發布時間：2020-01-16所屬分類：計算機職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 在物聯網時代，越來越多的小的傳感執行設備大量逐漸涌現，而且這些設備往往是電池供電. 因此，除了日益增長的數據通信需求之外，所有設備的能量需求也成為了限制萬物互聯的一大瓶頸. 目前已經有很多無線傳能技術，但往往是基于感應技術，傳能距離在幾
摘 要: 在物聯網時代，越來越多的小的傳感執行設備大量逐漸涌現，而且這些設備往往是電池供電. 因此，除了日益增長的數據通信需求之外，所有設備的能量需求也成為了限制萬物互聯的一大瓶頸. 目前已經有很多無線傳能技術，但往往是基于感應技術，傳能距離在幾十厘米的范圍內，無法滿足眾多的物聯應用場景. 無線射頻能量傳輸憑借其相對而言的長距離特性以及便捷性和可控性成為了緩解該問題的一項關鍵技術. 借助于已經存在的用于數據通信的射頻設施( 如基站或是室內的無線寬帶路由器等) 進行無線傳能具有極大的應用價值; 同時利用電磁波的特性，數據和能量可以同時搭載在電磁波上進行傳輸，由此帶來了本文首先要介紹的無線數能同傳和數能一體化通信網絡 DEIN( Data and Energy Integrated communication Networks) 的概念. 在介紹 DEIN 整體架構的基礎上，本文提出了一種基于無線數能同傳的 MAC 協議設計方案，以傳統的載波偵聽多址協議/碰撞避免( CSMA/CA) 為基礎，引入主動能量請求機制，以同時滿足用戶設備的數據和能量需求. 仿真結果對協議的性能進行驗證.
關鍵詞: 無線射頻能量傳輸，數能一體化通信網絡，接入控制協議
0 引言
在當今能源日益緊缺的情況下，研究如何在能源互聯網中滿足信息傳輸需求的同時降低能量需求、或者實現局部微電網能量的自供給具有重要的研究意義. 5G 和物聯網等技術將滿足人們對超高流量密度、超高連接密度以及超高移動性的需求，能夠為用戶提供高清視頻、虛擬現實、增強現實、云桌面以及在線游戲等極致業務體驗，這必然給基站和用戶端帶來更大的耗能，尤其用戶端移動設備的電池續航能力以及物聯網終端設備的供能將面臨巨大的挑戰. 于是人們開始在提高無線通信網絡性能的基礎上考慮能源的消耗，希望做到網絡性能與能源消耗的一種最優權衡，并試圖給出革命性的無線充電方案，隨時隨地為終端設備補充電量，提高終端設備的待機時間.
無線能量傳輸技術( Wireless Energy Transfer，WET) 正受到來自學術圈、工業圈等多方面的關注. 主流的無線能量傳輸技術主要包括如下幾種: 電感無線傳能技術、磁感應無線傳能技術、激光傳能技術、微波傳能技術等.
電感無線傳能技術是一種近場能量傳輸技術，它使用磁場作為介質，并使用變壓器耦合，通過初級和次級線圈感應產生電流，以進行能量傳輸. 電能可以通過許多非金屬材料傳輸，因此能量從發射器傳輸到接收端，實現無電氣連接的傳輸. 電感無線傳能傳輸功率高達數百千瓦，但傳輸距離卻在 1 cm 以下. 當變壓器松耦合時，在高頻交流勵磁作用下，變壓器原、副邊之間存在較強的電磁耦合，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電磁耦合的工作原理，在接收天線的固有頻率與發射場的電磁頻率一致時實現電能的高效傳輸. 從能量傳輸的角度來看，電力傳輸至少需要兩個線圈. 除此之外，為滿足功率匹配和負載匹配，有研究[2]在已有的兩個諧振線圈的基礎上，增加兩個感應線圈使電源與發射線圈隔離，負載與接收線圈隔離. 激光無線能量傳輸是近十年來發展起來的一項新技術. 該激光器具有單色性好，指向性強，能量集中的特點[3]，可將光能傳輸到配有光電轉換裝置的長距離光傳輸設備的電力設備，為能源安全提供源源不斷的流動. 而激光作為能量傳輸的載體，系統要求設備的體積和質量只有同類微波設備的 10% 左右，且不會干擾同一顆衛星的衛星信號，該技術有望在無人機、微型飛機、微型衛星、太空探測器、無線傳感器網絡、移動負載等領域進行大規模應用，因此受到眾多軍事專家的青睞，具有很大的軍事價值. 雖然其軍用發展前景非常廣闊，但是民用市場受限.
在民用市場一種比較可行的技術是微波傳能. 微波傳能技術是將電能轉化為微波，使微波自由空間傳輸到目標位置，然后進行整流，轉換成直流電，提供給負載. 一個微波能量傳遞系統的幾個基本組成部分包括直流-微波轉化、發射天線、空間傳輸、接收與直流轉換. 雖然他們各自實驗的每個部分都能夠分別達到最大效率，但是在一個完整的系統中不能同時完成，如果每個部分的傳輸效率可以較好地匹配，則總傳輸效率可能會有很大提升.
