發(fā)布時(shí)間：2020-01-16所屬分類：計(jì)算機(jī)職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，越來越多的小的傳感執(zhí)行設(shè)備大量逐漸涌現(xiàn)，而且這些設(shè)備往往是電池供電. 因此，除了日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)通信需求之外，所有設(shè)備的能量需求也成為了限制萬物互聯(lián)的一大瓶頸. 目前已經(jīng)有很多無線傳能技術(shù)，但往往是基于感應(yīng)技術(shù)，傳能距離在幾
摘 要: 在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，越來越多的小的傳感執(zhí)行設(shè)備大量逐漸涌現(xiàn)，而且這些設(shè)備往往是電池供電. 因此，除了日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)通信需求之外，所有設(shè)備的能量需求也成為了限制萬物互聯(lián)的一大瓶頸. 目前已經(jīng)有很多無線傳能技術(shù)，但往往是基于感應(yīng)技術(shù)，傳能距離在幾十厘米的范圍內(nèi)，無法滿足眾多的物聯(lián)應(yīng)用場(chǎng)景. 無線射頻能量傳輸憑借其相對(duì)而言的長(zhǎng)距離特性以及便捷性和可控性成為了緩解該問題的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù). 借助于已經(jīng)存在的用于數(shù)據(jù)通信的射頻設(shè)施( 如基站或是室內(nèi)的無線寬帶路由器等) 進(jìn)行無線傳能具有極大的應(yīng)用價(jià)值; 同時(shí)利用電磁波的特性，數(shù)據(jù)和能量可以同時(shí)搭載在電磁波上進(jìn)行傳輸，由此帶來了本文首先要介紹的無線數(shù)能同傳和數(shù)能一體化通信網(wǎng)絡(luò) DEIN( Data and Energy Integrated communication Networks) 的概念. 在介紹 DEIN 整體架構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于無線數(shù)能同傳的 MAC 協(xié)議設(shè)計(jì)方案，以傳統(tǒng)的載波偵聽多址協(xié)議/碰撞避免( CSMA/CA) 為基礎(chǔ)，引入主動(dòng)能量請(qǐng)求機(jī)制，以同時(shí)滿足用戶設(shè)備的數(shù)據(jù)和能量需求. 仿真結(jié)果對(duì)協(xié)議的性能進(jìn)行驗(yàn)證.
關(guān)鍵詞: 無線射頻能量傳輸，數(shù)能一體化通信網(wǎng)絡(luò)，接入控制協(xié)議
0 引言
在當(dāng)今能源日益緊缺的情況下，研究如何在能源互聯(lián)網(wǎng)中滿足信息傳輸需求的同時(shí)降低能量需求、或者實(shí)現(xiàn)局部微電網(wǎng)能量的自供給具有重要的研究意義. 5G 和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)將滿足人們對(duì)超高流量密度、超高連接密度以及超高移動(dòng)性的需求，能夠?yàn)橛脩籼峁└咔逡曨l、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、云桌面以及在線游戲等極致業(yè)務(wù)體驗(yàn)，這必然給基站和用戶端帶來更大的耗能，尤其用戶端移動(dòng)設(shè)備的電池續(xù)航能力以及物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的供能將面臨巨大的挑戰(zhàn). 于是人們開始在提高無線通信網(wǎng)絡(luò)性能的基礎(chǔ)上考慮能源的消耗，希望做到網(wǎng)絡(luò)性能與能源消耗的一種最優(yōu)權(quán)衡，并試圖給出革命性的無線充電方案，隨時(shí)隨地為終端設(shè)備補(bǔ)充電量，提高終端設(shè)備的待機(jī)時(shí)間.
無線能量傳輸技術(shù)( Wireless Energy Transfer，WET) 正受到來自學(xué)術(shù)圈、工業(yè)圈等多方面的關(guān)注. 主流的無線能量傳輸技術(shù)主要包括如下幾種: 電感無線傳能技術(shù)、磁感應(yīng)無線傳能技術(shù)、激光傳能技術(shù)、微波傳能技術(shù)等.
