CN105072066B - 一种带有保护间隔信号的无线信能同传方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了带有保护间隔信号的信能同传方法及系统。方法包括步骤：S1，发射端根据接收端的当前能量需求和信道传输环境条件产生可控保护间隔信号。系统包括用于产生可控保护间隔信号的发射端。本发明充分利用保护间隔时间传输能量大小可控的保护间隔信号，在实现防止符号间干扰的同时，又可以在保护间隔时间内提供可控的能量信号，提高系统的能量传输性能，减小接收端因能量不足而无法正常工作的可能性。本发明可广泛应用于各种无线信能同传系统。

Description

一种带有保护间隔信号的无线信能同传方法及系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术和无线输电技术的交叉领域，特别涉及一种信能同传方法及系统。
背景技术
无线信能同传（Simultaneous Wireless Information and Energy Transfer），即通过无线方式实现信息和能量的同时传输，是集成无线通信技术和无线能量传输技术的新兴通信技术。随着科技的发展，整合能源技术和通信技术成为趋势，既能实现高速可靠的通信，又能有效缓解能源和频谱稀缺的压力，在工业、医疗、基础设施发展等方面有着重要的应用价值。无线信能同传突破传统的无线通信手段，将能量属性同时考虑，整合无线通信技术和无线能量传输技术，实现信息和能量的并行同时传输，具有广泛的应用价值和创新意义：基于信息与能量同时传输的特点，用于各类依靠有限容量电池提供电能的无线终端或器件，通过从信号中采集能量为其馈电，极大延长待机时间，减小设备体积和成本，并能够大幅减少电池的生产量，大大降低电池生产制造与回收过程中造成的环境污染。基于非接触式的远距离传输的特点，可取代电池或者线缆供电，极大的提升供电的便利性。基于稳定性和可持续性的特点，可替代传统能量采集器(Energy Harvester)以采集环境能量(如风能、太阳能、动能等)为主的方式。同时，无线信能同传在改善人民生活方面的应用也是广泛的，会产生极大的社会效益：在医疗领域，植入医疗装置如心脏起搏器、心血管机器人等均存在严重的电池能量短缺问题，无线信能同传技术的装配可避免对患者造成严重的二次痛苦。
本发明人在申请文件“一种多载波宽带信息能量同传发送系统及接收系统”（申请号：201510133784.X）、“ 一种信息能量同传发送方法及接收方法”（申请号：201510133428.8）、“一种多载波宽带信能同传优化方法”（申请号：201510133789.2）中提出了一种信能同传的方法，在系统发送的基带信号中包含信息基带信号和能量基带信号，经相应处理后同时传送，通过能量信号为接收端提供足够的电能量；该方法可以广泛应用于数字通信和模拟通信中。
在信能同传系统中，为了最大限度地消除符号间干扰，在每个信号符号之间要插入保护间隔，以防止符号间干扰。上述的信能同传系统存在以下两方面缺陷：
一方面，由于保护间隔时间内不能用于传送有用信号，该区间的时间资源不能被充分利用，造成资源浪费，同时降低了系统性能；
另一方面，由于信能同传系统的接收端仅可以从能量信号中获取能量，当一些情况下接收端需要额外能量源时，系统无法灵活配置或提供。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种既可防止符间干扰，又可动态为接收端提供额外能量源的信能同传方法。
为了解决上述技术问题，本发明的另一个目的是提供一种既可防止符间干扰，又可动态为接收端提供额外能量源的信能同传系统。
本发明所采用的技术方案是：
一种带有保护间隔信号的无线信能同传方法，其应用于信能同传系统中，所述信能同传系统包括发射端和接收端，所述发射端发射的基带信号包含信息信号和能量信号，所述基带信号还包括可控保护间隔信号，所述信能同传方法包括步骤：S1，发射端根据接收端的当前能量需求和信道传输环境条件产生可控保护间隔信号；S2，发射端对信息信号、能量信号和可控保护间隔信号进行处理并发射到接收端；S3，接收端接收发射端发射的信号，并对发射端发射的信号进行处理；S4，接收端采集发射端发射的信号中能量信号的能量和/或可控保护间隔信号的能量。