在我們日常使用的 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信號發生器. 這些射頻信號構成了豐富的能量源，可以為通信設備提供能量. 與其他方法相比，從 RF 信號收集能量有著不同的特性. 首先，由于射頻信號是由人造發射機發射到環境中，所以不是從自然資源中獲取能量. 由于射頻信號攜帶的能量最初是從傳統的能源，如電網等進行收集的，所以從射頻信號收集能量可以被視為能量回收技術. 其次，從射頻信號收集能量不需要繁瑣的能量收集器，如太陽能電池板和風/水輪. 整流器足以將由 RF 信號攜帶的交流電轉換成直流電，這些電能可以存儲在能量緩沖器中，或者可以被調用以直接驅動負載. 因此，基于 RF 信號的能量采集非常適合為微型通信設備供電.
那么，同一頻段下工作的無線傳能( WET) 與無線傳數( wireless information transfer，WIT) 具有以下的特點:
( 1) 功能模塊差異
通帶 RF 信號不能直接進行信息傳輸和能量收集. 對于信息傳輸，通帶 RF 信號必須首先轉換為基帶，因為所有的信號處理必須在基帶完成. 相反，對于能量收集，由通帶 RF 信號攜帶的 AC 能量必須首先轉換成 DC 能量，因為只有 DC 能量可以存儲在電池中或驅動負載.
( 2) 接收機接收能量門限差異
能量收集模塊必須由接收到的射頻信號攜帶的相對較高的能量激活，這個能量大約為 - 10 dBm.如果接收到的 RF 信號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 信號攜帶的信息的成功恢復在很大程度上取決于所接收的 RF 信號與噪聲加干擾之間的能量比，而不取決于 RF 信號所攜帶的絕對能量. 即使是少量的能量也能夠激活信息解碼模塊，其量級為 - 80 dBm.
( 3) 覆蓋距離差異
RF 信號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 更高的絕對能量，所以能量的傳輸范圍相比信息要短得多. 因此當考慮相同的發射機和接收機模型，所得到的 WET 網絡與 WIT 網絡具有不同的拓撲結構.
( 4) 干擾和噪音處理差異
WIT 系統中普遍存在干擾和噪聲，嚴重影響 WIT 性能. 在 WIT 系統的設計中，減輕由干擾和噪聲造成的性能下降成為主要挑戰. 相比之下，干擾和噪聲在 WET 系統中實際上是有益的，因為它們是 RF 信號并且它們都攜帶能量. 干擾和噪聲可以由能量接收模塊聯合處理，然后一起轉換為直流能量，這可以為能量請求設備提供額外的能量收集增益. 因此，WET 系統受益于干擾和噪音. 107 吉林師范大學學報( 自然科學版)
5) 能源效率定義差異
在通信領域，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射器發射的能量之比.
可以從無線通信和電子工程的領域中采用各種最先進的使能技術，以便在相同的 RF 頻譜帶中有效地協 調 WET 和 WIT，由此也形成了一 種全新的數能一體化網絡 ( Data and Energy Integrated Communication Networks，DEINs) . 本文將首先對數能一體化網絡中進行介紹，通過不同的網絡分層對數能一體化網絡中的各種關鍵技術進行詳細說明. 然后，為了更好的協調數據與能量傳輸，本文提出一種改進的 MAC 層接入控制協議，從而更加有效的提高相應的數據與能量傳輸性能.
1 無線數能同傳
文獻[4]對數能一體化網絡的總體架構以及關鍵技術進行了詳細的闡述. 在數能一體化網絡中，我們除了進行基礎的數據通信之外，還需要將能量因素進行考慮. 而考慮到能量時，我們要同時對通信網絡的能量效率、多用戶的能量供應以及最新技術無線能量傳輸等多方面進行研究. 作為最基礎的概念，網絡中的能量通信保障數據通信的進行，而數據通信為能量通信提供方便.
數能一體化網絡中的關鍵技術架構如圖 1 所示. 首先，數能信息論基礎對數據信息熵和能量熵做出聯合分析，提出數據能量聯合信道容量的概念，為其他技術提供理論基礎支撐. 受限信道容量是在特定輸出信號的約束下用于互信息最大化的術語. 這與 Shannon 的經典信道容量理論形成鮮明對比，該理論的目的是在特定輸入信號的特定約束下最大化互信息. 這個信息理論概念最早由 Gast-par 等人提出. 用于在多個發射機和接收機對的情況下控制干擾. 這里可以采用一種類似的方法來探索數據傳輸的性能極限，這個限制是由輸出信號所攜帶的能量可以由接收機收集. Tandon 等人提出，可以專門設計聯合信源和信道編碼來控制集成的 WET 和 WIT. 在文獻[5]中，由于原始消息被編碼成攜帶不同能量的碼字，所以聯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，精心設計的編碼器能夠響應能量請求，同時滿足特定的數據傳輸要求.
