本科毕业设计（论文）
外文翻译
射频无线功率传输：重新定位未来网络
作者：Ha-Vu Tran和Georges Kaddoum
国籍：Canada ，France
出处：IEEE Potentials Magazine
摘要：绿色无线电通信是一个新兴话题，因为信息和通信技术（ICT）服务的总体足迹预计在2007年到2020年之间将增加两倍。鉴于此研究线，能量收集（EH）和无线电力传输（WPT）网络可以 被评估为有前途的方法。在本文中，由作者提供了EH和WPT平台上的未来绿色网络最新趋势概述。 通过重新思考射频（RF）-WPT的应用，引入了一种新概念，即绿色RF-WTP。 因此，详细讨论了当前技术（例如小蜂窝，毫米波）和物联网（IoT）网络之间的开放挑战和有希望的组合，以寻求解决方案以解决如何重新定义未来的网络？
一、引言
在过去几年中，绿色无线电通信引起了研究界的广泛关注，并对电信业务，无线技术和自然环境等各方面产生了强烈影响。具体而言，由于无线网络运营，电力成本和二氧化碳排放量一直在增加。例如，基站（BS）的数量超过400万，每个BS每年平均消耗25MWh（估计约占总网络功耗的80％）。考虑到环境因素，产生足够的电力来供应网络会导致大量的二氧化碳足迹。特别是到2020年，信息和通信技术（ICT）服务（例如计算机，手机和卫星网络）的总体占地面积预计将增加两倍。
最近，对于未来的绿色世界，能量收集（EH）技术有可能解决能源效率低下的问题。这种方法的主要优点可以双重呈现。首先，EH技术利用来自天然来源的绿色能源，例如太阳能和风能。因此，它有助于减少总体占地面积，以保护周围环境。如今，使用常规能源（例如柴油）的普及仍然主导着绿色资源的使用。然而，尽管EH解决方案的总体实施成本高于传统解决方案，但这种成本可能在经过几年的运营后得到补偿。其次，未来网络的另一个主要挑战是延长智能用户设备的使用寿命。考虑到这种担忧，EH网络在各种特定应用中占据了巨大的优势。例如，EH是降低无线传感器网络中电池更换成本的有效解决方案。此外，它可以为在传统电源不可行的区域中工作的设备充电，例如，在有毒环境中工作的机器人设备。然而，来自自然资源（例如太阳能和风能）的收获能量可能随时间随机变化，并且取决于位置和天气条件。换句话说，从这些来源收获能源是不可控和可持续的。例如，夜间太阳光不足以产生能量，或者室内装置难以收获太阳能。在这种情况下，射频（RF）无线功率传输（WPT）可能是克服这种缺点的有希望的方法。
在本文中，我们提供了一个全面的回顾，以解决所提到的重新审视未来世界的问题。在更具体的细节中，本文的主要贡献可概括如下。首先，通过重新思考RF-WPT的使用，引入了所谓的绿色RF-WTP概念。其次，介绍了基于EH和绿色RF-WPT平台的未来绿色网络愿景。因此，我们讨论了潜在的情景，目的是将绿色资源与网络中的室内耗能设备联系起来。第三，突出了诸如小型单元块，毫米波，物联网（IoT）等各种有趣概念的应用。鉴于这种担忧，确定了每个概念的挑战。此外，我们讨论了现有概念的一些有吸引力的组合，例如全双工，RF-WPT和毫米波的混合，并研究后者如何正确地协同工作。为此，未来有希望的趋势将为未来重新定义的网络提供解决方案。
二、能量采集和绿色射频无线功率传输
在本节中，显示了EH模型的概述和绿色RF无线功率传输的讨论。
A.EH模型
可以通过利用来自周围环境或热源和机械源的能量，然后将后者转换为电能来描述EH方法。所产生的电流可用于通过RF无线电力传输来供应设备。一般而言，EH模型可以分为两种具有收获用途和收获 - 商店用途的架构。在第一个中，收获能量，然后立即使用。此外，鉴于第二个，尽可能多地收获能量，然后储存以备将来使用。在下文中，我们将讨论此类模型的特征。
在收获用途架构中，EH系统直接提供设备。为保证设备的运行，EH系统的功率输出应高于最低工作要求的阈值。否则，由于没有足够的电源，设备将被禁用。因此，接近阈值的意外收获能力波动使得工作装置在ON和OFF状态下摇摆不定。
此外，收获 - 商店使用模型包括存储所收集的能量并且还为所连接的设备供电的组件。由于存储，可以收集能量直到足以供应设备。此外，当缺乏产生的能量或者设备需要提高工作性能时，可以存储这种能量用于以后的使用。存储组件可能包括主存储和辅助存储的两部分。在这种情况下，可以将辅助存储视为备份存储。特别地，收获 - 商店使用系统可以使得非稳定但可预见的能源（例如太阳能和风能）在使用中更有利。