优选的，步骤S1所述接收端的当前能量需求具体为储能工作模式能量需求或正常工作模式能量需求，所述可控保护间隔信号涉及对保护间隔信号以下参数的控制：保护间隔信号的时间长度和/或保护间隔信号的载波分配和/或保护间隔信号的功率分配。所述步骤S1具体包括子步骤：S11，当接收端处于储能工作模式时，发射端产生能量较大的可控保护间隔信号；S12，当接收端处于正常工作模式时，发射端产生能量较小的可控保护间隔信号或者产生具有标识意义的可控保护间隔信号。
优选的，所述信能同传方法还包括步骤：S5，接收端利用采集后的能量信号的能量和/或可控保护间隔信号的能量为接收端提供当前工作模式所需的电能。
优选的，所述步骤S2具体为：发送端对信息信号、能量信号和可控保护间隔信号进行编码、串并行转换、分流、调制、并串行转换和数模转换处理并发射串行信能同传模拟信号到接收端。
优选的，所述步骤S3具体包括子步骤：S31，接收端接收串行信能同传模拟信号，并将所述串行信能同传模拟信号转换成并行信能同传模拟信号；S32，判断串行信能同传信号中保护间隔区间的信号是否为带有能量的可控保护间隔信号，若是，则采集保护间隔区间的保护间隔信号进行整流后存储到储能单元；S33，将并行信能同传模拟信号中的信息模拟信号和能量模拟信号进行分流；S34，将信息模拟信号进行模数转换得到信息数字信号，对所述信息数字信号在数字域进行信息解调、并串行转换和解码处理；S35，将能量模拟信号在模拟域进行处理后存储到储能单元。
一种带有保护间隔信号的无线信能同传系统，其用于实施一种带有保护间隔信号的无线信能同传方法，其包括：发射端，用于根据接收端的工作模式产生带有相应能量的保护间隔信号，并将信息信号、能量信号和可控保护间隔信号进行处理并发射到接收端；接收端，用于接收发射端发射的信号，并对发射端发射的信号进行处理，采集发射端发射的信号中能量信号的能量和/或可控保护间隔信号的能量。
优选的，所述发射端包括基带信号产生单元，所述基带信号产生单元用于根据当前能量需求和信道传输环境条件产生可控保护间隔信号。
优选的，所述的发射端还包括：编码单元，其用于分别对信息基带信号、能量基带信号和可控保护间隔信号进行编码生成相应的基带编码；发射端串并行转换单元，其用于将基带编码信号进行串并行转换生成并行的数据流；发射端映射单元，其用于对并行的数据流进行归类，根据预分配参数集，对并行的数据流中的信息基带信号、能量基带信号和可控保护间隔信号进行相应的调制预分配；调制单元，其用于根据调制预分配结果将并行的数据流中的信息基带信号、能量基带信号和可控保护间隔信号调制到预分配的子载波上；发射端并串行转换单元，其用于将并行的数据流转换为串行的数据流；数模转换单元，其用于将串行的数据流转换成信能同传模拟信号送入发射天线；发射天线，用于发射串行信能同传模拟信号；所述接收端还包括：接收天线，其用于接收串行信能同传模拟信号；分离保护间隔单元，其用于从串行信能同传模拟信号中分离可控保护间隔模拟信号；接收端串并行转换单元，其用于将串行信能同传模拟信号转换成并行信能同传模拟信号；接收端映射单元，其用于从并行信能同传模拟信号中的信息模拟信号和能量模拟信号进行分流；信息信号处理单元，其用于将信息模拟信号进行模数转换得到信息数字信号，对所述信息数字信号在数字域进行信息解调、并串行转换和解码处理；能量信号处理单元，其用于将能量模拟信号在模拟域进行预处理后存储到储能单元；储能单元，用于存储能量。
优选的，所述信息信号处理单元包括依次连接的模数转换单元、信息解调单元、接收端并串行转换单元和解码单元。
优选的，所述能量信号处理单元包括依次连接的能量解调单元、并串行转换单元、解码单元和整流单元。
本发明的有益效果是：
本发明充分利用保护间隔时间传输可控的保护间隔信号，在实现防止符号间干扰的同时，又可以在保护间隔时间内提供可控的能量信号，提高系统的能量传输性能，减小接收端因能量不足而无法正常工作的可能性。
本发明可广泛应用于各种无线信能同传系统。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是本发明信能同传系统一种实施例的电路结构框图。
具体实施方式
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组合。