電感無線傳能技術(shù)是一種近場(chǎng)能量傳輸技術(shù)，它使用磁場(chǎng)作為介質(zhì)，并使用變壓器耦合，通過初級(jí)和次級(jí)線圈感應(yīng)產(chǎn)生電流，以進(jìn)行能量傳輸. 電能可以通過許多非金屬材料傳輸，因此能量從發(fā)射器傳輸?shù)浇邮斩耍瑢?shí)現(xiàn)無電氣連接的傳輸. 電感無線傳能傳輸功率高達(dá)數(shù)百千瓦，但傳輸距離卻在 1 cm 以下. 當(dāng)變壓器松耦合時(shí)，在高頻交流勵(lì)磁作用下，變壓器原、副邊之間存在較強(qiáng)的電磁耦合，使得大氣隙下的能量傳遞成為可能[1].
電磁共振功率傳輸( ERPT) 主要利用電磁共振和強(qiáng)電磁耦合的工作原理，在接收天線的固有頻率與發(fā)射場(chǎng)的電磁頻率一致時(shí)實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸. 從能量傳輸?shù)慕嵌葋砜矗娏鬏斨辽傩枰獌蓚�(gè)線圈. 除此之外，為滿足功率匹配和負(fù)載匹配，有研究[2]在已有的兩個(gè)諧振線圈的基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)感應(yīng)線圈使電源與發(fā)射線圈隔離，負(fù)載與接收線圈隔離. 激光無線能量傳輸是近十年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù). 該激光器具有單色性好，指向性強(qiáng)，能量集中的特點(diǎn)[3]，可將光能傳輸?shù)脚溆泄怆娹D(zhuǎn)換裝置的長(zhǎng)距離光傳輸設(shè)備的電力設(shè)備，為能源安全提供源源不斷的流動(dòng). 而激光作為能量傳輸?shù)妮d體，系統(tǒng)要求設(shè)備的體積和質(zhì)量只有同類微波設(shè)備的 10% 左右，且不會(huì)干擾同一顆衛(wèi)星的衛(wèi)星信號(hào)，該技術(shù)有望在無人機(jī)、微型飛機(jī)、微型衛(wèi)星、太空探測(cè)器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)負(fù)載等領(lǐng)域進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用，因此受到眾多軍事專家的青睞，具有很大的軍事價(jià)值. 雖然其軍用發(fā)展前景非常廣闊，但是民用市場(chǎng)受限.
在民用市場(chǎng)一種比較可行的技術(shù)是微波傳能. 微波傳能技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)化為微波，使微波自由空間傳輸?shù)侥繕?biāo)位置，然后進(jìn)行整流，轉(zhuǎn)換成直流電，提供給負(fù)載. 一個(gè)微波能量傳遞系統(tǒng)的幾個(gè)基本組成部分包括直流-微波轉(zhuǎn)化、發(fā)射天線、空間傳輸、接收與直流轉(zhuǎn)換. 雖然他們各自實(shí)驗(yàn)的每個(gè)部分都能夠分別達(dá)到最大效率，但是在一個(gè)完整的系統(tǒng)中不能同時(shí)完成，如果每個(gè)部分的傳輸效率可以較好地匹配，則總傳輸效率可能會(huì)有很大提升.
在我們?nèi)粘Ｊ褂玫?300 MHz 至 300 GHz 頻譜中，布滿了電視塔，公共無線電廣播站，蜂窩基站和其他類型的射頻信號(hào)信號(hào)發(fā)生器. 這些射頻信號(hào)構(gòu)成了豐富的能量源，可以為通信設(shè)備提供能量. 與其他方法相比，從 RF 信號(hào)收集能量有著不同的特性. 首先，由于射頻信號(hào)是由人造發(fā)射機(jī)發(fā)射到環(huán)境中，所以不是從自然資源中獲取能量. 由于射頻信號(hào)攜帶的能量最初是從傳統(tǒng)的能源，如電網(wǎng)等進(jìn)行收集的，所以從射頻信號(hào)收集能量可以被視為能量回收技術(shù). 其次，從射頻信號(hào)收集能量不需要繁瑣的能量收集器，如太陽(yáng)能電池板和風(fēng)/水輪. 整流器足以將由 RF 信號(hào)攜帶的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，這些電能可以存儲(chǔ)在能量緩沖器中，或者可以被調(diào)用以直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載. 因此，基于 RF 信號(hào)的能量采集非常適合為微型通信設(shè)備供電.