B.Green RF无线电力传输
在过去十年中，太阳能，风能，机械能和热能可被视为产生可用于无线网络的绿色能源的最有效资源。然而，这些来源的主要缺点是缺乏稳定性。在寻求替代解决方案时，研究界已经探索了属于300 GHz至3 kHz频率范围的无线电信号可用于通过空中传输能量。在此基础上，发射器可以在必要时通过发送能量承载RF信号主动为无线设备充电。这是所谓的RF-WPT技术的原理。
事实上，众所周知，EH是一种绿色技术，因为它有助于减少占地面积。然而，在共同愿景中，RF-WPT技术似乎对周围环境有害，因为它会产生电信号以产生RF信号，并对人体造成电磁污染以及对数据传输的干扰。通过重新思考RF-WTP技术的作用，我们建议将RF-WTP视为绿色资源。
（i）使用从绿色资源中获取的功率生成携带能量的RF信号（例如，BS与室外能量采集器连接收获和储存绿色能源，然后使用这些能源使用RF信号无线充电到室内设备）
（ii）严格限制用于增加发射功率（即遵循联邦通信委员会批准的等效全向辐射功率（EIRP）要求）。在这项工作中，满足这两个条件的RF-WTP就是所谓的绿色RF-WTP。绿色RF-WPT技术的特征可列举如下
bull;绿色RF-WPT技术是绿色能源和能源饥饿设备之间的桥梁。
bull;在接收器处收获的能量是可预见的。
bull;收获的能量属于发射功率，传播损耗和波长。
实际上，预计绿色RF资源是未来应用中最有趣的候选者之一。
图1.绿色RF-WPT
三、未来绿色和EH网络的愿景
A.用EH预测未来绿色网络的模型
未来的网络，例如5G，预计将支持多媒体应用，以实现1000倍的吞吐量，每单位面积1000倍的移动数据，以及比第四代（4G）网络长10倍的设备寿命。为了适应这一进步，新蜂窝网络的设计倾向于采用大规模部署小蜂窝的新形式。通常，小型单元块可以被分类为不同类型，包括毫微微小型单元块，微小型单元块和微微小型单元块。事实上，由于低功耗和良好的无处不在的连接性，多层HetNet在光谱和能源效率方面获得了巨大的收益。
另一方面，如今，无线网络的发展已经打破了功耗的限制，特别是在蜂窝网络中。此外，由于网络运营，能源成本和二氧化碳排放量迅速增加。具体而言，这为研究人员带来了一个具有挑战性的话题，即所谓的未来绿色无线网络。作为一种有前途的解决方案，EH技术利用自然资源，然后有助于减少总体占用空间并延长网络生命周期。然而，并非所有设备都可以使用自然资源。例如，室内设备难以收获太阳能。这产生了另一种趋势，即BSs与室外收割机相连，当自然资源可用时，室外收割机可以收获和储存绿色能源。之后，BS使用这种能量使用RF信号对用户设备进行无线充电。
未来绿色网络的另一种方法是绿色物联网的概念。实际上，物联网是一种新兴趋势，数十亿个已识别的低功率设备（例如传感器节点）彼此连接而无需人为交互。它可以提供减少二氧化碳排放，减少电磁污染和提高能源效率的解决方案。例如，通过跟踪运动传感器，可以关闭室内没有人的灯。此外，绿色物联网技术可以监控高科技建筑的能源使用，以减少能源浪费。事实上，绿色物联网有望增强所有技术，经济和环境效益。特别是，物联网网络架构主要依靠无线传感器网络（WSN）平台和协作网络将设备连接在一起。在这种担忧中，对于大量物联网设备的电池再充电确实具有挑战性。因此，将绿色物联网概念应用于未来网络需要先进的解决方案，以延长设备的生命周期，资源管理和节能通信协议。
考虑到所有感兴趣的问题，在下文中，我们进一步讨论了绿色未来网络的几个潜在概念，如图2所示。具体而言，确定了实施每个概念的挑战。
图2.未来的绿色网络
- Green无线电通信：
1）全双工网络：如上所述，可能无法直接获取绿色能量的室内设备可以通过BS发送的RF信号无线供电。因此，这启发了全双工和同时无线信息和功率传输（SWIPT）技术的组合。同时，设备可以在下行链路传输中接收能量，同时在上行链路连接中传送信息以提高频谱效率。
