CN103731197B - 一种支持能量传输的无线通信装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种支持能量传输的无线通信装置和方法，涉及无线能量传输领域，包括：将天线与射频能量收集模块相连，收集并存储微波辐射的能量，节点处于能量收集状态，或者将天线与信息解调模块相连，对接收到的射频信号进行解调，获得解调数据，节点处于接收状态；或者将天线与传输模块相连，对传输数据进行调制并获得要传输的射频信号，节点处于传输状态。本发明提供的装置和方法能够提供能量收集、信息传输、能量传输等多种功能，适用于无线传感器网络等能量受限网络，可以提高网络的能量效率，延长网络终端的电池使用时间。

Description

一种支持能量传输的无线通信装置和方法

技术领域

本发明涉及无线能量传输领域，尤其涉及一种支持能量传输的无线通信装置和方法。

背景技术

无线能量传输作为一种能量传输手段，可以在非接触的状态下，不借助线缆等媒介实现电能传输。近年来无线能量传输在无线充电等领域等获得了成功应用，而在无线能量和信息同时传输等结合领域也有了一定探索。目前无线能量和信息同时传输，有采用磁场共振和微波辐射传输两种方法，分别对应于窄带和宽带通信系统。

磁场共振技术最早由美国麻省理工大学提出，把共振的原理运用到电磁波传输上，通过铜制线圈作为电磁共振器，一团线圈附在传送电力方，另一团在接受电力方。当传送方送出某特定频率的电磁波后，经过电磁场扩散到接受方，电力就实现了无线传导。如果通过功分或者时分方式接收载有信息和能量的电磁波，就可以利用线圈在进行电力传输的同时实现信息的传输。由于线圈频率响应范围的局限性，基于磁场共振的无线能量和信息同时传输主要用于窄带通信系统。目前的研究主要是如何改良线圈和射频电路的设计来提高给定传输距离下的能量和信息传输的效率。

微波辐射传输技术是通过收集传统无线电波辐射的能量，来实现无线能量传输。目前主要是Powercast公司对此项技术进行推动。由于微波辐射传输技术并不要求收发端的天线之间有共振效应，因此接收端收到的能量相比磁场共振技术要低。如何设计高灵敏度的天线和射频单元来获取接收到的能量强度较低的无线电波中的能量成为研究的重点。由于不要求有共振效应，微波辐射传输技术对天线的要求比磁场共振技术要宽松，因此可以应用于宽带通信系统。通过时分或者功分方式接收发送端发送的载有信息和能量的无线电波，就可以实现基于微波辐射的无线能量和信息传输。

目前对无线能量和信息传输的研究主要集中在天线和射频单元的物理设计，以提高设备间点对点传输时无线能量和信息同时传输的效率。但是在多个设备进行分布式组网时，如何基于时分方式控制各个设备在无线能量和信息传输之间的转换仍未有相关研究。而传统的基于时分方式的分布式通信协议CSMA协议显然也不能直接用于采用无线能量和信息传输技术的新型设备的分布式组网。因此需要对此类场景的设备组网协议进行设计，通过将无线能量和信息传输引入能量受限的分布式无线网络(如无线传感器网络)，以延长这些网络中设备的电池使用时间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为能量受限网络提供无线充电功能，并保证不影响原有通信功能，提出一种支持能量传输的无线通信装置和方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一种支持能量传输的无线通信装置，包括：天线、射频能量收集模块、信息解调模块、传输模块和控制模块；

所述天线，用于收集射频信号，还用于将射频信号发射出去；

所述射频能量收集模块，用于收集并存储所述微波辐射的能量；

所述信息解调模块，用于对接收到的射频信号进行解调，获得解调数据；

所述传输模块，用于对传输数据进行调制并获得要传输的射频信号；

所述控制模块，用于控制所述天线在射频能量收集模块、信息解调模块和传输模块之间进行切换，使得同一时刻，所述天线只与一个模块连接。

可选地，所述天线与所述射频能量收集模块连接时，当所述无线通信装置要传输的数据缓存超过缓存阈值N，或者要传输的数据所需时延小于第一时延阈值T，或者所述无线通信装置要传输通告帧时，所述控制模块控制所述天线与所述射频能量收集模块断开，并控制所述天线与所述传输模块相连。

