基于高頻段毫米波的SWIPT傳輸模型研究

路嘉揚

（上海郵電設(shè)計咨詢研究院有限公司，上海 200092）

0 引言

隨著5G商用場景的快速發(fā)展，基站和無線設(shè)備的能源消耗也大幅提高。在雙碳戰(zhàn)略背景下，有效解決5G高能耗與業(yè)務(wù)發(fā)展間的平衡問題迫在眉睫。作為通信主要能耗源之一，基站占5G網(wǎng)絡(luò)能耗總量的80%以上，尤其是射頻單元。無線攜能通信（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT）作為一種新興綠色通信技術(shù)，融合了通信與能量傳輸，可實現(xiàn)信息和能量并行的功能，能夠有效提高基站的能源效率；同時，契合5G超密集組網(wǎng)、大規(guī)模天線以及毫米波等技術(shù)，在5G領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。

該文對高頻 SWIPT 模型進(jìn)行仿真，比較了不同環(huán)境下能量傳輸和信息傳遞情況，并驗證了功率分配模型性能。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展以及節(jié)能要求的不斷提高，SWIPT技術(shù)備受青睞，文獻(xiàn)[2]～文獻(xiàn)[5]介紹了我國研究者在接收機資源分配、算法模型、安全性能、SWIPT中繼站和信道干擾等方面的研究。文獻(xiàn)[6]整合介紹了國外多位學(xué)者對SWIPT技術(shù)系統(tǒng)整體架構(gòu)、天線陣列和信道、波束成形以及毫米波能量傳遞模型等問題的研究。由于硬件開發(fā)研究滯后、毫米波易損耗及衰落特性以及SWIPT系統(tǒng)穩(wěn)定性不足，因此大部分研究仍集中于低頻段?？傮w來說，盡管SWIPT技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，但是在滿足SWIPT系統(tǒng)通信質(zhì)量和技術(shù)要求的前提下，硬件設(shè)備的升級改造、簡明有效的資源分配方式、更優(yōu)化的資源共享、干擾管理以及良好的服務(wù)質(zhì)量（QoS）等仍將是亟待解決的關(guān)鍵問題。

2 SWIPT系統(tǒng)組成

一個最基本的SWIPT系統(tǒng)包括傳輸天線陣列、匹配網(wǎng)絡(luò)、整流器和接收機等部分。

2.1 天線陣列

無線攜能通信可以通過射頻（RF）、電感耦合和諧振電感耦合等方式實現(xiàn)，但是后2種方法對收發(fā)距離有較高的要求，不適合進(jìn)行長距離傳輸。與此同時，隨著定向天線陣列波束能量利用效率以及無線能量捕捉效率的不斷提高，以毫米波頻段射頻的方式傳輸無線信號和能量在5G時代具有廣闊前景。

在毫米波SWIPT系統(tǒng)中，天線是能否達(dá)到性能指標(biāo)的關(guān)鍵，普通信號天線無法滿足大增益和波束賦形的要求，天線陣列則是目前最有效的解決方法。天線陣列的設(shè)計應(yīng)盡量滿足小型化、高增益和低成本的要求。

2.2 匹配網(wǎng)絡(luò)

匹配網(wǎng)絡(luò)的目的是降低天線陣列與整流電路之間的傳輸損耗，并增加整流電路的輸入電壓。因此，匹配網(wǎng)絡(luò)由沒有功耗的線圈和電容器組成。當(dāng)天線輸出的阻抗與負(fù)載阻抗彼此共軛（稱為阻抗匹配）時，可以實現(xiàn)最大功率傳輸?shù)男Ч?/p>

2.3 整流器

整流器具有2個基本功能：1） 將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并在濾波后提供給負(fù)載和逆變器。2） 提供電池充電電壓。

2.4 接收機

圖1 分離式接收架構(gòu)

圖2 定時開關(guān)架構(gòu)

圖3 功率分配架構(gòu)

式中：為能量收集效率因子；為發(fā)射端i的發(fā)射功率；h為發(fā)射端i與接收器j之間的信道增益。

式中：和分別為傳輸帶寬和噪聲功率。

3 系統(tǒng)架構(gòu)及原理

3.1 系統(tǒng)模型

該文改進(jìn)了文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[10]中提出的無線能量傳輸系統(tǒng)模型，并將其提升為基于60 GHz毫米波的SWIPT系統(tǒng)模型。該算法模型由功率信標(biāo)（PB）節(jié)點和能量收集（EH）節(jié)點組成，以密度均勻分布，各個功率信標(biāo)同時將能量和信息傳輸?shù)侥芰渴占?jié)點。為了比較系統(tǒng)性能，假設(shè)功率信標(biāo)（PB）節(jié)點數(shù)量比分別為0.3和0.5，則能量收集（EH）節(jié)點數(shù)量比為1-。當(dāng)有多個候選EH節(jié)點時，PB將在給定的時頻資源塊中隨機調(diào)度一個EH節(jié)點進(jìn)行功率傳輸。假設(shè)通信范圍內(nèi)的每個其他發(fā)送和接收節(jié)點都是潛在阻塞因素，如果在傳輸過程中傳輸鏈路未被其他節(jié)點阻止，就稱為可視傳輸（LOS），如果被其他節(jié)點阻止，就稱為非可視傳輸（NLOS）。對傳輸距離為的PB-EH鏈路來說，可視傳輸概率函數(shù)如公式（5）所示。

