英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
无线信息和能量传输：从科学假设到工程实践
摘要
最近，有大量的研究兴趣是关于无线携能通信系统（SWIPT），因为它有着交叉学科的吸引力和广泛的应用潜力，这也促使了这篇概述。更明确地说，我们对这种技术的当前水平进行了简单的调查并介绍了一些可以加快该技术发展的实用收发机结构。而且详细阐述了最重要的链路级和系统级设计方面，还有多种可能的解决方案和研究思路。我们设想射频信号的双重解释创造了新的机会以及需要大量研究、创新和技术工作的挑战。
简介
面向科学的背景：在热和统计物理学中，最早和最着名的关于信息和能量的实验由麦克斯韦在1867年构思，被称为“麦克斯韦妖”，当热动力学的第二定律是假设被信息能量转换的大胆假设违反。这激发了在20世纪中期进一步有趣的研究，关于信息处理本身是否消耗能量，之后得到“兰道尔原理”，这表明计算、测量和通信中的信息的热动态可逆操作不一定消耗能量，因为不需要能量来执行数学计算。尽管信息到能量转换是难以捉摸的事实，它从信息和能量的单独处理可能会在工程系统的实际设计中受到挑战这一基本观点中提出。
自然，信息通过将自身附接到物理介质（如：微波或粒子）来传输。在分子和纳米通信，信息是通过传输编码粒子从源头到终点。类似的，在光通信中，信息是由具有信息相关强度的光子递送，其可以通过光子计数过程来检测。鉴于性质的过程中，系统能够提供加热/照明/推进功能。上述两个例子表明，携带了信息的基础事物可以有效重复使用在多种应用中。同时传递信息和能量这个明确的概念是由L.Varshney提出，后来进一步扩展到无线的条件因为基本的电磁波可以携带信息和能量。因此，移动设备免于任何线的牵制是合理可行的。
面向工程的背景：在深入研究无线携能通信系统之前，首先需要简要介绍无线能量传输（WPT）。一般来说，无线能量传输可以通过两种基本方式来完成，一是基于近场电磁感应以电感耦合和谐振耦合的形式，二是基于远场电磁辐射利用硅整流二极管天线通过微波传输的形式。相比于近场电磁感应只能实现发射机和接收机之间的微小非对准，远场微波能量传输（MPT）支持广泛的覆盖区域，并且因此可以被认为是更适合于SWIPT系统工作。
关于MPT最早的实验是由特斯拉带着全球性无线能量传输这一根本目标完成的。在20世纪中期，MPT被认为是被用于在大型/千瓦级高功率应用。由于电子设备在20世纪后期的发展，需要大幅度提高功率。为了实现微瓦范围的应用，各种研究尤其集中于设计紧凑而高效整流天线。创业公司Powercast1报道称微瓦级功率的发射功率能以23dBm和在大约900MHz频率传输超过数米的距离。
众所周知，在无线通信中，上个世纪中电磁波传播的又一创新和革命性的研究成果是无线信息传输（WIT），受到马可尼在19世纪末无线电实验的鼓舞，最终导致了20世纪中期第二次世界大战中战术军事用途的雷达和移动通信行业中普遍的商业革命。日渐成熟的WPT和WIT技术也使得SWIPT逐渐成为一个新兴的有趣的研究课题。
面向应用的背景：相比于更普遍的WIT技术，WPT在写作期间较少有研究，主要是因为射频信号在 远距离的高衰减。由于天线技术和电力电子学的不断发展，现在可以通过无线传输显著提高的能量，这也使自身设备变得越来越节能。因此，这使得SWIPT技术在一些由于电池充电导致风险或很高代价的情况中变得特别引人注目，如医疗植入，室内传感器等情况。为了更加长远的周密设计，传统的能量收集需要依赖于周围的环境能源（如风能，振动，热能等），但是当前技术水平只能够支持低速率的通信。与此相反，SWIPT系统的独一无二的特征即是它能够在周围环境能源不足的情况下进行操作，同时传输可控制的一定量的无线信息和能源，从而支持可持续的低成本操作。
由于电磁辐射受到有关健康和安全规定限制的事实，该技术水平目前对手机充电仍存在一定的挑战，因为它通常需要周围有数百毫瓦的功率。然而，这项技术对低功耗传感器更加有吸引力。因此，它有望在不久的将来应用于全球家庭中连接数十亿低功耗设备的无线系统中。在这种情况下，预计SWIPT会成为物联网中普遍的推动者，因为从能源补充的角度来看它是“永生”的存在。更具体地说，低功率传感器网络、无线体域网和长途无线射频识别网络技术将会从SWIPT技术中直接受益。
文章组织——基于上述背景，我们提供了SWIPT这个新兴课题的概述，从清晰的文献综述开始详细描述了实际架构，以及它们重要的设计环节方面以及可能的解决方案。因此我们的概述安排如下。首先，我们通过调查现有的SWIPT文献发现其理论方面的重要性。然后，我们总结了实际现存的促进SWIPT技术发展的体系结构，其中介绍了三种可能的结构。接下来，我们详细阐述了关键的链路层的组成部件，从多天线辅助技术到编码和调制。这些链路层组件是系统级研究的基本组成部分，正如所讨论的，如果我们明确地揭示了相关干扰的利弊。最后，我们总结了论文。
