[发明专利]一种基于能量-信息权衡传输的无线携能通信系统及其方法

说明书

本发明公开了一种基于能量‑信息权衡传输的无线携能通信系统及其方法，主要解决现有携能通信系统无法实现最优能量分配的问题。本发明的系统包括基站端部分和用户端部分，基站端部分由基带通信模块、发射天线模块组成；用户端部分由接收天线模块、蓄电池模块、电量检测模块、能量分配模块、信息接收模块、能量采集模块组成。本发明方法实现步骤包括：（1）基站端发送信号；（2）用户端天线接收信号；（3）蓄电池电量检测；（4）能量分配模块；（5）信息接收；（6）能量采集。本发明实现对信息传输和能量收集做出最优的分配，适用于直链链路的携能通信中。

技术领域

本发明涉及一种基于能量-信息权衡传输的无线携能通信系统及其方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

近些年来，移动互联网和智能终端的普及使得人们对无线通信质量以及传输速率的要求越来越高，对无线通信技术不断提出新的挑战。随着新一代移动通信技术的发展和可穿戴设备的出现，通信终端的硬件配置越来越高，能耗也越来越多，如何长期有效地为智能终端提供能量成为实现“绿色通信”的一个非常关键的问题，也是制约通信系统进一步发展的难题。

目前的研究主要从“开源”和“节流”两个方面来解决移动终端日益增长的能量需求问题。一方面，所谓“节流”是指提高通信系统的能量效率，减少能量损耗。另一方面，所谓“开源”就是指利用无线能量传输以及能量收集等技术增加通信终端的能量补给方式。无线电能量传输利用无线电的手段，将由电厂制造出来的电力转换成为无线电波发送出去，在通过特定的接收装置将无线电波收集起来并转换为电力，供人们使用。2010年，海尔公司推出不用电源线，信号线和网络线的“无尾电视”标志着远距离高效无线电力传输技术已经成功地应用于日常的生活中。

在这些解决能量需求方案中，无线携能通信技术(Simultaneous wirelessinformation and power transfer，SWIPT)被认为是便捷，安全和“绿色环保”的一种能量收集技术，它是无线能量传输(Wireless Power Transfer,WPT)与无线信息传输(WirelessInformation Transmission, WIT)相结合的产物，所以兼顾“开源”和“节流”两个方面的优势。在无线携能通信技术中，配备能量塔(Power Beacons，PBs)的基站端向移动终端无线的传输能量或者传输信息，这将使得移动终端能够不受电池使用时间的限制并且可以淘汰充电器和充电电缆，这也符合“绿色通信”的发展要求。基于信息与能量并行传输这一显著特点，无线携能通信技术有望广泛用于高速射频标签(Radio Frequency Identification，RFID)、物联网、恶劣工作环境下的传感器网络以及各类移动终端之间的信息交换与能量传输，有望在实现高速信息交换的同时，通过提取接收信号中的能量有效地向各种终端设备提供能量，从而避免了传统有线带来的布局不方便或电池供电所带来的需要频繁更换的不便，极大地延长其待机时间。所以，对无线携能通信技术的研究具有现实意义。

目前无线携能通信技术还存在3方面的挑战：如何建立能量塔与移动终端之间的直视链路，如何在能量塔形成可以对抗衰落损失的能量束，如何提高终端的能量接收效率和减少能量损耗。相对应的3个方面的技术可以应对这些挑战：在可以连接电网的便利地点单独低成本和密集部署能量塔，或者结合中继网络部署；正在积极发展的拥有成十上百天线元件的大规模整列天线技术可以形成面向终端的能量束，使得无线能量传输效率接近1；微小区的不断部署，能量分配技术都可以有效的提高终端的能量接收效率。所以说，将来部署足够密度的能量塔能够有效地实现对移动终端的能量补充。

本发明正是围绕无线携能通信中如何提高终端的能量接收效率和减少能量损耗的问题展开相关研究，以期在“如何通过实现数据传输速率与能量传输的权衡，提高终端的能量接收效率和减少能量损耗？”这个关键问题上获得突破。研究各种无线携能通信场景中的接收器模型，建立数据传输和能量传输的数学关系式，正是解决上述问题的前提之一；而研究使数据传输和能量传输同时最优的帕斯托最优解，则给出了上述问题的一个可选方案。