那么，同一頻段下工作的無線傳能( WET) 與無線傳數(shù)( wireless information transfer，WIT) 具有以下的特點(diǎn):
( 1) 功能模塊差異
通帶 RF 信號(hào)不能直接進(jìn)行信息傳輸和能量收集. 對(duì)于信息傳輸，通帶 RF 信號(hào)必須首先轉(zhuǎn)換為基帶，因?yàn)樗械男盘?hào)處理必須在基帶完成. 相反，對(duì)于能量收集，由通帶 RF 信號(hào)攜帶的 AC 能量必須首先轉(zhuǎn)換成 DC 能量，因?yàn)橹挥?DC 能量可以存儲(chǔ)在電池中或驅(qū)動(dòng)負(fù)載.
( 2) 接收機(jī)接收能量門限差異
能量收集模塊必須由接收到的射頻信號(hào)攜帶的相對(duì)較高的能量激活，這個(gè)能量大約為 - 10 dBm.如果接收到的 RF 信號(hào)所攜帶的能量低于最小閾值，則不能收集該能量. 相比之下，RF 信號(hào)攜帶的信息的成功恢復(fù)在很大程度上取決于所接收的 RF 信號(hào)與噪聲加干擾之間的能量比，而不取決于 RF 信號(hào)所攜帶的絕對(duì)能量. 即使是少量的能量也能夠激活信息解碼模塊，其量級(jí)為 - 80 dBm.
( 3) 覆蓋距離差異
RF 信號(hào)被無線信道的路徑損耗，陰影和多徑衰落所影響. 由于高效 WET 需要比 WIT 更高的絕對(duì)能量，所以能量的傳輸范圍相比信息要短得多. 因此當(dāng)考慮相同的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)模型，所得到的 WET 網(wǎng)絡(luò)與 WIT 網(wǎng)絡(luò)具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).
( 4) 干擾和噪音處理差異
WIT 系統(tǒng)中普遍存在干擾和噪聲，嚴(yán)重影響 WIT 性能. 在 WIT 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，減輕由干擾和噪聲造成的性能下降成為主要挑戰(zhàn). 相比之下，干擾和噪聲在 WET 系統(tǒng)中實(shí)際上是有益的，因?yàn)樗鼈兪?RF 信號(hào)并且它們都攜帶能量. 干擾和噪聲可以由能量接收模塊聯(lián)合處理，然后一起轉(zhuǎn)換為直流能量，這可以為能量請(qǐng)求設(shè)備提供額外的能量收集增益. 因此，WET 系統(tǒng)受益于干擾和噪音. 107 吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版)
5) 能源效率定義差異
在通信領(lǐng)域，WIT 的能源效率可以定義為每赫茲的信息傳輸吞吐量與能源消耗的比率，以 bps/Hz/ W 或 bps/Hz/J 為單位來評(píng)估. 相比之下，WET 的能量效率可以被定義為接收器收獲的能量與發(fā)射器發(fā)射的能量之比.
可以從無線通信和電子工程的領(lǐng)域中采用各種最先進(jìn)的使能技術(shù)，以便在相同的 RF 頻譜帶中有效地協(xié) 調(diào) WET 和 WIT，由此也形成了一 種全新的數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò) ( Data and Energy Integrated Communication Networks，DEINs) . 本文將首先對(duì)數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行介紹，通過不同的網(wǎng)絡(luò)分層對(duì)數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)中的各種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明. 然后，為了更好的協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)與能量傳輸，本文提出一種改進(jìn)的 MAC 層接入控制協(xié)議，從而更加有效的提高相應(yīng)的數(shù)據(jù)與能量傳輸性能.
1 無線數(shù)能同傳
文獻(xiàn)[4]對(duì)數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)以及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述. 在數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)中，我們除了進(jìn)行基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)通信之外，還需要將能量因素進(jìn)行考慮. 而考慮到能量時(shí)，我們要同時(shí)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的能量效率、多用戶的能量供應(yīng)以及最新技術(shù)無線能量傳輸?shù)榷喾矫孢M(jìn)行研究. 作為最基礎(chǔ)的概念，網(wǎng)絡(luò)中的能量通信保障數(shù)據(jù)通信的進(jìn)行，而數(shù)據(jù)通信為能量通信提供方便.