可选地，所述天线与所述传输模块连接时，当所述传输模块没有信道使用权限并且需要对信道进行侦听，或者需要等待接收方反馈时，所述控制模块控制所述天线与所述传输模块断开，并控制所述天线与所述信息解调模块相连。

可选地，所述天线与所述信息解调模块相连时，当需要对收到的数据进行应答或者回复，或者信道侦听后需要对信道进行占用，或者需要进行通告帧的传输时，所述控制模块控制所述天线与所述信息解调模块断开，并控制所述天线与所述传输模块相连。

可选地，所述天线与所述射频能量收集模块连接时，当连接时间超过第二时延阈值T2，所述控制模块控制所述天线与所述射频能量收集模块断开，并控制所述天线与所述信息解调模块相连。

可选地，所述天线与所述信息解调模块相连时，当无可解调的目标帧接收且接收状态持续时间超过第三时延阈值T3时，所述控制模块控制所述天线与所述信息解调模块断开，并控制所述天线与所述射频能量收集模块相连。

可选地，所述天线与所述传输模块连接时，当射频数据传输完成且不需要与接收方进行交互，所述控制模块控制所述天线与所述传输模块断开，并控制所述天线与所述射频能量收集模块相连。

可选地，当所述传输模块获得信道使用权限并需要对目的节点发起数据帧传输时，以T1为周期周期性地传输通告帧，直到收到目的节点回复的通告回复帧后，所述传输模块进行数据帧的传输。

为了解决上述技术问题，本发明还提供一种支持能量传输的无线通信方法，包括：

将天线与射频能量收集模块相连，收集并存储微波辐射的能量，节点处于能量收集状态；

或者将天线与信息解调模块相连，对接收到的射频信号进行解调，获得解调数据，节点处于接收状态；

或者将天线与传输模块相连，对传输数据进行调制并获得要传输的射频信号，节点处于传输状态。

进一步地，节点进入能量收集状态后，当要传输的数据缓存超过缓存阈值N，或者要传输的数据所需时延小于第一时延阈值T，或者要传输通告帧时，节点由能量收集状态转移到传输状态转移。

进一步地，节点进入传输状态后，当所述传输模块没有信道使用权限并需要对信道进行侦听，或者需要等待接收方反馈时，节点由传输状态转移到接收状态。

进一步地，节点进入接收状态后，当需要对收到的数据进行应答或者回复，或者进行信道侦听后需要对信道进行占用，或者需要进行通告帧的传输时，节点由接收状态转移到传输状态。

进一步地，当节点进入传输状态并获得信道使用权限后需要对一目的节点进行数据帧传输时，以T1为周期周期性地传输通告帧，直到收到目的节点回复的通告回复帧后，进行数据帧的传输。

进一步地，节点进入能量收集状态后，当连接时间超过第二时延阈值T2，节点由能量收集状态转移到接收状态。

进一步地，节点进入接收状态后，当无可解调的目标帧接收且接收状态持续时间超过第三时延阈值T3时，节点由接收状态转移到能量收集状态。

进一步地，节点进入传输状态后，当射频数据传输完成且不需要与接收方进行交互，节点传输状态转移到能量收集状态。

进一步地，缓存阈值N、第一时延阈值T、通告帧的传输周期T1，第二时延阈值T2和第三时延阈值T3满足如下关系：

T1<T3+T0，其中T0为通告帧的传输时间；

T>T2+T3+T0+M/R，其中R为数据传输速率，M为节点当前数据缓存大小；

缓存阈值N至少为一个数据帧的大小；

T2>T3；

T1大于通告帧的解调时间与通告回复帧的传输时间之和。

本发明提供的装置和方法能够提供能量收集、信息传输、能量传输等多种功能，适用于无线传感器网络等能量受限网络，可以提高网络的能量效率，延长网络终端的电池使用时间。

附图说明

图1为支持能量传输的无线通信装置的结构示意图；

图2为支持能量传输的无线通信方法的状态转换流程图；

图3为本发明实施例的支持能量传输的无线通信装置的状态转换时序图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，本发明实施例的一种支持能量传输的无线通信装置，包括：天线、射频能量收集模块、信息解调模块、传输模块和控制模块；