一种带有保护间隔信号的无线信能同传方法，其应用于信能同传系统中，所述信能同传系统包括发射端和接收端，所述发射端发射的基带信号包含信息信号和能量信号，所述基带信号还包括可控保护间隔信号，所述信能同传方法包括步骤：S1，发射端根据接收端的当前能量需求和信道传输环境条件产生可控保护间隔信号；S2，发射端对信息信号、能量信号和可控保护间隔信号进行处理并发射到接收端；S3，接收端接收发射端发射的信号，并对发射端发射的信号进行处理；S4，接收端采集发射端发射的信号中能量信号的能量和/或可控保护间隔信号的能量；S5，接收端利用采集后的能量信号的能量和/或可控保护间隔信号的能量为接收端提供当前工作模式所需的电能。
其中，接收端当前工作模式所需的电能可以是充电所需的额外电能，也可以是维持接收端接收和处理工作所需的电能。当接收端处于正常工作模式、储能工作模式或耗电工作模式（接收端需要加速耗电）时，发射端均可根据各工作模式的能量需求，产生与之相匹配的可控保护间隔信号。可控保护间隔信号是对保护间隔信号携带的符号能量、保护间隔信号的时间长度等参数的控制。具体的，可控保护间隔信号涉及对保护间隔信号以下参数的控制：保护间隔信号的时间长度和/或保护间隔信号的载波分配和/或保护间隔信号的功率分配等。步骤S1中所述的信道传输环境条件指的是由于无线信道的时变性产生的强弱变化的信号强度、高低变化的传输效率等参数。
该实施例中，步骤S1所述接收端的当前能量需求具体为储能工作模式能量需求或正常工作模式能量需求。当然还包括其它工作模式的能量需求，例如耗能模式能量需求等等。可控保护间隔信号相当于是为接收端提供的额外能量源，该额外能量源会根据接收端的实际需要给予匹配的能量。所述步骤S1具体包括子步骤：S11，当接收端处于储能工作模式时，发射端产生能量较大的可控保护间隔信号；S12，当接收端处于正常工作模式时，发射端产生能量较小的可控保护间隔信号或者产生具有标识意义的可控保护间隔信号。应当说明的是，能量较大的保护间隔信号和能量较小的保护间隔信号都是相对的概念，根据接收端当前工作模式（电能需求）的不同，发射端可以控制并产生与之相匹配的保护间隔信号。
优选的，所述步骤S2具体为：发送端对信息信号、能量信号和可控保护间隔信号进行编码、串并行转换、分流、调制、并串行转换和数模转换处理并发射串行信能同传模拟信号到接收端。
优选的，所述步骤S3具体包括子步骤：S31，接收端接收串行信能同传模拟信号，并将所述串行信能同传模拟信号转换成并行信能同传模拟信号；S32，判断串行信能同传信号中保护间隔区间的信号是否为带有能量的可控保护间隔信号，若是，则采集保护间隔区间的保护间隔信号进行整流后存储到储能单元；S33，将并行信能同传模拟信号中的信息模拟信号和能量模拟信号进行分流；S34，将信息模拟信号进行模数转换得到信息数字信号，对所述信息数字信号在数字域进行信息解调、并串行转换和解码处理；S35，将能量模拟信号在模拟域进行预处理后存储到储能单元。
一种带有保护间隔信号的无线信能同传系统，其用于实施一种带有保护间隔信号的无线信能同传方法，其包括：发射端，用于根据接收端的工作模式产生带有相应能量的保护间隔信号，并将信息信号、能量信号和可控保护间隔信号进行处理并发射到接收端；接收端，用于接收发射端发射的信号，并对发射端发射的信号进行处理，采集发射端发射的信号中能量信号的能量和/或可控保护间隔信号的能量。
优选的，所述发射端包括基带信号产生单元，所述基带信号产生单元用于获取接收端的当前能量需求和信道传输环境条件，并根据当前能量需求和信道传输环境条件产生可控保护间隔信号。
优选的，所述的发射端还包括：编码单元，其用于分别对信息基带信号、能量基带信号和可控保护间隔信号进行编码生成相应的基带编码；发射端串并行转换单元，其用于将基带编码信号进行串并行转换生成并行的数据流；发射端映射单元，其用于对并行的数据流进行归类，根据预分配参数集，对并行的数据流中的信息基带信号、能量基带信号和可控保护间隔信号进行相应的调制预分配；调制单元，其用于根据调制预分配结果将并行的数据流中的信息基带信号、能量基带信号和可控保护间隔信号调制到预分配的子载波上；发射端并串行转换单元，其用于将并行的数据流转换为串行的数据流；数模转换单元，其用于将串行的数据流转换成信能同传模拟信号送入发射天线；发射天线，用于发射串行信能同传模拟信号；所述接收端还包括：接收天线，其用于接收串行信能同传模拟信号；分离保护间隔单元，其用于从串行信能同传模拟信号中分离可控保护间隔模拟信号；接收端串并行转换单元，其用于将串行信能同传模拟信号转换成并行信能同传模拟信号；接收端映射单元，其用于从并行信能同传模拟信号中的信息模拟信号和能量模拟信号进行分流；信息信号处理单元，其用于将信息模拟信号进行模数转换得到信息数字信号，对所述信息数字信号在数字域进行信息解调、并串行转换和解码处理；能量信号处理单元，其用于将能量模拟信号在模拟域进行预处理后存储到储能单元；储能单元，用于存储能量。
