无线数据及能量协同传输技术研究
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摘 要：本文首先介绍了无线网络的模型及其特点，对无线网所涉及的模型、协议、理论基础等做了简单概述，包括能量收割技术模型和无线能量传输模型，在无线能量传输的基础上引入无线供电通信网络，着重分析研究了无线能量接受机制和能量管理机制。
关键词：无线；能量传输；协同技术
1 绪论
无线技术的发展使得人们对于无线设备的续航能力提出了更高的要求，然而传统的供电或者充电模式阻碍了应用的发展。比如，对数量庞大的传感器节点进行有线充电或者更换电池时成本较大（例如无线传感器网络中）；甚至有时在许多关键应用中不能进行充电或更换电池操作（例如植入人体的医疗设备）。目前，针对这样一个紧迫的问题，一种有效的做法是致力于降低无线网络的能耗，优化传输协议。包括节能电路的设计，节能通信技术、节能协议以及节能软件、应用等的设计开发。
除了减少能源消耗这个思路外，新能源的使用为我们开辟了另一个新的研究方向。例如，能量收割（Energy Harvesting EH）可以从周围环境中收集光能、潮汐能、电磁能等可再生能源。这些能源具有可再生、绿色等优点，但是这些能量在被收割的过程中不可预测，而且很难控制，这些问题在很大程度上限制了能量收割技术的推广使用。为了能够提供更加可预测、可控的能量来源，无线能量传输（Wireless Energy Transfer WET）技术应运而生，弥补了传统能量收割中的技术缺陷。随着硬件技术的发展，基于能量收割的无线网络将广泛应用在现实生活中，并且这种无线网络理论上具有无限的生命期。能量收割技术可以收集外部能量来为节点供电，从而增加节点的寿命和能力。给定节点的能量使用情况，能量收割技术可以满足其部分或全部能量需求。射频信号作为可远程传输、可控的能量来源，近年来受到了研究人员的广泛关注。基于射频信号的能量收割技术是该领域目前主要的目前方向。
2 无线能量传输技术
无线能量传输是指在没有线路连接的情况下，从电源向能量负载传输能量。一般来说，无线能量传输技术可以基于三种不同的机制实现，即电感耦合，磁共振耦合和电磁（Electromagnetic EM）辐射。电感耦合和磁共振耦合都是基于近场耦合的，其中能量通过磁场穿过彼此靠近的线圈传输。特别是，通过在系统中增加补偿电容器，磁谐振耦合实现了线圈之间的谐振。两种近场技术具有较高的能量传输效率，但是操作距离很小。电感耦合在几厘米内运行，而磁耦合一般在几厘米到几米之间。因此，这两种技术仅限于短距离应用。另外，这两种技术同时向位于大空间的任意数量的分布式负载供电是很难实现的。
相比之下，基于电磁辐射的无线能量传输或者具有射频功能的无线能量传输利用了电磁波的远场辐射特性，通过这种特性，电磁场与射频信号通过空间远程传播，远程设备能够从捕获的射频信号中收割能量。通常，支持射频的无线能量传输可以支持更远的操作距离，从几米到几十米，这取决于不同的接收器灵敏度。据Powercast公司报道，发射功率为3瓦（W），接收器能够在5米（m）的距离上获得159μW的功率。在发射功率为1.7W的情况下，接收器在27m距离处获得了2μW的功率。而且，射频信号的广播性质使得它能够同时为大量的分布式设备供电，这使得射频信号特别适用于诸如无线传感器网络或物联网的应用。本文将重点研究基于射频信号的无线能量传输。
3 系统模型
3.1 能量接收机制
在基于射频的无线能量传输系统中，部署了能量发射器或能量接入点（Energy Access Point EAP）以向分布式用户广播射频信号。为了收获由射频信号携带的能量，每个用户包含能量接收器以执行能量收割，通过该能量接收器将接收到的射频信号转换为能量。接收到的射频信号由整流器转换为直流（Direct Current DC）信号，整流器由二极管和无源低通滤波器（Low-Pass Filter LPF）组成。二极管通常是具有低导通电压的肖特（Schotty）二极管。然后使用得到的直流信号给充电电池充电，存储能量以备将来使用。
3.2 能量管理机制
无线能量传输（WET）的长久运作如果没有有效的能量管理机制是不可能实现的。能量管理的目标是制定一个有效的、合理的能量分配方案，用于管理在特定时间到达的数据包和收集到的能量。具体来说就是依据数据队列和能量队列的情况，自动调整数据传输的功率，以保持网络的长久运作。假设一个简单的单用户的情况，系统模型基于能量收割的加性高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise AWGN）衰减信道，其中，发射器有两个队列，一个是用于存储能量的能量队列，一个是用于存储数据包的数据队列。假设能量的到达过程是随机的、間歇性的，因此到达能量Ei是一个离散的过程。一般来说，能量是按照静态马尔可夫模型或规范化的马尔可夫过程来实现的。类似地，通常有两种数据包到达的情况。一是，当发射器准备就绪时，数据包都已到达数据队列。二是，数据包在发送过程中依次到达数据队列，一般假设数据包的大小和到达时间都是已知的。
4 结语
射频信号既可用于传输能量，又可用于传输信息。因此本文设计了一个新颖的应用模型，即无线携能通信。其目的是用射频信号同时提供无线能量传输和无线信息传输。本文在分析无线能量传输技术的基础上，研究了无线能量接受机制和能量管理机制。
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