SWIPT技术（无线通信携能技术）的简介与架构——（后续补充无人机SWIPT方向）

SWIPT

一、SWIPT（无线通信携能）技术简介

SWIPT（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer ）是各种WPT技术中最近开发的一种技术，它能够同时无线传输信息和电力。SWIPT的概念是由Varshney首次提出的，他使用容量能量函数联合无线信息和功率传输的性能优化公式从理论上进行了分析[1]。

在这里插入图片描述

1.1、组成：

  • 无线信息传输WIT技术
  • 无线能量传输WPT技术

1.2、与传统无线通信的区别：

  • 传统无线通信的单纯信息传播交换

  • SWIPT技术可以实现在传输信息的时候，也能够向终端节点传输载有能量的信息部分，然后经过一系列的信号调整过程，接收到的无线电能会被存储在终端设备的电池中，用于补偿该终端设备日常信息交换传输产生的能量损耗

1.3、SWIPT 的集成接收器架构设计

作为射频能量采集重要组成部分的无线携能通信技术，能够实现无线设备的并行化信息交互与能量供应。SWIPT技术利用接收端处接收到的信号同时进行信息解码（Information decoding，ID）和能量采集（Energy harvesting，EH）。通常，在SWIPT系统中不可能对相同的接收信号执行能量采集（Energy harvesting，EH）和信息解码（Information decoding，ID）操作，因为RF信号上的EH操作会破坏信号的信息内容。此外，由于能量收集有限，单个天线接收器可能无法促进可靠的能量供应。因此，为了实际实现SWIPT，要么必须将接收的信号分成两部分，要么需要将单独的天线用于EH和ID。

  • （a） 分离的接收器架构，其中能量和信息解码将接收器分开。
  • （b） 时间交换架构（TS架构）：根据预定义的时间因数，将为连接的天线分配一个时间来收集能量和信息解码。
  • （c） 功率分路（PS）架构：PS接收机根据一定的PS比将接收到的信号分成两个电源流。
  • （d） 天线切换接收机：基于优化算法的采集能量和信息解码之间的天线切换

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1、单独的接收器

在这种独立的接收器天线架构中，ID和EH电路都作为两个具有独立天线的独立接收器提供，由具有多个天线的发射器提供服务。此外，这两个独立的天线观察不同的信道。这种接收器架构可以使用用于 EH 和 ID 接收器的现成组件轻松实现。此体系结构允许同时和独立地执行 EH 和 ID。信道状态信息（CSI）和接收器反馈可用于优化可实现EH和信息速率之间的权衡。

2、TS架构——时间开关(Time switching,TS)

TS 架构（也称为共置接收器架构）共享用于 EH 和信息接收的同一天线。该架构中使用的接收器包含一个RF能量收集器、信息解码器和一个开关，用于改变系统中接收天线的类型。根据 TS 序列，接收器天线或天线会定期在 ID 和 EH 电路之间切换。此外，TS 接收器还需要准确的信息/能量调度和时间同步。

  • TS模式会将每一个信号传输间隔分解成两个独立的间隔，两个间隔分别分配给信息传输过程和能量传送过程，接收信号通过时间切换器周期性地分配到ID端和EH端
  • a定义了每个传输帧的传输时间分配比率

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3、PS架构——功率分流(Power splitting，PS)

PS接收器将接收到的信号分成两个具有一定PS比的不同功率电平的功率流，然后在接收器上执行信号处理。之后，两个电源流都被发送到信息解码器和能量收集器，以实现同时ID和EH 。

  • 接收天线处接收到的信号首先会受到信道噪声以的干扰。通过功率分配器之后，信号会被分流为两个部分，一部分用于为信息解码，另一部分用于能量采集。
  • p为功率分配系数。
  • 在ID的信息解码过程中，会产生另一种影响ID端解码性能的信号噪声。
  • 在EH端，接收到的信号被转换成所需要的能量，用于后续的二次利用或存储。

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无论是单天线接收器还是多天线接收器，PS和TS模式均适用，

4、天线开关接收器

EH 和 ID 之间的低复杂度天线切换可用于启用 SWIPT 。例如，当接收器上的天线子集在 ID 上工作时，其余天线可以在 EH 上工作。与时间开关和功率分流相比，天线开关相对容易，并且对实际的SWIPT架构设计具有吸引力。

主要两种架构的区别

  • TS模式更容易实现
  • PS模式能够更好的平衡传输速率和能量收集之间的关系
  • TS模式需要发射端和接收端双方具备精确的时间同步，这就要求接收端需要根据发射器的时间信息调整其时间切换状态
  • PS模式比TS模式更适合应用于实际的通信系统中

参考文献

SWIPT的发展

[1] Varshney L R. Transporting Information and Energy Simultaneously[C]//2008 IEEE International Symposium on Information Theory. IEEE, 2008: 1612-1616.

[2] Zhang R, Ho C K. MIMO Broadcasting for Simultaneous Wireless Information and PowerTransfer[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2013,12(5): 1989-2001.

[3] Zhou X, Zhang R, Ho C K. Wireless Information and Power Transfer in Multiuser OFDM Systems[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2014, 13(4): 2282-2294.

[4] Agiwal M, Roy A, Saxena N. Next Generation 5G Wireless Networks: A ComprehensiveSurvey[J]. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2016, 18(3): 1617-1655.

[5] Lu X, Wang P, Niyato D, et al. Wireless Networks With RF Energy Harvesting: A Contemporary Survey[J]. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2015, 17(2): 757-789.

[6] Krikidis I, Timotheou S, Nikolaou S, et al. Simultaneous Wireless Information and Power Transfer in Modern Communication Systems[J]. IEEE Communications Magazine, 2014, 52(11): 104-110.

[7] Ding Z, Zhong C, Ng D W K, et al. Application of Smart Antenna Technologies in Simultaneous Wireless Information and Power Transfer[J]. IEEE Communications Magazine, 2015, 53(4):86-93.

[8] Liu Y, Ding Z, Elkashlan M, et al. Cooperative Non-Orthogonal Multiple Access with Simultaneous Wireless Information and Power Transfer[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2016, 34(4): 938-953.

[9] T. D. Ponnimbaduge Perera, D. N. K. Jayakody, S. K. Sharma, S. Chatzinotas and J. Li, “Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT): Recent Advances and Future Challenges,” in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 20, no. 1, pp. 264-302, Firstquarter 2018, doi: 10.1109/COMST.2017.2783901.