所述天线，用于收集射频信号，还用于将射频信号发射出去；

所述射频能量收集模块，用于收集并存储所述微波辐射的能量；

所述信息解调模块，用于对接收到的射频信号进行解调，获得解调数据；

所述传输模块，用于对传输数据进行调制并获得要传输的射频信号；

所述控制模块，用于控制所述天线在射频能量收集模块、信息解调模块和传输模块之间进行切换，使得同一时刻，所述天线只与一个模块连接。

所述控制模块依据一定的策略控制所述天线在射频能量收集模块、信息解调模块和传输模块之间进行切换，如下：

所述天线与所述射频能量收集模块连接时，当所述无线通信装置要传输的数据缓存超过缓存阈值N，或者要传输的数据所需时延小于第一时延阈值T，或者所述无线通信装置要传输通告帧时，所述控制模块控制所述天线与所述射频能量收集模块断开，并控制所述天线与所述传输模块相连。

所述天线与所述传输模块连接时，当所述传输模块没有信道使用权限并且需要对信道进行侦听，或者需要等待接收方反馈时，所述控制模块控制所述天线与所述传输模块断开，并控制所述天线与所述信息解调模块相连。

所述传输模块根据传输协议确定是否需要对信道进行侦听、是否需要等待接收方反馈，例如传输模块采用CSMA协议，在没有信道使用权限时，为了确定信道是否繁忙，需要对信道进行侦听。如果传输模块可以直接使用信道，就不需要先判断信道是否繁忙，则不需要对信道进行侦听。如果传输模块在发出通告帧后，而没有收到通告回复帧，或者是在发出数据帧后而没有收到数据确认帧时，就需要等待接收方反馈。如果传输模块发出的数据帧在MAC层并没有对应的确认或回复帧时，就不需要等待接收方反馈。比如收到的是通告回复帧或者是数据确认帧，就不需要进行回复。

所述天线与所述信息解调模块相连时，当需要对收到的数据进行应答或者回复，或者进行信道侦听后需要对信道进行占用，或者需要进行通告帧的传输时，所述控制模块控制所述天线与所述信息解调模块断开，并控制所述天线与所述传输模块相连。

相似的，所述信息解调模块根据传输协议确定是否需要对收到的数据进行应答或者回复、是否需要对信道进行占用、是否需要进行通告帧的传输，如果信息解调模块收到的数据帧在MAC层存在对应的应答或者回复帧，则需要对收到的数据进行应答或回复。比如收到的帧是通告帧，有对应的通告回复帧，或者收到的帧是数据帧，有对应的数据确认帧(ACK帧)。否则，不需要对收到的数据进行应答或者回复，比如收到的是通告回复帧或者是数据确认帧，则不需要进行回复。如果信道侦听结果是信道为空闲状态而又有数据要发送，根据CSMA协议则需要对信道进行占用。否则不需要。由于通告帧是周期性发送，直到收到通告回复帧为止。如果信息解调模块在一个周期间隔内未收到通告回复帧，就需要在下一个周期开始发送一个通告帧，即需要进行通告帧的传输。如果已经收到了发出通告帧的通告回复帧了就不需要再继续进行通告帧的传输了。

所述天线与所述射频能量收集模块连接时，当连接时间超过第二时延阈值T2，所述控制模块控制所述天线与所述射频能量收集模块断开，并控制所述天线与所述信息解调模块相连。

所述天线与所述信息解调模块相连时，当无可解调的目标帧接收且接收状态持续时间超过第三时延阈值T3时，所述控制模块控制所述天线与所述信息解调模块断开，并控制所述天线与所述射频能量收集模块相连。