數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)如圖 1 所示. 首先，數(shù)能信息論基礎(chǔ)對(duì)數(shù)據(jù)信息熵和能量熵做出聯(lián)合分析，提出數(shù)據(jù)能量聯(lián)合信道容量的概念，為其他技術(shù)提供理論基礎(chǔ)支撐. 受限信道容量是在特定輸出信號(hào)的約束下用于互信息最大化的術(shù)語(yǔ). 這與 Shannon 的經(jīng)典信道容量理論形成鮮明對(duì)比，該理論的目的是在特定輸入信號(hào)的特定約束下最大化互信息. 這個(gè)信息理論概念最早由 Gast-par 等人提出. 用于在多個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)對(duì)的情況下控制干擾. 這里可以采用一種類似的方法來探索數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅軜O限，這個(gè)限制是由輸出信號(hào)所攜帶的能量可以由接收機(jī)收集. Tandon 等人提出，可以專門設(shè)計(jì)聯(lián)合信源和信道編碼來控制集成的 WET 和 WIT. 在文獻(xiàn)[5]中，由于原始消息被編碼成攜帶不同能量的碼字，所以聯(lián)合源和信道編碼器能夠有利地控制能量傳輸過程. 因此，鑒于信息源的特點(diǎn)，精心設(shè)計(jì)的編碼器能夠響應(yīng)能量請(qǐng)求，同時(shí)滿足特定的數(shù)據(jù)傳輸要求.
在物理層，數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)則是更加偏向于數(shù)能結(jié)合的調(diào)制編碼方式，盡可能的在降低誤碼率的同時(shí)提高能量的發(fā)送量，另外也需要設(shè)計(jì)出更為合理的數(shù)能收發(fā)機(jī). 為了降低微型設(shè)備的硬件復(fù)雜度，也可以通過光通信常規(guī)采用的脈寬調(diào)制，脈寬調(diào)制和脈沖位置調(diào)制將信息調(diào)制到直流信號(hào)上. 同時(shí)，對(duì)于多用戶的無線數(shù)能同傳場(chǎng)景，就需要除了滿足接收機(jī)的數(shù)據(jù)誤碼率性能條件下，盡可能的提高發(fā)送端的能量發(fā)送量.
在物理層設(shè)計(jì)合理的收發(fā)機(jī)可以相應(yīng)的提高數(shù)據(jù)與能量的傳輸性能，而波束成形是在 RF 信號(hào)傳播過程中補(bǔ)償能量減少的關(guān)鍵技術(shù)，這對(duì) WET 和 WIT 都是有利的. 有兩種形成定向波束的基本方法，即模擬波束形成和數(shù)字波束形成. 在模擬波束形成中，適當(dāng)?shù)南辔恍盘?hào)的建設(shè)性疊加被安排在模擬域中，其中來自不同天線的信號(hào)在模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器之前被疊加. 相反，在干擾的方向上，信號(hào)分階段相互抵消. 在數(shù)字波束形成中，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字下變頻器之后對(duì)數(shù)字信號(hào)應(yīng)用類似的過程. 通過模擬和數(shù)字波束形成器的聯(lián)合設(shè)計(jì)可以形成高度定向的波束[6]，這有助于長(zhǎng)距離的 WET.
鏈路層則是主要對(duì)數(shù)能高維資源( 功率、頻譜、天線等) 分配進(jìn)行優(yōu)化，另外通過設(shè)計(jì)合理的接入控制協(xié)議更好的協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)與能量的傳輸. 目前常見的兩種數(shù)能分割方式分別為時(shí)隙切換( Time Switching， TS) 和功率分割( Power Splitting，PS) . 在 TS 方式中，單個(gè)傳輸時(shí)隙被分割為兩個(gè)部分，其中一部分用于 WET，另一部分則用于 WIT. 在 PS 方式中，同一傳輸信號(hào)在功率域被切割成為兩部分，其中一部分用于 WET 而另一部分用于 WIT. 我們可以通過動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)隙分配因子或功率分割因子來對(duì)數(shù)據(jù)傳輸性能與能量傳輸性能進(jìn)行一定的折中.
