圍內(nèi)對鼠標(biāo)、鍵盤等用電設(shè)備進行充電，并在18～24 m的范圍內(nèi)對小型傳感器設(shè)備進行充電。也就是說，無線射頻傳能正在走向?qū)嵺`。

3 全新的數(shù)能編碼與調(diào)制機制

由于同時競爭有限的碼字和空口資源，工作在同一射頻頻段的無線數(shù)據(jù)傳輸和WPT會對彼此的性能產(chǎn)生損害。為實現(xiàn)無線數(shù)能的協(xié)作傳輸，需要突破傳統(tǒng)的信息與通信理論建立起一套全新的數(shù)能編碼與調(diào)制的相關(guān)機制。

3.1 無線數(shù)能傳輸聯(lián)合編碼

編碼器將信源產(chǎn)生的消息轉(zhuǎn)化為由二進制比特串構(gòu)成的碼字，使得其可在數(shù)字通信系統(tǒng)中進行傳輸。由二進制符號組成的碼字結(jié)構(gòu)可以影響碼字的通信性能和傳能性能。不同的二進制比特或二進制比特串會被數(shù)字調(diào)制器映射為不同的符號進行傳輸。如果采用相移鍵控等恒包絡(luò)調(diào)制方案，不同比特串形成的符號會產(chǎn)生攜帶能量相同的符號。在這種情況下，碼字結(jié)構(gòu)不會影響其傳能性能。如果采用脈沖振幅調(diào)制或正交振幅調(diào)制等變包絡(luò)調(diào)制方案，那么不同比特串形成攜帶不同能量的符號。因此控制編碼器產(chǎn)生的碼字結(jié)構(gòu)，或者控制編碼器發(fā)出某一具體碼字的概率，即可實現(xiàn)對無線能量傳輸?shù)目刂啤Ｈ绻捎米詈唵蔚亩M制啟閉鍵控（OOK）調(diào)制方式，碼字中的二進制比特1攜帶能量而比特0不攜帶能量。因此調(diào)整碼字中比特1和比特0的數(shù)量即可以改變該碼字的攜能性能，如圖2所示。

在傳統(tǒng)信息論研究中，通過優(yōu)化信源一側(cè)碼字的發(fā)射概率可以實現(xiàn)信源和信宿之間的平均互信息量的最大化，從而得到某一具體信道的信息傳輸極限性能；但為了滿足碼字傳輸能量的約束，編碼器必需調(diào)整信源發(fā)出碼字的概率。如果碼字概率的最優(yōu)性被破壞，必然使得信息的傳輸性能下降。當(dāng)信源編碼器只產(chǎn)生全1碼字時，如采用啟閉鍵控調(diào)制，碼字會攜帶最多的能量，但相對應(yīng)的信息傳輸能力為0。因此，從信息論角度出發(fā)，可以看到碼字的信息傳輸能力和能量傳輸能力之間存在制約關(guān)系。

通常情況下，傳統(tǒng)的信息編碼器產(chǎn)生等概率的二進制比特，從而最大化碼字的信息傳輸能力。但是單一的碼字結(jié)構(gòu)極大地制約了碼字的能量傳輸能力，并不能滿足接收機多樣化的能量需求。如下的編碼器可以實現(xiàn)對碼字結(jié)構(gòu)的靈活調(diào)整[10]：

（1）補償性能量編碼。不攜帶任何信息的偽比特可以直接鏈接在信息比特之后使得生成的碼字具備能滿足某一具體能量需求的結(jié)構(gòu)。這種編碼器的編解碼方案具備最低的復(fù)雜度；但不攜帶任何信息的偽比特只起到能量補充的作用，會顯著降低信息傳輸?shù)挠行浴?/p>

（2）逆信源編碼。典型的信源編碼器將不等概率發(fā)送的原始信源消息編成0/1比特等概率出現(xiàn)的二進制比特序列。相反，逆信源編碼可將等概率發(fā)出的原始信源消息編成0/1比特非等概率出現(xiàn)的二進制比特序列，從而滿足序列的無線能量傳輸需求。但是編碼器和解碼器之間的異步情形極大地影響接收端解碼的有效性。

（3）約束編碼。一些約束編碼技術(shù)具備改變碼字結(jié)構(gòu)的自由度，可以實現(xiàn)對無線能量傳輸?shù)撵`活控制。由于該種編碼技術(shù)并不引入不攜帶信息的偽比特，因此其信息傳輸?shù)挠行圆⒉粫艿接绊?。另外，高效的符號級別網(wǎng)格算法可以用于約束編碼的相關(guān)解碼過程，使得其可以在數(shù)能編碼領(lǐng)域進行廣泛應(yīng)用。典型的約束編碼技術(shù)包括游程編碼以及一元編碼。

在無線數(shù)能編碼方案的設(shè)計中，還可進一步以接收機電池的能量存儲狀態(tài)作為設(shè)計依據(jù)[11]。在無線充能的過程中，一方面為了防止能量的浪費，需要盡可能減小電池中能量的溢出概率；另一方面為了保證接收機的正常工作，需要保證電池中保留的能量要高于最低需求，并盡可能減小電池中能量不足的概率。

