摘 要: 在物联网时代，越来越多的小的传感执行设备大量逐渐涌现，而且这些设备往往是电池供电. 因此，除了日益增长的数据通信需求之外，所有设备的能量需求也成为了限制万物互联的一大瓶颈. 目前已经有很多无线传能技术，但往往是基于感应技术，传能距离在几十厘米的范围内，无法满足众多的物联应用场景. 无线射频能量传输凭借其相对而言的长距离特性以及便捷性和可控性成为了缓解该问题的一项关键技术. 借助于已经存在的用于数据通信的射频设施( 如基站或是室内的无线宽带路由器等) 进行无线传能具有极大的应用价值; 同时利用电磁波的特性，数据和能量可以同时搭载在电磁波上进行传输，由此带来了本文首先要介绍的无线数能同传和数能一体化通信网络 DEIN( Data and Energy Integrated communication Networks) 的概念. 在介绍 DEIN 整体架构的基础上，本文提出了一种基于无线数能同传的 MAC 协议设计方案，以传统的载波侦听多址协议/碰撞避免( CSMA/CA) 为基础，引入主动能量请求机制，以同时满足用户设备的数据和能量需求. 仿真结果对协议的性能进行验证.
关键词: 无线射频能量传输，数能一体化通信网络，接入控制协议
0 引言
在当今能源日益紧缺的情况下，研究如何在能源互联网中满足信息传输需求的同时降低能量需求、或者实现局部微电网能量的自供给具有重要的研究意义. 5G 和物联网等技术将满足人们对超高流量密度、超高连接密度以及超高移动性的需求，能够为用户提供高清视频、虚拟现实、增强现实、云桌面以及在线游戏等极致业务体验，这必然给基站和用户端带来更大的耗能，尤其用户端移动设备的电池续航能力以及物联网终端设备的供能将面临巨大的挑战. 于是人们开始在提高无线通信网络性能的基础上考虑能源的消耗，希望做到网络性能与能源消耗的一种最优权衡，并试图给出革命性的无线充电方案，随时随地为终端设备补充电量，提高终端设备的待机时间.
无线能量传输技术( Wireless Energy Transfer，WET) 正受到来自学术圈、工业圈等多方面的关注. 主流的无线能量传输技术主要包括如下几种: 电感无线传能技术、磁感应无线传能技术、激光传能技术、微波传能技术等.
电感无线传能技术是一种近场能量传输技术，它使用磁场作为介质，并使用变压器耦合，通过初级和次级线圈感应产生电流，以进行能量传输. 电能可以通过许多非金属材料传输，因此能量从发射器传输到接收端，实现无电气连接的传输. 电感无线传能传输功率高达数百千瓦，但传输距离却在 1 cm 以下. 当变压器松耦合时，在高频交流励磁作用下，变压器原、副边之间存在较强的电磁耦合，使得大气隙下的能量传递成为可能[1].
电磁共振功率传输( ERPT) 主要利用电磁共振和强电磁耦合的工作原理，在接收天线的固有频率与发射场的电磁频率一致时实现电能的高效传输. 从能量传输的角度来看，电力传输至少需要两个线圈. 除此之外，为满足功率匹配和负载匹配，有研究[2]在已有的两个谐振线圈的基础上，增加两个感应线圈使电源与发射线圈隔离，负载与接收线圈隔离. 激光无线能量传输是近十年来发展起来的一项新技术. 该激光器具有单色性好，指向性强，能量集中的特点[3]，可将光能传输到配有光电转换装置的长距离光传输设备的电力设备，为能源安全提供源源不断的流动. 而激光作为能量传输的载体，系统要求设备的体积和质量只有同类微波设备的 10% 左右，且不会干扰同一颗卫星的卫星信号，该技术有望在无人机、微型飞机、微型卫星、太空探测器、无线传感器网络、移动负载等领域进行大规模应用，因此受到众多军事专家的青睐，具有很大的军事价值. 虽然其军用发展前景非常广阔，但是民用市场受限.
在民用市场一种比较可行的技术是微波传能. 微波传能技术是将电能转化为微波，使微波自由空间传输到目标位置，然后进行整流，转换成直流电，提供给负载. 一个微波能量传递系统的几个基本组成部分包括直流-微波转化、发射天线、空间传输、接收与直流转换. 虽然他们各自实验的每个部分都能够分别达到最大效率，但是在一个完整的系统中不能同时完成，如果每个部分的传输效率可以较好地匹配，则总传输效率可能会有很大提升.