优选的，所述信息信号处理单元包括依次连接的模数转换单元、信息解调单元、接收端并串行转换单元和解码单元。
优选的，所述能量信号处理单元包括依次连接的能量解调单元、并串行转换单元、解码单元和整流单元。
图1为本发明无线信能同传系统一具体实施例结构示意图。
在本具体实施例中，发射端还包括信号管理控制单元，其用于基于接收端的当前能量需求和信道质量参数，匹配最优化算法，动态对基带信号中的信息信号数据流、能量信号和可控保护间隔信号数据流进行载波、功率和频谱的预分配，并生成预分配参数集到基带信号产生单元和发射端映射单元。基带信号产生单元用于产生信息信号、能量信号，并根据接收端当前工作模式产生能量大小可控的保护间隔信号。信息信号、能量信号和保护间隔信号依次经过编码单元的编码处理、发射端串并行转换单元的串并行处理、发射端映射单元的分流处理、调制器的调制处理、发射端并串行转换单元的并串行处理和数模转换单元的数模处理，然后形成串行性能同传模拟信号通过发射天线发射到接收端。
接收端的接收天线接收串行信能同传模拟信号，同步单元用于使接收到的串行信号与发送端保持相位同步，经同步单元处理后的串行信能同传模拟信号经分离保护间隔单元进行保护间隔分离，判断单元用于判断串行信能同传信号中保护间隔区间的信号是否包含能量信号，在保护间隔区间的信号包含能量信号的情况下，采集保护间隔区间的信号送入整流单元整流后存储到储能单元。串行信能同传模拟信号中的有效区间的信号经分离保护间隔单元进行分离后，由接收端串并行转换单元进行串并行转换得到并行信能同传模拟信号；由接收端映射单元从并行信能同传模拟信号中对信息模拟信号和能量模拟信号进行分流。信息模拟信号由信号处理单元中的模数转换单元进行模数转换后，在数字域进行相应的信号处理；能量模拟信号由能量处理单元在模拟域进行处理后存储到储能单元。
本发明充分利用保护间隔时间传输能量大小可控的保护间隔信号，在实现防止符号间干扰的同时，又可以在保护间隔时间内提供可控的能量信号，提高系统的能量传输性能，减小接收端因能量不足而无法正常工作的可能性。本发明可广泛应用于各种信能同传系统。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种带有保护间隔信号的无线信能同传方法，其应用于信能同传系统中，所述信能同传系统包括发射端和接收端，所述发射端发射的基带信号包含信息信号和能量信号，其特征在于，所述基带信号还包括可控保护间隔信号，所述信能同传方法包括步骤：
S1，发射端根据接收端的当前能量需求和信道传输环境条件产生可控保护间隔信号；
S2，发射端对信息信号、能量信号和可控保护间隔信号进行处理并发射到接收端；
S3，接收端接收发射端发射的信号，并对发射端发射的信号进行处理；
S4，接收端采集发射端发射的信号中能量信号的能量和/或可控保护间隔信号的能量；
其中，步骤S1所述接收端的当前能量需求具体为储能工作模式能量需求或正常工作模式能量需求，所述可控保护间隔信号涉及对保护间隔信号以下参数的控制：保护间隔信号的时间长度和/或保护间隔信号的载波分配和/或保护间隔信号的功率分配。
2.根据权利要求1所述的一种带有保护间隔信号的无线信能同传方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括子步骤：
S11，当接收端处于储能工作模式时，发射端产生第一能量的可控保护间隔信号；
S12，当接收端处于正常工作模式时，发射端产生第二能量的可控保护间隔信号或者只产生具有标识意义的可控保护间隔信号；
所述第一能量大于第二能量。
3.根据权利要求2所述的一种带有保护间隔信号的无线信能同传方法，其特征在于，所述信能同传方法还包括步骤：
S5，接收端利用采集后的能量信号的能量和/或可控保护间隔信号的能量为接收端提供当前工作模式所需的电能。
4.根据权利要求3所述的一种带有保护间隔信号的无线信能同传方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：发送端对信息信号、能量信号和可控保护间隔信号进行编码、串并行转换、分流、调制、并串行转换和数模转换处理并发射串行信能同传模拟信号到接收端。