在物理層，數能一體化網絡則是更加偏向于數能結合的調制編碼方式，盡可能的在降低誤碼率的同時提高能量的發送量，另外也需要設計出更為合理的數能收發機. 為了降低微型設備的硬件復雜度，也可以通過光通信常規采用的脈寬調制，脈寬調制和脈沖位置調制將信息調制到直流信號上. 同時，對于多用戶的無線數能同傳場景，就需要除了滿足接收機的數據誤碼率性能條件下，盡可能的提高發送端的能量發送量.
在物理層設計合理的收發機可以相應的提高數據與能量的傳輸性能，而波束成形是在 RF 信號傳播過程中補償能量減少的關鍵技術，這對 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字波束形成. 在模擬波束形成中，適當的相位信號的建設性疊加被安排在模擬域中，其中來自不同天線的信號在模擬-數字轉換器之前被疊加. 相反，在干擾的方向上，信號分階段相互抵消. 在數字波束形成中，在模數轉換器和數字下變頻器之后對數字信號應用類似的過程. 通過模擬和數字波束形成器的聯合設計可以形成高度定向的波束[6]，這有助于長距離的 WET.
鏈路層則是主要對數能高維資源( 功率、頻譜、天線等) 分配進行優化，另外通過設計合理的接入控制協議更好的協調數據與能量的傳輸. 目前常見的兩種數能分割方式分別為時隙切換( Time Switching， TS) 和功率分割( Power Splitting，PS) . 在 TS 方式中，單個傳輸時隙被分割為兩個部分，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. 我們可以通過動態的調節時隙分配因子或功率分割因子來對數據傳輸性能與能量傳輸性能進行一定的折中.
除了中心式的網絡外，無線數能同傳同樣可應用于分布式的網絡場景，例如常見的 WLAN. 因此，設計出一種合適的多用戶接入控制策略也至關重要. 在傳統通信中，載波偵 聽 多 址 協 議/碰 撞 避 免 ( CSMA/CA) 因為可以有效的避免多用戶之間的碰撞，因此得以廣泛應用，同時業界也提出多種改進的版本以滿足不同的網絡需求. 在無線數能同傳的場景中，為了同時滿足數據和能量需求，就需要重新對接入控制協議進行設計. 例如，文獻[7]就基于傳統 CSMA/CA 協議設計出了一種改進的 EH-CSMA/CA ( Energy Harvesting-CSMA/CA) 協議，其中所有用戶設備均無源，需要從中心接入點處采集無線能量以供自身的數據信息傳輸. 之后，文獻[8]基于 EH-CSMA/CA 協議設計了一種主動能量請求式協議 EPCSMA/CA( Energy Packet-CSMA/CA) ，其中，用戶可以主動式的向中心 AP 發送能量請求脈沖以獲取無線能量.
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在網絡層，主要基于傳統的數據路由對數能聯合路由進行設計，從而保證能量的利用效率. 對于傳統的數據網絡，通常忽略了能量對其的影響，從而可以盡可能的獲取最優的路由使得端到端的跳數、時延或擁塞程度達到最優，而因此有可能造成極大程度的能量消耗. 當引入能量因素之后，利用能量共享傳輸技術，可以使得數據通信路由暢通的同時保證能量的消耗量不會太高，因此也達到了數據與能量的聯合優化目標. 文獻[9]考慮了一個數據與能量聯合的網絡. 在整個網絡中，節點之間可以相互之間傳遞信息，也可以相互之間傳遞能量. 但是由于能量傳輸的信道高損耗，因此能量的傳輸鏈路相比于數據的傳輸鏈路要少的多，并且主要集中在單跳或者兩跳節點之間. 根據每個節點的數據隊列與能量隊列的長度，文章設計出了一種數能聯合路由，在保證數據信息的傳輸基礎下，使得整個網絡的能量消耗降到最低.
應用層則是基于底層設計更為合理的應用場景，為了更好的協調 WET 與 WIT，就需要對數能一體化網絡的組網進行重新的部署，以最大化數據和能量傳輸效率. 文獻[10]提出了一種智能城市中的數能基站( Hybrid Access Point，H-AP) 部署方案，通過對城市中用戶的移動行為做出分析，確定用戶停留的熱點區域，從而根據不同的數據或能量優化目標選取最合適的地點進行數能基站的部署.
然而，截至目前很少有工作對聯合的數據與能量接入控制進行研究，而這也正是協調數據與能量傳輸二者的一項關鍵技術點. 因此，本文基于主動式能量請求 EP-CSMA/CA 協議進行改進，降低中心 AP 頻繁響應用戶請求能量傳輸能量包的時間浪費，從而在一定程度上提高網絡的吞吐量性能以及相應的能量效率.
SCISSCIAHCI