在我们日常使用的 300 MHz 至 300 GHz 频谱中，布满了电视塔，公共无线电广播站，蜂窝基站和其他类型的射频信号信号发生器. 这些射频信号构成了丰富的能量源，可以为通信设备提供能量. 与其他方法相比，从 RF 信号收集能量有着不同的特性. 首先，由于射频信号是由人造发射机发射到环境中，所以不是从自然资源中获取能量. 由于射频信号携带的能量最初是从传统的能源，如电网等进行收集的，所以从射频信号收集能量可以被视为能量回收技术. 其次，从射频信号收集能量不需要繁琐的能量收集器，如太阳能电池板和风/水轮. 整流器足以将由 RF 信号携带的交流电转换成直流电，这些电能可以存储在能量缓冲器中，或者可以被调用以直接驱动负载. 因此，基于 RF 信号的能量采集非常适合为微型通信设备供电.
那么，同一频段下工作的无线传能( WET) 与无线传数( wireless information transfer，WIT) 具有以下的特点:
( 1) 功能模块差异
通带 RF 信号不能直接进行信息传输和能量收集. 对于信息传输，通带 RF 信号必须首先转换为基带，因为所有的信号处理必须在基带完成. 相反，对于能量收集，由通带 RF 信号携带的 AC 能量必须首先转换成 DC 能量，因为只有 DC 能量可以存储在电池中或驱动负载.
( 2) 接收机接收能量门限差异
能量收集模块必须由接收到的射频信号携带的相对较高的能量激活，这个能量大约为 - 10 dBm.如果接收到的 RF 信号所携带的能量低于最小阈值，则不能收集该能量. 相比之下，RF 信号携带的信息的成功恢复在很大程度上取决于所接收的 RF 信号与噪声加干扰之间的能量比，而不取决于 RF 信号所携带的绝对能量. 即使是少量的能量也能够激活信息解码模块，其量级为 - 80 dBm.
( 3) 覆盖距离差异
RF 信号被无线信道的路径损耗，阴影和多径衰落所影响. 由于高效 WET 需要比 WIT 更高的绝对能量，所以能量的传输范围相比信息要短得多. 因此当考虑相同的发射机和接收机模型，所得到的 WET 网络与 WIT 网络具有不同的拓扑结构.
( 4) 干扰和噪音处理差异
WIT 系统中普遍存在干扰和噪声，严重影响 WIT 性能. 在 WIT 系统的设计中，减轻由干扰和噪声造成的性能下降成为主要挑战. 相比之下，干扰和噪声在 WET 系统中实际上是有益的，因为它们是 RF 信号并且它们都携带能量. 干扰和噪声可以由能量接收模块联合处理，然后一起转换为直流能量，这可以为能量请求设备提供额外的能量收集增益. 因此，WET 系统受益于干扰和噪音. 107 吉林师范大学学报( 自然科学版)
5) 能源效率定义差异
在通信领域，WIT 的能源效率可以定义为每赫兹的信息传输吞吐量与能源消耗的比率，以 bps/Hz/ W 或 bps/Hz/J 为单位来评估. 相比之下，WET 的能量效率可以被定义为接收器收获的能量与发射器发射的能量之比.
可以从无线通信和电子工程的领域中采用各种最先进的使能技术，以便在相同的 RF 频谱带中有效地协 调 WET 和 WIT，由此也形成了一 种全新的数能一体化网络 ( Data and Energy Integrated Communication Networks，DEINs) . 本文将首先对数能一体化网络中进行介绍，通过不同的网络分层对数能一体化网络中的各种关键技术进行详细说明. 然后，为了更好的协调数据与能量传输，本文提出一种改进的 MAC 层接入控制协议，从而更加有效的提高相应的数据与能量传输性能.
1 无线数能同传
文献[4]对数能一体化网络的总体架构以及关键技术进行了详细的阐述. 在数能一体化网络中，我们除了进行基础的数据通信之外，还需要将能量因素进行考虑. 而考虑到能量时，我们要同时对通信网络的能量效率、多用户的能量供应以及最新技术无线能量传输等多方面进行研究. 作为最基础的概念，网络中的能量通信保障数据通信的进行，而数据通信为能量通信提供方便.
数能一体化网络中的关键技术架构如图 1 所示. 首先，数能信息论基础对数据信息熵和能量熵做出联合分析，提出数据能量联合信道容量的概念，为其他技术提供理论基础支撑. 受限信道容量是在特定输出信号的约束下用于互信息最大化的术语. 这与 Shannon 的经典信道容量理论形成鲜明对比，该理论的目的是在特定输入信号的特定约束下最大化互信息. 这个信息理论概念最早由 Gast-par 等人提出. 用于在多个发射机和接收机对的情况下控制干扰. 这里可以采用一种类似的方法来探索数据传输的性能极限，这个限制是由输出信号所携带的能量可以由接收机收集. Tandon 等人提出，可以专门设计联合信源和信道编码来控制集成的 WET 和 WIT. 在文献[5]中，由于原始消息被编码成携带不同能量的码字，所以联合源和信道编码器能够有利地控制能量传输过程. 因此，鉴于信息源的特点，精心设计的编码器能够响应能量请求，同时满足特定的数据传输要求.