目前技术水平
首先从SWIPT文献的清晰调查开始，然后总结现实中的无线收发机结构。由于允许引用的文献数量有限，只有一些重大的SWIPT文献会被引用，我们对此深表歉意。在此之后我们会有更加全面的调查。
理论研究
目前SWIPT技术的相关理论研究文献存在一定空缺，几乎集中于能量相对容量的权衡。之前的研究结果表明，一个重大的权衡存在于可利用的能量和典型信道的最大容量，例如：二进制对称信道和加性高斯白噪声信道，这表明最大信息传输速率在一定程度上是要加上最大化能量传输。实际上，当考虑宽带衰落信道时，作者确认能源和能力之间的这种基本权衡，其中经典的在整个频段上基于注水算法的能量分配可实现信息速率的最大化，但是通过利用总体可用功率在单一频率传输使能量传输最大化，导致降低了信息速率。关于这种基本权衡在窄带多输入多输出信道中也得到了相似的结论，其中基于注水算法的横跨信道矩阵的所有特征值的功率分配使信息速率最大化。相比之下，能量传递是通过在特定方向符合最大本征值集中所有可用功率实现最大化。进一步研究其他不同的重要信道模型，如：干扰信道，多址接入信道，单播/多播信道和秘密信道。
除了这些理论结果，还提出了促进SWIPT技术的实用接收机架构。除了专注于接收机结构的单向SWIPT的广泛研究，SWIPT的范围也会进一步扩大到双向，其中一对节点交互通信和交换功率。一个相关的课题是无线供电通信，它是发射机传送能量到接收机，然后转换为直流电，并在相反方向上对目的地的信息传输中再次使用。最后，其它一些论文考虑了不同的能量辅助系统，如：多载波系统、辅助继电器安排、认知无线电设置和波束成形辅助系统。
实用结构
上述大多数信息的理论观点是基于信息能够在接收能量的同时取出这一假设得到。然而实际中的收发器可能很难稳定地实现这一功能。从实现的角度，有四种类型的收发器可能支持SWIPT系统，正如图1所示。
构建模块：在继续我们的详细阐述之前，首先介绍能量传输信道和信息传输信道的概念，在图1中可以看到能量传输信道通常由将射频电源转换为直流电源的整流器和一个（多级）直流升压器组成。随后将电能存储在电池中。注意从纯电能传输的角度来看，天线和整流器是作为一个共同的硅整流二极管天线。另一方面，信息传输信道通常由在前端射频到基带下转换处理和之后调用的基带数字信号处理模块组成。更明确地说，有各种不同的射频到基带的设计，它通常包括滤波器，混频器，放大器和模数转换器等。
不同的电磁波：第一种类型结构利用两个电磁波分别传输信息和能量来实现SWIPT系统。最直接的选择是并行独立的结构，如图1a所示，其中两对发射机和接收机并行应用于两个良好分离的电磁波，自然一个用于能量传输，另一个用于信息传输。这两个接口可以独立工作或者被控制器协调。与此相反，合并选项由图1b中所示的并行组合架构构成，其中能量传输过程被混合到信息传输过程中是通过混合用于能量传输的低频载波和用于信息传输的高频载波。在超外差接收机完成下转换操作后，低频载波通过整流器转换到直流，随后进入能量传输信道，同时高频载波经过处理转换到中频后进入信息传输信道。
相同的电磁波：第二种类型架构通过依赖于单个电磁波传输能量和信息来促进实现SWIPT。实际SWIPT的接收机可以操作两种不同的模式，即基于时间切换或功率分流，如图1c中所示。更具体地，在时间切换模式中，接收机交替启动信息传输信道和能量传输信道。另一方面，在功率分流模式中，接收的一部分能量被用于驱动接收机，同时剩余的部分接收能量用于检索信息。注意，当分流的比例是1或者0时时间切换模式可能被看作是功率分流模式的一种特殊情况。当接收机可接收信道信息时，这两种操作模式可以进一步优化配置。
Varshney的理论：除了上述的结构外，更有利于结合信息和能量传输的哲学被当作是Varshney重大理论的终极目标，其中提出了能源和信息传输应该是天生相互关联。就此而论，提出了集成的结构，如图1d所示，用于能量传输的整流器在接收端也作为前端实现射频到基带的下转换。然后，得到的直流信号通过切换或分流方法被传输到能量存储器和信息检索模块。为了使SWIPT能够使用集成接收器，需要特定设计的调制特定能量，其依赖于Varshney“概念说明“信息是仿照物质能量模型”。最后，这也值得指出图1c和图1d的方法之间的基本差异是前者需要包括整流器和射频到基带的下转换，而后者只需要一个整流器。
设计方面和可能的解决方法
让我们集中于之前已经讨论过的利用完全相同的电磁波，同时从链路级和系统级观点考虑设计SWIPT系统的重要方面，和多种可行的解决方法和潜在的研究思路。
