無(wú)線數(shù)據(jù)及能量協(xié)同傳輸技術(shù)研究

黃一軒

摘 要：本文首先介紹了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的模型及其特點(diǎn)，對(duì)無(wú)線網(wǎng)所涉及的模型、協(xié)議、理論基礎(chǔ)等做了簡(jiǎn)單概述，包括能量收割技術(shù)模型和無(wú)線能量傳輸模型，在無(wú)線能量傳輸?shù)幕A(chǔ)上引入無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)，著重分析研究了無(wú)線能量接受機(jī)制和能量管理機(jī)制。

關(guān)鍵詞：無(wú)線；能量傳輸；協(xié)同技術(shù)

1 緒論

無(wú)線技術(shù)的發(fā)展使得人們對(duì)于無(wú)線設(shè)備的續(xù)航能力提出了更高的要求，然而傳統(tǒng)的供電或者充電模式阻礙了應(yīng)用的發(fā)展。比如，對(duì)數(shù)量龐大的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有線充電或者更換電池時(shí)成本較大（例如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中）；甚至有時(shí)在許多關(guān)鍵應(yīng)用中不能進(jìn)行充電或更換電池操作（例如植入人體的醫(yī)療設(shè)備）。目前，針對(duì)這樣一個(gè)緊迫的問(wèn)題，一種有效的做法是致力于降低無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的能耗，優(yōu)化傳輸協(xié)議。包括節(jié)能電路的設(shè)計(jì)，節(jié)能通信技術(shù)、節(jié)能協(xié)議以及節(jié)能軟件、應(yīng)用等的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

除了減少能源消耗這個(gè)思路外，新能源的使用為我們開(kāi)辟了另一個(gè)新的研究方向。例如，能量收割（Energy Harvesting EH）可以從周?chē)h(huán)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(yōu)點(diǎn)，但是這些能量在被收割的過(guò)程中不可預(yù)測(cè)，而且很難控制，這些問(wèn)題在很大程度上限制了能量收割技術(shù)的推廣使用。為了能夠提供更加可預(yù)測(cè)、可控的能量來(lái)源，無(wú)線能量傳輸（Wireless Energy Transfer WET）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)能量收割中的技術(shù)缺陷。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，基于能量收割的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將廣泛應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)生活中，并且這種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)理論上具有無(wú)限的生命期。能量收割技術(shù)可以收集外部能量來(lái)為節(jié)點(diǎn)供電，從而增加節(jié)點(diǎn)的壽命和能力。給定節(jié)點(diǎn)的能量使用情況，能量收割技術(shù)可以滿足其部分或全部能量需求。射頻信號(hào)作為可遠(yuǎn)程傳輸、可控的能量來(lái)源，近年來(lái)受到了研究人員的廣泛關(guān)注?；谏漕l信號(hào)的能量收割技術(shù)是該領(lǐng)域目前主要的目前方向。

2 無(wú)線能量傳輸技術(shù)

無(wú)線能量傳輸是指在沒(méi)有線路連接的情況下，從電源向能量負(fù)載傳輸能量。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)線能量傳輸技術(shù)可以基于三種不同的機(jī)制實(shí)現(xiàn)，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(chǎng)耦合的，其中能量通過(guò)磁場(chǎng)穿過(guò)彼此靠近的線圈傳輸。特別是，通過(guò)在系統(tǒng)中增加補(bǔ)償電容器，磁諧振耦合實(shí)現(xiàn)了線圈之間的諧振。兩種近場(chǎng)技術(shù)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(nèi)運(yùn)行，而磁耦合一般在幾厘米到幾米之間。因此，這兩種技術(shù)僅限于短距離應(yīng)用。另外，這兩種技術(shù)同時(shí)向位于大空間的任意數(shù)量的分布式負(fù)載供電是很難實(shí)現(xiàn)的。

相比之下，基于電磁輻射的無(wú)線能量傳輸或者具有射頻功能的無(wú)線能量傳輸利用了電磁波的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，通過(guò)這種特性，電磁場(chǎng)與射頻信號(hào)通過(guò)空間遠(yuǎn)程傳播，遠(yuǎn)程設(shè)備能夠從捕獲的射頻信號(hào)中收割能量。通常，支持射頻的無(wú)線能量傳輸可以支持更遠(yuǎn)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(jù)Powercast公司報(bào)道，發(fā)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(fā)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(hào)的廣播性質(zhì)使得它能夠同時(shí)為大量的分布式設(shè)備供電，這使得射頻信號(hào)特別適用于諸如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)或物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。本文將重點(diǎn)研究基于射頻信號(hào)的無(wú)線能量傳輸。

3 系統(tǒng)模型

3.1 能量接收機(jī)制

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

3.2 能量管理機(jī)制

無(wú)線能量傳輸（WET）的長(zhǎng)久運(yùn)作如果沒(méi)有有效的能量管理機(jī)制是不可能實(shí)現(xiàn)的。能量管理的目標(biāo)是制定一個(gè)有效的、合理的能量分配方案，用于管理在特定時(shí)間到達(dá)的數(shù)據(jù)包和收集到的能量。具體來(lái)說(shuō)就是依據(jù)數(shù)據(jù)隊(duì)列和能量隊(duì)列的情況，自動(dòng)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓β?，以保持網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)久運(yùn)作。假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的單用戶的情況，系統(tǒng)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(fā)射器有兩個(gè)隊(duì)列，一個(gè)是用于存儲(chǔ)能量的能量隊(duì)列，一個(gè)是用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)隊(duì)列。假設(shè)能量的到達(dá)過(guò)程是隨機(jī)的、間歇性的，因此到達(dá)能量Ei是一個(gè)離散的過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，能量是按照靜態(tài)馬爾可夫模型或規(guī)范化的馬爾可夫過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。類(lèi)似地，通常有兩種數(shù)據(jù)包到達(dá)的情況。一是，當(dāng)發(fā)射器準(zhǔn)備就緒時(shí)，數(shù)據(jù)包都已到達(dá)數(shù)據(jù)隊(duì)列。二是，數(shù)據(jù)包在發(fā)送過(guò)程中依次到達(dá)數(shù)據(jù)隊(duì)列，一般假設(shè)數(shù)據(jù)包的大小和到達(dá)時(shí)間都是已知的。

4 結(jié)語(yǔ)

射頻信號(hào)既可用于傳輸能量，又可用于傳輸信息。因此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)新穎的應(yīng)用模型，即無(wú)線攜能通信。其目的是用射頻信號(hào)同時(shí)提供無(wú)線能量傳輸和無(wú)線信息傳輸。本文在分析無(wú)線能量傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究了無(wú)線能量接受機(jī)制和能量管理機(jī)制。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃學(xué)良，譚林林，陳中，強(qiáng)浩，周亞龍.無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用綜述.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（10）：1-11.

[2]范興明，莫小勇，張?chǎng)?無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（10）：2584-2600.

[3]翟淵，孫躍，戴欣，蘇玉剛，王智慧.磁共振模式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)建模與分析.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（12）：155-160.