3.2 無線數(shù)能聯(lián)合調(diào)制

收發(fā)機兩側(cè)裝配多天線可以從空間域增加無線數(shù)能傳輸?shù)目捎猛ǖ?，提升無線數(shù)能傳輸?shù)娜萘俊ＭǔＧ闆r下，多天線數(shù)能發(fā)射機的波束要和接收機的信號分割策略進行聯(lián)合設(shè)計，以滿足無線數(shù)據(jù)和能量傳輸?shù)囊?。若發(fā)射機發(fā)出符合高斯分布的連續(xù)信號，那么無線信道的信息傳輸速率可以被最大化。此時，香農(nóng)信道容量公式可以用來描述無線數(shù)據(jù)傳輸性能。但是基于香農(nóng)公式得到的收發(fā)機波束和信號分割策略與實際數(shù)能性能有較大差距。這是因為在一個實際的數(shù)能收發(fā)系統(tǒng)中，由于調(diào)制器的存在，發(fā)射符號只能從有限符號中進行選取。在給定符號選取概率的前提下，離散輸入信號連續(xù)輸出信號的平均互信息量可以描述有限發(fā)射符號情形下的數(shù)據(jù)傳輸速率。在考慮調(diào)制的實際數(shù)能收發(fā)機設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)以離散輸入信號連續(xù)輸出信號之間的平均互信息量作為衡量無線數(shù)據(jù)傳輸性能的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)在采用M階正交幅度調(diào)制的情況下，隨著發(fā)射功率的增長，該速率收斂于log2M bit/Hz。因此當(dāng)無線數(shù)據(jù)傳輸性能收斂后，更多的功率應(yīng)當(dāng)分配給無線能量傳輸。

當(dāng)考慮能量接收機的非線性特征時，不同的調(diào)制方案具備不同的無線能量傳輸性能[11]。假設(shè)能量接收機的激活功率門限為Pth。只有當(dāng)接收射頻信號功率大于該門限值時，射頻信號攜帶的能量才可以被有效整流為直流能量。圖3描述了16階相移鍵控、16階正交幅度調(diào)制以及16階脈沖幅度調(diào)制的無線能量傳輸性能，這3種調(diào)制方案均具用相同的平均接收功率。如圖3所示，當(dāng)整流激活門限高于這3種調(diào)制方案的平均發(fā)射功率時，16階相移鍵控的所有符號都會被能量接收機的整流器過濾。經(jīng)過16階相移鍵控調(diào)制的符號不能起到能量傳輸?shù)淖饔?。?6階正交幅度調(diào)制的方案中，盡管有12個符號會被整流器過濾，但仍有4個符號攜帶的能量可以被接收機獲取。16階脈沖幅度調(diào)制具備最佳的能量傳輸性能，因為同樣的整流激活門限下，該種調(diào)制方式仍然有8個符號可以實現(xiàn)能量傳遞。如果接收射頻信號的平均功率大于整流激活門限，那么16階相移鍵控調(diào)制具備最佳的傳輸性能，因為所有16個調(diào)制符號攜帶的能量都可以被能量接收機獲取。對于正交幅度調(diào)制和脈沖幅度調(diào)制等變包絡(luò)調(diào)制方案，高階調(diào)制在整流激活門限較高時表現(xiàn)較好，而低階調(diào)制在整流激活門限較低時表現(xiàn)更好。同階調(diào)制方案具備相同的頻譜利用率（吞吐量），但表現(xiàn)出不同的數(shù)據(jù)傳輸可靠性，例如：雖然16階脈沖幅度調(diào)制具備最佳的能量傳輸性能，但其誤比特率性能在同階調(diào)制方案中最差。因此，需要綜合考慮數(shù)能用戶對吞吐量、可靠性以及傳能性能的要求，在不同信道條件下選擇最佳的調(diào)制方案進行無線數(shù)能傳輸。

通常對于無線數(shù)據(jù)傳輸有害的多徑衰落反而對于無線能量傳輸是有益的。信道的反射和散射路徑增加后，經(jīng)過多路徑傳輸?shù)纳漕l信號有更大的機會在接收端進行增益性疊加，從而使得接收射頻信號的功率能夠有效激活能量接收機的整流功能，促進能量接收。

正是因為不同調(diào)制方式呈現(xiàn)出不同的無線能量傳輸性能，數(shù)能發(fā)射機需要重新設(shè)計一種合理的自適應(yīng)調(diào)制方案，以在不同的無線信道條件下取得數(shù)據(jù)傳輸有效性、可靠性以及無線能量傳輸性能三者之間的權(quán)衡。也可設(shè)計針對多用戶的調(diào)制方案，以更好地滿足多用戶的數(shù)能傳輸需求[12]。

4 結(jié)束語

無線數(shù)能同傳技術(shù)的實現(xiàn)既需要底層射頻電路、天線以及電磁波束技術(shù)的革新，又需要信息編碼與通信調(diào)制理論的重構(gòu)。該技術(shù)可以從根本上解決未來5G和后5G時代大規(guī)模低功耗設(shè)備的通信與供能問題，并首先在無線接入網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和供能網(wǎng)絡(luò)的融合。未來隨著電力線通信和以太網(wǎng)供電技術(shù)的進一步發(fā)展，必將實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和供能網(wǎng)絡(luò)的大融合，實現(xiàn)萬網(wǎng)歸一的愿景。

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