链路级设计方面
SWIPT中有几个链路级的重要设计模块值得特别注意。这包括高效和紧凑的天线设计、电池管理的智能设计、以及强大的和健壮的基带信号处理算法设计。现在让我们从SWIPT系统的最后一点通信观点来阐述，当读者参考文献关于天线设计和电磁管理的交叉学科细节。更特别的是，当考虑到SWIPT系统的特征时，有三个物理层部件必须更详细地讨论，而且多天线辅助技术也是SWIPT实际开发中非常关键的部分。
多天线技术：关键的实际应用——有几个制约因素从根本上限制了SWIPT系统的发展。第一，电磁波受到健康和安全的规定限制，由发射源提供的能量通常是被限制的。例如：一个宏基站46dBm功率，而室内接入点具有23dBm的发射功率。第二，敌对的无线传播，包括路径损耗、阴影衰落和多径衰落，很大程度上减少了接收射频功率的平均值。第三，Powercast最先进的整流天线展示了50%的转换效率，它智能某个特定的射频输入功率水平之上被触发，通常高于－15bBm。其结果是，上述事实的组合效果显示了SWIPT系统只能被限制于一个较短的范围中。
为了延伸SWIPT所能工作的范围，多天线是必要的，因为它们能够提供较大的天线孔径和较高的天线增益。实际上，要在一个紧凑的衬衣口袋大小的通信器中容纳很多天线，很高的载波频率是SWIPT系统所必要的，如5.8GHz或者更高。当配备有多个天线，两个不同的信号处理操作是有希望的：在模拟域波束成形实用移相器有/无复加权和数字域预编码，这可能被灵活地设计成满足预定速率和/或功率约束。事实上，波束成形技术可以被认为是SWIPT系统的关键，而且大部分的公开文献都是集中于研究这一课题。例如徐等人在文章中考虑了多输入单输出下行系统的功率波束成形概念。此外，Park和Clerckx在文章中为依赖于多发射器和接收器的K用户的干扰受限系统设计了一个波束成形辅助解决方案，而李等人在文章中考虑使用多发射器和接收器来实现功率的协同波束形成的设计。最后，还积极讨论了一系列的实际问题，如：只有部分的信道状态信息需要依赖于实际的信道状态信息反馈设计。遗憾的是，这些解决方案不能在这里引述因为允许音乐的参考数量有限。
信道编码：链路可靠性的关键——SWIPT可能会引发能量耗尽，这会导致由于电压变化诱发过程中的误差和由于只在传统无线通信中的无线传播引起的信道误差。更详细的说明这点，SWIPT接受端通常被认为是被动或者半被动的，依赖于接收的能量来驱动接收电路。在这种情况下，时变操作和信道条件会导致接收电压的不时波动。当其发生时，电子信号的传播延迟在接收段电路中将会延伸并可能超过同步电路的定时时钟的周期。这将导致处理错误，破坏在接收端电路中电子信号所代表的数据。因此，需要稳健的信道编码设计来减轻信道引起的误差和过程引起的误差，这可能发生在任何一个接收电路包括信道编码电路本身。
SWIPT的信道编码设计还必须取得传输能量效率和能量处理效率之间的效率平衡。这是因为信道编码中促进高能量传输效率是复杂的，因此通常遇到低能量处理效率。在这里，图2比较了传输相关和在一定范围不同信道码中由信号处理引起的能量消耗。另外，SWIPT系统的另一个特征是潜在的不连续的操作，在这里接收端会观察到间断的能量和信息接收。由此来看，信道编码设计应该容忍这种变化性或不连续性，这需要一个强大的短延时编码设计。综上所述，为了给SWIPT系统设计整体的信道编码方案，信道编码的硬件和算法方面需要被重新审查。因此设想去设计延时限制的短编码来抵消它们潜在的不连续操作，这也考虑到能量耗尽的问题。
调制：当图1c的功率分流接收机被应用时，任何传统调制方案都可能被应用。与之相反，当Varshney的理论被采用，图1d的集成接收机结构被应用时，能源敏感调制方案将被采用。这是因为没有明确的射频到基带下转换链被图1d中的集成接收机使用。另一方面，在集成接收机的前端调用天线用于功率转换仅提取能量。这使人想起从灯中获得能量，例如：对入射光平行排列的硅柱为了提高可接收的光子数，辐射状的PN结是用于有效地收集载流子。因此，强度调制经常用于光通信中，具有很大的好处。一个典型的例子是经典的开关键控，其中二进制的1携带能量，0不携带。同时，能量传递模式（特殊情况是一个1的出现）传送信息。因此，能量和信息传递的二元性明显地表现出来。一个相关的观察结果是产生不相等数量的1和0的可变长度的受限信道编码方案被发现时有利于满足联合能量和信息传输的
全文共7208字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[144593]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