假設(shè)以傳輸鏈路上的節(jié)點為圓心、為直徑表示阻塞區(qū)域，則通過陰影模型可以計算遮擋引起的衰減。為了更清晰地比較覆蓋密度、平均功率、誤比特率和信息速率間的關(guān)系，不考慮傳輸鏈路間的相互影響和自阻塞的問題。

在該模型中，采用功率分配架構(gòu)，可分為動態(tài)分配和靜態(tài)分配。在分析信息速率和能量功率的關(guān)系時，采用動態(tài)分配的方式進(jìn)行模擬仿真。當(dāng)對密度和能量覆蓋率以及密度和平均可實現(xiàn)率進(jìn)行仿真時，采用靜態(tài)分配的方式，將功率分配值設(shè)置為0.5，即使用整流器將50%的接收器功率轉(zhuǎn)換為能量，而信息將由數(shù)據(jù)解碼電路進(jìn)行恢復(fù)，接收機架構(gòu)如圖4所示。

圖4 功率分配接收機

3.2 系統(tǒng)參數(shù)

該模擬仿真的部分參數(shù)見表1。其中，在接收機靜態(tài)功率分配的情況下，為了比較節(jié)點密度與能量覆蓋率的關(guān)系以及不同占比數(shù)PB的平均可達(dá)率，我們將PB的分?jǐn)?shù)設(shè)置為0.3和0.5，功率分配比率固定為0.5，以減少額外的誤差。而在使用動態(tài)功率分配的情況下，將發(fā)送端PB的比例設(shè)置為固定值0.5，使平均功率與信息和誤比特率的關(guān)系可以更準(zhǔn)確?？傮w成功概率如公式（6）所示。

表1 SWIPT系統(tǒng)模型的參數(shù)設(shè)置

式中：為PB密度；為SINR中斷閾值；為能量中斷閾值；為功率分配比；P（，，）為覆蓋率；P（）為能量捕獲率。

4 仿真結(jié)果分析

基于上文所述模型可以得到以下3個信息：1） 該模型所用天線陣列波束賦形的增益與相位的關(guān)系。2） 在接收機靜態(tài)功率分配模式下，發(fā)射端PB的不同密度對能量覆蓋率和平均可達(dá)率的潛在影響。3） 接收機在動態(tài)功率分配模式下，發(fā)送功率的變化對信息速率以及誤比特率的影響。

如圖5所示，在靜態(tài)分配模式下，發(fā)射端與接收端的密度不同，在LOS和NLOS情況下，隨著節(jié)點密度的增加，盡管阻塞的數(shù)量也增加了，但是能量覆蓋率也隨之增加。這是由于較高的網(wǎng)絡(luò)密度表示存在更多的功率信標(biāo)，并且有利于縮短傳輸距離。因此，路徑損耗和衰落也將降低，接收端容易收集更多能量。

圖5 節(jié)點密度與能量覆蓋率關(guān)系

如圖6所示，在靜態(tài)分配模式下，無干擾時的平均可達(dá)率完全高于有干擾時的可達(dá)率。與能量覆蓋率不同，當(dāng)PB分?jǐn)?shù)值為0.5時的平均可達(dá)率趨于穩(wěn)定。當(dāng)PB分?jǐn)?shù)值為0.3時的平均可達(dá)率在密度值從0增加到0.02后也保持不變。其原因是信息接收端的靈敏度高于能量收集器，信息接收端可以實現(xiàn)更長的通信距離，但在這種情況下，RF接收器只能解碼信息，不能從RF信號中提取能量。

圖6 節(jié)點密度與平均可達(dá)到率關(guān)系

為了更好地測量功率分配器接收器的性能，將PB分?jǐn)?shù)比和節(jié)點密度設(shè)置為固定值，并采用動態(tài)功率分配模式。如圖7所示，隨著信息速率的提高，能量捕獲端功率持續(xù)降低，其原因是當(dāng)傳輸信息量增大時，信息接收端需要更大的功率進(jìn)行解碼，同時LOS條件下的高頻毫米波能源效率遠(yuǎn)高于NLOS情況。圖8表明在該系統(tǒng)模型下，能量捕獲端分配約-60 dBm的功率用于能量轉(zhuǎn)換，對LOS與NLOS來說均比較合理，隨著能量捕獲端功率的提高，誤碼率也不斷提高并最終趨于穩(wěn)定，對信息傳遞造成較大影響。

圖7 信息速率與能量功率關(guān)系

圖8 誤比特率與能量功率關(guān)系

5 結(jié)語

SWIPT技術(shù)在高頻段毫米波能源傳輸效率、并行資源分配、硬件研發(fā)、干擾管理以及接收機靈敏度等方面仍有很大的優(yōu)化空間，該文所提出的算法模型對信息傳輸和能量傳輸最優(yōu)距離的分析也有待進(jìn)一步提升。但不可忽視的是，作為一種新型無線通信技術(shù)，SWIPT技術(shù)高度適應(yīng)毫米波應(yīng)用，能有效提高能源效率，契合國家雙碳戰(zhàn)略定位；同時，其在無人機能源問題、復(fù)雜環(huán)境下電力供應(yīng)和電池更換問題、醫(yī)療設(shè)備能源問題（心臟起搏器及人造耳蝸等）以及便攜設(shè)備和家用電器充電問題等很多領(lǐng)域中有廣闊的發(fā)展前景，具有極高的應(yīng)用價值。