所述天线与所述传输模块连接时，当射频数据传输完成且不需要与接收方进行交互，所述控制模块控制所述天线与所述传输模块断开，并控制所述天线与所述射频能量收集模块相连。

按照传输协议，如果不满足从传输模块切换到信息解调模块的条件，则不需要与接收方交互。否则，需要。

当传输模块获得信道并需要发起对其他节点的数据帧传输时，应先以T1为周期周期性地传输一个不包含数据的通告帧，直到收到目的节点回复的通告回复帧后，才能进行数据帧的传输。

如果节点有数据要向其他节点发送，则需要发起对其他节点的数据帧传输，否则不需要。

在通告帧周期性传输期间，节点需要根据通告帧的传输需求，在传输状态与接收状态间切换，即进行通告帧传输时，节点切换为传输状态，通告帧传输完毕时，节点切换为接收状态。

其中，通告帧和通告回复帧的可参考IEEE 802.11或者802.15标准中RTS/CTS帧，在其他实施例中，也可自行设计通告帧和通告回复帧。

本发明实施例的一种支持能量传输的无线通信方法，包括：

将天线与射频能量收集模块相连，收集并存储微波辐射的能量，节点处于能量收集状态；

或者将天线与信息解调模块相连，对接收到的射频信号进行解调，获得解调数据，节点处于接收状态；

或者将天线与传输模块相连，对传输数据进行调制并获得要传输的射频信号，节点处于传输状态。

如图2所示，其中，各个状态之间依据一定的策略进行切换，如下：

节点进入能量收集状态后，当要传输的数据缓存超过缓存阈值N，或者要传输的数据所需时延小于第一时延阈值T，或者要传输通告帧时，节点由能量收集状态转移到传输状态转移。

节点进入传输状态后，当所述传输模块没有信道使用权限并需要对信道进行侦听，或者需要等待接收方反馈时，节点由传输状态转移到接收状态。

节点进入接收状态后，当需要收到的数据进行应答或者回复，或者进行信道侦听后需要对信道进行占用，或者需要进行通告帧的传输时，节点由接收状态转移到传输状态。

当节点进入传输状态并获得信道使用权限后需要对一目的节点进行数据帧传输时，以T1为周期周期性地传输通告帧，直到收到目的节点回复的通告回复帧后，进行数据帧的传输。

节点进入能量收集状态后，当连接时间超过第二时延阈值T2，节点由能量收集状态转移到接收状态。

节点进入接收状态后，当无可解调的目标帧接收且接收状态持续时间超过第三时延阈值T3时，节点由接收状态转移到能量收集状态。

节点进入传输状态后，当射频数据传输完成且不需要与接收方进行交互，节点传输状态转移到能量收集状态。

缓存阈值N、第一时延阈值T、通告帧的传输周期T1，第二时延阈值T2和第三时延阈值T3满足如下关系：

T1<T3+T0，其中T0为通告帧的传输时间；

T>T2+T3+T0+M/R，其中R为数据传输速率，M为节点当前数据缓存大小；

缓存阈值N至少为一个数据帧的大小；

T2>T3；

T1大于通告帧的解调时间与通告回复帧的传输时间之和。

所述的各状态的状态转移如下：

1)能量收集状态向传输状态转移

1、进入能量收集状态后，当节点处要传输的数据缓存超过N，或者要传输的数据所需时延小于T时，能量收集状态向传输状态转移。

2、进入能量收集状态后，当节点处要传输通告帧时，能量收集状态向传输状态转移。

2)传输状态向接收状态转移

1、当进入传输状态时，所述传输模块没有信道使用权限，需采用CSMA信道争用协议对信道进行侦听时，向接收状态转移。

2、当进入传输状态后，需要与接收方交互，等待接收方反馈时，向接收状态转移。

3)接收状态向传输状态转移

1、当进入接收状态后，需要对收到的数据进行应答或者回复时，向传输状态转移。

2、当进入接收状态后，根据CSMA协议进行信道侦听时，若需要对信道进行占用，则向传输状态转移。

3、当进入接收状态后，需要发起通告帧的传输时，向传输状态转移。

4)能量收集状态向接收状态转移