5.根据权利要求4所述的一种带有保护间隔信号的无线信能同传方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括子步骤：
S31，接收端接收串行信能同传模拟信号，并将所述串行信能同传模拟信号转换成并行信能同传模拟信号；
S32，判断串行信能同传信号中保护间隔区间的信号是否为带有能量的可控保护间隔信号，若是，则采集保护间隔区间的保护间隔信号进行整流后存储到储能单元；
S33，将并行信能同传模拟信号中的信息模拟信号和能量模拟信号进行分流；
S34，将信息模拟信号进行模数转换得到信息数字信号，对所述信息数字信号在数字域进行信息解调、并串行转换和解码处理；
S35，将能量模拟信号在模拟域进行处理后存储到储能单元。
6.一种带有保护间隔信号的无线信能同传系统，其特征在于，其用于实施如权利要求1至5任意一项所述的一种带有保护间隔信号的无线信能同传方法，其包括：
发射端，用于根据接收端的当前能量需求和信道传输环境条件产生可控保护间隔信号，并将信息信号、能量信号和可控保护间隔信号进行处理并发射到接收端；
接收端，用于接收发射端发射的信号，并对发射端发射的信号进行处理，采集发射端发射的信号中能量信号的能量和/或可控保护间隔信号的能量。
7.根据权利要求6所述的一种带有保护间隔信号的无线信能同传系统，其特征在于，所述发射端包括基带信号产生单元，所述基带信号产生单元用于根据当前能量需求和信道传输环境条件产生可控保护间隔信号。
8.根据权利要求7所述的一种带有保护间隔信号的无线信能同传系统，其特征在于，所述的发射端还包括：
编码单元，其用于分别对信息基带信号、能量基带信号和可控保护间隔信号进行编码生成相应的基带编码；
发射端串并行转换单元，其用于将基带编码信号进行串并行转换生成并行的数据流；
发射端映射单元，其用于对并行的数据流进行归类，根据预分配参数集，对并行的数据流中的信息基带信号、能量基带信号和可控保护间隔信号进行相应的调制预分配；
调制单元，其用于根据调制预分配结果将并行的数据流中的信息基带信号、能量基带信号和可控保护间隔信号调制到预分配的子载波上；
发射端并串行转换单元，其用于将并行的数据流转换为串行的数据流；
数模转换单元，其用于将串行的数据流转换成信能同传模拟信号送入发射天线；
发射天线，用于发射串行信能同传模拟信号；
所述接收端还包括：
接收天线，其用于接收串行信能同传模拟信号；
分离保护间隔单元，其用于从串行信能同传模拟信号中分离可控保护间隔模拟信号；
接收端串并行转换单元，其用于将串行信能同传模拟信号转换成并行信能同传模拟信号；
接收端映射单元，其用于从并行信能同传模拟信号中的信息模拟信号和能量模拟信号进行分流；
信息信号处理单元，其用于将信息模拟信号进行模数转换得到信息数字信号，对所述信息数字信号在数字域进行信息解调、并串行转换和解码处理；
能量信号处理单元，其用于将能量模拟信号在模拟域进行预处理后存储到储能单元；
储能单元，用于存储能量。
9.根据权利要求8所述的一种带有保护间隔信号的无线信能同传系统，其特征在于，所述信息信号处理单元包括依次连接的模数转换单元、信息解调单元、接收端并串行转换单元和解码单元。
10.根据权利要求8所述的一种带有保护间隔信号的无线信能同传系统，其特征在于，所述能量信号处理单元包括依次连接的能量解调单元、并串行转换单元、解码单元和整流单元。
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Assignee: Shenzhen Nankeyuan Creative Technology Co.,Ltd.

Assignor: SOUTH University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA

Contract record no.: X2021990000411

Denomination of invention: A wireless simultaneous interpreting method and system with protection interval signal

Granted publication date: 20180615

License type: Exclusive License

Record date: 20210709