在物理层，数能一体化网络则是更加偏向于数能结合的调制编码方式，尽可能的在降低误码率的同时提高能量的发送量，另外也需要设计出更为合理的数能收发机. 为了降低微型设备的硬件复杂度，也可以通过光通信常规采用的脉宽调制，脉宽调制和脉冲位置调制将信息调制到直流信号上. 同时，对于多用户的无线数能同传场景，就需要除了满足接收机的数据误码率性能条件下，尽可能的提高发送端的能量发送量.
在物理层设计合理的收发机可以相应的提高数据与能量的传输性能，而波束成形是在 RF 信号传播过程中补偿能量减少的关键技术，这对 WET 和 WIT 都是有利的. 有两种形成定向波束的基本方法，即模拟波束形成和数字波束形成. 在模拟波束形成中，适当的相位信号的建设性叠加被安排在模拟域中，其中来自不同天线的信号在模拟-数字转换器之前被叠加. 相反，在干扰的方向上，信号分阶段相互抵消. 在数字波束形成中，在模数转换器和数字下变频器之后对数字信号应用类似的过程. 通过模拟和数字波束形成器的联合设计可以形成高度定向的波束[6]，这有助于长距离的 WET.
链路层则是主要对数能高维资源( 功率、频谱、天线等) 分配进行优化，另外通过设计合理的接入控制协议更好的协调数据与能量的传输. 目前常见的两种数能分割方式分别为时隙切换( Time Switching， TS) 和功率分割( Power Splitting，PS) . 在 TS 方式中，单个传输时隙被分割为两个部分，其中一部分用于 WET，另一部分则用于 WIT. 在 PS 方式中，同一传输信号在功率域被切割成为两部分，其中一部分用于 WET 而另一部分用于 WIT. 我们可以通过动态的调节时隙分配因子或功率分割因子来对数据传输性能与能量传输性能进行一定的折中.
除了中心式的网络外，无线数能同传同样可应用于分布式的网络场景，例如常见的 WLAN. 因此，设计出一种合适的多用户接入控制策略也至关重要. 在传统通信中，载波侦 听 多 址 协 议/碰 撞 避 免 ( CSMA/CA) 因为可以有效的避免多用户之间的碰撞，因此得以广泛应用，同时业界也提出多种改进的版本以满足不同的网络需求. 在无线数能同传的场景中，为了同时满足数据和能量需求，就需要重新对接入控制协议进行设计. 例如，文献[7]就基于传统 CSMA/CA 协议设计出了一种改进的 EH-CSMA/CA ( Energy Harvesting-CSMA/CA) 协议，其中所有用户设备均无源，需要从中心接入点处采集无线能量以供自身的数据信息传输. 之后，文献[8]基于 EH-CSMA/CA 协议设计了一种主动能量请求式协议 EPCSMA/CA( Energy Packet-CSMA/CA) ，其中，用户可以主动式的向中心 AP 发送能量请求脉冲以获取无线能量.
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在网络层，主要基于传统的数据路由对数能联合路由进行设计，从而保证能量的利用效率. 对于传统的数据网络，通常忽略了能量对其的影响，从而可以尽可能的获取最优的路由使得端到端的跳数、时延或拥塞程度达到最优，而因此有可能造成极大程度的能量消耗. 当引入能量因素之后，利用能量共享传输技术，可以使得数据通信路由畅通的同时保证能量的消耗量不会太高，因此也达到了数据与能量的联合优化目标. 文献[9]考虑了一个数据与能量联合的网络. 在整个网络中，节点之间可以相互之间传递信息，也可以相互之间传递能量. 但是由于能量传输的信道高损耗，因此能量的传输链路相比于数据的传输链路要少的多，并且主要集中在单跳或者两跳节点之间. 根据每个节点的数据队列与能量队列的长度，文章设计出了一种数能联合路由，在保证数据信息的传输基础下，使得整个网络的能量消耗降到最低.
应用层则是基于底层设计更为合理的应用场景，为了更好的协调 WET 与 WIT，就需要对数能一体化网络的组网进行重新的部署，以最大化数据和能量传输效率. 文献[10]提出了一种智能城市中的数能基站( Hybrid Access Point，H-AP) 部署方案，通过对城市中用户的移动行为做出分析，确定用户停留的热点区域，从而根据不同的数据或能量优化目标选取最合适的地点进行数能基站的部署.
然而，截至目前很少有工作对联合的数据与能量接入控制进行研究，而这也正是协调数据与能量传输二者的一项关键技术点. 因此，本文基于主动式能量请求 EP-CSMA/CA 协议进行改进，降低中心 AP 频繁响应用户请求能量传输能量包的时间浪费，从而在一定程度上提高网络的吞吐量性能以及相应的能量效率.