1、当进入能量收集状态后，时间超过T2，则向接收状态转移。

5)接收状态向能量收集状态转移

2、当无可解调的目标帧接收且接收状态持续时间超过T3时，向能量收集状态转移。

6)传输状态向能量收集状态转移

1、当数据传输完成且不需要与接收方进行交互，向能量收集状态转移。

因为等待接收的时间是T3，通告帧的传输周期如果大于T3+T0时，一个节点周期发送的通告帧可能不能保证在另一个节点的下一个接收期内出现，因此，要求T1<T3+T0。假设节点A在周期性发送通告帧给节点B，如果节点B恰好在能量收集状态无法收到，等节点B进入接收状态后，只有满足该条件才能保证节点A的通告帧一定会出现在节点B的接收期内。

T2+T3+T0+M/R，是一个节点给另一个节点发送M大小数据所需要等待的最大可能时间，如果T大于该时间，则能够保证数据在T时间内传完，满足QoS要求，因此要求T>T2+T3+T0+M/R。

从功率节省角度考虑，为了节省能量，建议能量收集时间较长，因此要求T2>T3。

因为每次传输开销会很大，为了让每次传输都尽量传满足够的数据以减少开销，因此，要求缓存阈值N至少为一个数据帧的大小。

为了让一个节点A发送完通告帧后，另一个节点B有足够的时间完成通告回复，以使得节点A可以收到节点B的回复消息。因此，要求T1大于通告帧的解调时间与通告回复帧的传输时间之和。

实施例

如图3所示，网络中有三个分布式节点：节点1、节点2和节点3。初始时，三个节点都在能量收集状态。当节点1要向节点2发送数据，获得信道进入传输状态后周期发送节点2的通告帧，节点2此时在能量收集状态无法收到通告帧，节点3此时也在能量收集状态。当节点2进入能量收集状态时间超过T2后进入接收状态，此时收到了节点1的周期性通告帧，转入传输状态向节点1发送通告回复帧。此时节点3虽然也在能量收集状态超时进入到了接收状态，但是由于不是发送给自己的目标通告帧，所以在接收状态超时后又进入到了能量收集状态。节点1收到节点2发送的通告回复帧后，开始向节点2发送数据帧，节点2接收完节点1的数据后，发送回复帧确认后，进入到能量收集状态。节点1收到节点2的回复帧，在接收状态超时后，进入到能量收集状态。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (14)

1.一种支持能量传输的无线通信装置，其特征在于，包括：天线、射频能量收集模块、信息解调模块、传输模块和控制模块；

所述天线，用于收集射频信号，还用于将射频信号发射出去；

所述射频能量收集模块，用于收集并存储微波辐射的能量；

所述信息解调模块，用于对接收到的射频信号进行解调，获得解调数据；

所述传输模块，用于对传输数据进行调制并获得要传输的射频信号；

所述控制模块，用于控制所述天线在射频能量收集模块、信息解调模块和传输模块之间进行切换，使得同一时刻，所述天线只与一个模块连接；

所述天线与所述射频能量收集模块连接时，当所述无线通信装置要传输的数据缓存超过缓存阈值N，或者要传输的数据所需时延小于第一时延阈值T，或者所述无线通信装置要传输通告帧时，所述控制模块控制所述天线与所述射频能量收集模块断开，并控制所述天线与所述传输模块相连；

缓存阈值N、第一时延阈值T、通告帧的传输周期T1，第二时延阈值T2和第三时延阈值T3满足如下关系：

T1<T3+T0，其中T0为通告帧的传输时间；

T>T2+T3+T0+M/R，其中R为数据传输速率，M为节点当前数据缓存大小；

缓存阈值N至少为一个数据帧的大小；

T2>T3；

T1大于通告帧的解调时间与通告回复帧的传输时间之和。

2.根据权利要求1所述的通信装置，其特征在于，所述天线与所述传输模块连接时，当所述传输模块没有信道使用权限并且需要对信道进行侦听，或者需要等待接收方反馈时，所述控制模块控制所述天线与所述传输模块断开，并控制所述天线与所述信息解调模块相连。