此外，我们讨论了全双工SWIPT系统的两个潜在研究问题。首先，全双工节点处的天线通常被分成发送和接收集。为了提高SWIPT系统的性能，非常需要一种先进的全双工技术形式，即每个天线可以同时发送信息/能量并在同一频带接收能量/信息。实际上，这种方法主要取决于新的硬件设计和自干扰消除技术的新创新。其次，全双工SWIPT小型单元块基站可以提供有关HetNets中无线回程的有前景的方法。在下行链路中，小型单元块BS可以从宏小型单元块接收信息并同时向用户发送信息/能量。在上行链路中，小型单元块BS可以接收信息/能量并同时向宏小型单元块发送信息。在此基础上，小型单元块BS不需要单独的回程连接频带。因此，减少了资源和实施成本。
2）毫米波网络：受益于毫米波传输，由于毫米波频率的高自由空间衰减，高定向天线，整体电磁场暴露和网络每比特传输的功耗降低和短距离链接。因此，毫米波通信被认为是未来绿色蜂窝网络的主要候选者。由于超高频带处的大量频谱资源，该方法有望实现数千兆比特的数据速率。具体而言，EH设备可以从入射的RF信号中提取能量。此外，在毫米波系统中，许多BS被密集部署以确保适当覆盖超高频网络。因此，这对于EH设备可能具有吸引力以获得足够的能量。
在超高频带中，毫米波信号主要受传播损耗的影响，例如穿透性和衍射性差。为了使毫米波网络更有利于SWIPT，波束成形技术可以成为提高网络覆盖范围和系统性能的有前途的解决方案。此外，在毫米波网络中，尽管小波长信号允许大型天线阵列提供高波束成形增益，但它们需要发射和接收波束之间的对准以达到最高可能的性能。在这些问题中，波束宽度设计存在一个非常重要的问题。实际上，波束搜索开销的长度与波束形成器候选者的数量成正比。波束宽度越窄，波束形成器候选者的数量越多，然后开销越长。这导致数据传输的时间减少。相比之下，更宽的波束宽度意味着发射和接收波束更容易对准，并且波束搜索过程加速，然而，波束成形增益减小。因此，未来的工作应考虑波束宽度在各种环境中的影响，以最大限度地提高SWIPT系统的性能。
3）无线传感器网络：在过去几年中，由于安装灵活，维护方便，无线传感器网络的发展趋势是最具吸引力的主题之一。因此，已经提出了许多标准，例如WirelessHART，WIA-PA和ISA100.11a。特别是，物联网技术主要在WSN平台上实现。通过物联网与传感器的集成，传感器设备可以与全球互联网互连，以便为未来的网络提供解决方案，例如减少高科技产品中的能源浪费。
具体而言，由于大量传感器，在物联网无线传感器网络中更换或充电电池可能需要时间和成本，并且该过程对于危险环境中的人类变得危险。因此，来自自然资源的EH和用于WNS的RF信号被认为是延长传感器寿命的有希望的解决方案。
作为与传统无线传感器网络的主要区别，EH-WSN在信息传输和EH要求之间的公平性方面需要新的标准。实际上，网络可能无法适应EH要求，同时确保其他系统性能，例如吞吐量，延迟或数据包丢失。因此，数据传输和EH之间的利用是设计EH-WSN的关键问题之一。因此，有效的资源分配方案应该考虑这样的问题以实现EH-WSN的高能效。
4）协作中继网络：最近，协作中继网络被评估为物联网技术的主要核心网络之一，其中物联网节点可以相互通信并将信息和能量转发到远程节点。到目前为止，许多成熟的协作通信研究工作已经清楚地表明，继电器不仅可以扩展覆盖范围，还可以提高无线通信的性能。此外，已经提出并研究了EH / WPT中继网络的概念，以增强设备的寿命和无线网络的整体性能。在协作EH / WPT中继网络中，提高物理层的性能增益是主要的研究方向之一。因此，大多数先前的努力试图设计关于中继操作策略，功率分配，预编码器优化和中继选择的新颖方案。
考虑到现有的挑战，使用绿色RF-WTP的协作中继网络的频谱和能量效率的提高是显着的。在这方面，全双工或双向中继方法可能是一种很有前景的解决方案。此外，建议开发的资源分配方案应考虑不完整信道状态信息（CSI）的影响（例如，中继节点具有部分用户的CSI），以及中继节点和用户处的能量状态（例如，可用的）能源，当前功耗从自然资源或RF信号中获取的预测能量对系统性能的影响。
四、未来研究问题
在前一节中，介绍了每个概念的几个挑战。在未来的网络中，由于无线通信系统应该是各种新颖系统概念的混合，以提高频谱和能量效率，现有概念的一些有趣组合将讨论如下：
图3 具有全双工通信的Mm-wave SWIPT网络
A.当全双工通信遇到毫米波SWIPT
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