除了中心式的網(wǎng)絡(luò)外，無線數(shù)能同傳同樣可應(yīng)用于分布式的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，例如常見的 WLAN. 因此，設(shè)計(jì)出一種合適的多用戶接入控制策略也至關(guān)重要. 在傳統(tǒng)通信中，載波偵 聽 多 址 協(xié) 議/碰 撞 避 免 ( CSMA/CA) 因?yàn)榭梢杂行У谋苊舛嘤脩糁g的碰撞，因此得以廣泛應(yīng)用，同時(shí)業(yè)界也提出多種改進(jìn)的版本以滿足不同的網(wǎng)絡(luò)需求. 在無線數(shù)能同傳的場(chǎng)景中，為了同時(shí)滿足數(shù)據(jù)和能量需求，就需要重新對(duì)接入控制協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì). 例如，文獻(xiàn)[7]就基于傳統(tǒng) CSMA/CA 協(xié)議設(shè)計(jì)出了一種改進(jìn)的 EH-CSMA/CA ( Energy Harvesting-CSMA/CA) 協(xié)議，其中所有用戶設(shè)備均無源，需要從中心接入點(diǎn)處采集無線能量以供自身的數(shù)據(jù)信息傳輸. 之后，文獻(xiàn)[8]基于 EH-CSMA/CA 協(xié)議設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)能量請(qǐng)求式協(xié)議 EPCSMA/CA( Energy Packet-CSMA/CA) ，其中，用戶可以主動(dòng)式的向中心 AP 發(fā)送能量請(qǐng)求脈沖以獲取無線能量.
相關(guān)期刊推薦：《吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)》(自然科學(xué)版)原:《松遼學(xué)刊：自然科學(xué)版》是1979年創(chuàng)刊，主要刊載以下方向的學(xué)術(shù)論文以及教學(xué)、科研成果：數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、地理科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息技術(shù)、教育技術(shù)、環(huán)境科學(xué)、體育學(xué)等。歡迎廣大教師和科研人員訂閱并賜稿。我們將以極大的熱忱為廣大讀者、作者服務(wù)。尤其對(duì)博士生以上的高學(xué)歷作者，我們將以快速的反應(yīng)使你的優(yōu)秀成果及時(shí)地在我刊發(fā)表。
在網(wǎng)絡(luò)層，主要基于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)路由對(duì)數(shù)能聯(lián)合路由進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而保證能量的利用效率. 對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，通常忽略了能量對(duì)其的影響，從而可以盡可能的獲取最優(yōu)的路由使得端到端的跳數(shù)、時(shí)延或擁塞程度達(dá)到最優(yōu)，而因此有可能造成極大程度的能量消耗. 當(dāng)引入能量因素之后，利用能量共享傳輸技術(shù)，可以使得數(shù)據(jù)通信路由暢通的同時(shí)保證能量的消耗量不會(huì)太高，因此也達(dá)到了數(shù)據(jù)與能量的聯(lián)合優(yōu)化目標(biāo). 文獻(xiàn)[9]考慮了一個(gè)數(shù)據(jù)與能量聯(lián)合的網(wǎng)絡(luò). 在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)之間可以相互之間傳遞信息，也可以相互之間傳遞能量. 但是由于能量傳輸?shù)男诺栏邠p耗，因此能量的傳輸鏈路相比于數(shù)據(jù)的傳輸鏈路要少的多，并且主要集中在單跳或者兩跳節(jié)點(diǎn)之間. 根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)隊(duì)列與能量隊(duì)列的長(zhǎng)度，文章設(shè)計(jì)出了一種數(shù)能聯(lián)合路由，在保證數(shù)據(jù)信息的傳輸基礎(chǔ)下，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗降到最低.
應(yīng)用層則是基于底層設(shè)計(jì)更為合理的應(yīng)用場(chǎng)景，為了更好的協(xié)調(diào) WET 與 WIT，就需要對(duì)數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)進(jìn)行重新的部署，以最大化數(shù)據(jù)和能量傳輸效率. 文獻(xiàn)[10]提出了一種智能城市中的數(shù)能基站( Hybrid Access Point，H-AP) 部署方案，通過對(duì)城市中用戶的移動(dòng)行為做出分析，確定用戶停留的熱點(diǎn)區(qū)域，從而根據(jù)不同的數(shù)據(jù)或能量?jī)?yōu)化目標(biāo)選取最合適的地點(diǎn)進(jìn)行數(shù)能基站的部署.
然而，截至目前很少有工作對(duì)聯(lián)合的數(shù)據(jù)與能量接入控制進(jìn)行研究，而這也正是協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)與能量傳輸二者的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn). 因此，本文基于主動(dòng)式能量請(qǐng)求 EP-CSMA/CA 協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，降低中心 AP 頻繁響應(yīng)用戶請(qǐng)求能量傳輸能量包的時(shí)間浪費(fèi)，從而在一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量性能以及相應(yīng)的能量效率.