3.根据权利要求1所述的通信装置，其特征在于，所述天线与所述信息解调模块相连时，当需要对收到的数据进行应答或者回复，或者信道侦听后需要对信道进行占用，或者需要进行通告帧的传输时，所述控制模块控制所述天线与所述信息解调模块断开，并控制所述天线与所述传输模块相连。

4.根据权利要求1所述的通信装置，其特征在于，所述天线与所述射频能量收集模块连接时，当连接时间超过第二时延阈值T2，所述控制模块控制所述天线与所述射频能量收集模块断开，并控制所述天线与所述信息解调模块相连。

5.根据权利要求1所述的通信装置，其特征在于，所述天线与所述信息解调模块相连时，当无可解调的目标帧接收且接收状态持续时间超过第三时延阈值T3时，所述控制模块控制所述天线与所述信息解调模块断开，并控制所述天线与所述射频能量收集模块相连。

6.根据权利要求1所述的通信装置，其特征在于，所述天线与所述传输模块连接时，当射频数据传输完成且不需要与接收方进行交互，所述控制模块控制所述天线与所述传输模块断开，并控制所述天线与所述射频能量收集模块相连。

7.根据权利要求1所述的通信装置，其特征在于，当所述传输模块获得信道使用权限并需要对目的节点发起数据帧传输时，以T1为周期周期性地传输通告帧，直到收到目的节点回复的通告回复帧后，所述传输模块进行数据帧的传输。

8.一种支持能量传输的无线通信方法，其特征在于，

将天线与射频能量收集模块相连，收集并存储微波辐射的能量，节点处于能量收集状态；

或者将天线与信息解调模块相连，对接收到的射频信号进行解调，获得解调数据，节点处于接收状态；

或者将天线与传输模块相连，对传输数据进行调制并获得要传输的射频信号，节点处于传输状态；

节点进入能量收集状态后，当要传输的数据缓存超过缓存阈值N，或者要传输的数据所需时延小于第一时延阈值T，或者要传输通告帧时，节点由能量收集状态转移到传输状态转移；

缓存阈值N、第一时延阈值T、通告帧的传输周期T1，第二时延阈值T2和第三时延阈值T3满足如下关系：

T1<T3+T0，其中T0为通告帧的传输时间；

T>T2+T3+T0+M/R，其中R为数据传输速率，M为节点当前数据缓存大小；

缓存阈值N至少为一个数据帧的大小；

T2>T3；

T1大于通告帧的解调时间与通告回复帧的传输时间之和。

9.根据权利要求8所述的通信方法，其特征在于，节点进入传输状态后，当所述传输模块没有信道使用权限并需要对信道进行侦听，或者需要等待接收方反馈时，节点由传输状态转移到接收状态。

10.根据权利要求8所述的通信方法，其特征在于，节点进入接收状态后，当需要对收到的数据进行应答或者回复，或者进行信道侦听后需要对信道进行占用，或者需要进行通告帧的传输时，节点由接收状态转移到传输状态。

11.根据权利要求8所述的通信方法，其特征在于，当节点进入传输状态并获得信道使用权限后需要对一目的节点进行数据帧传输时，以T1为周期周期性地传输通告帧，直到收到目的节点回复的通告回复帧后，进行数据帧的传输。

12.根据权利要求8所述的通信方法，其特征在于，节点进入能量收集状态后，当连接时间超过第二时延阈值T2，节点由能量收集状态转移到接收状态。

13.根据权利要求8所述的通信方法，其特征在于，节点进入接收状态后，当无可解调的目标帧接收且接收状态持续时间超过第三时延阈值T3时，节点由接收状态转移到能量收集状态。

14.根据权利要求8所述的通信方法，其特征在于，节点进入传输状态后，当射频数据传输完成且不需要与接收方进行交互，节点传输状态转移到能量收集状态。