CN107492957B - 一种融合短距离能量传输技术的信能同传系统及方法 - Google Patents

一种融合短距离能量传输技术的信能同传系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种融合短距离能量传输技术的信能同传系统及方法。本发明同时利用短距离能量传输和信能同传技术，当无线终端满足短距离能量传输条件时，使用电感耦合或电磁谐振方式进行供电，使用无线信能同传收发系统进行高速通信；当不满足短距离能量传输条件时，使用无线信能同传收发系统利用电磁波进行无线供电，同时进行高速通信，克服了现有技术中单一电磁波传输技术存在的能量利用效率低，容易对其它通信系统产生干扰的技术问题，实现了一种可根据无线终端的电能需求以及空间位置进行资源分配优化的信能同传系统。本发明可广泛应用于各种信能同传系统。

Description

一种融合短距离能量传输技术的信能同传系统及方法
技术领域
本发明涉及无线信号传输领域，尤其涉及一种信能同传系统及方法。
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。
现有技术中，利用基于电磁波传输技术的无线信能同传方式进行长距离无线通电和通信是实现电磁波二用的较好解决方案，但存在的问题是：
(1)电磁波传输损耗非常大，在带来便利性的同时对于能量的利用效率较低。
(2)无线信能同传利用电磁波进行无线充电，强度较高的电能信号占用无线频谱的时候可能会对其他通信系统产生很强的干扰，影响其他并存通信系统的性能。
另一方面，利用电感耦合或电磁谐振方式进行超短距离无线供电，虽然距离短，但是传输效率高，而且辐射距离短，不影响其他通信系统工作。
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可根据无线终端的电能需求以及空间位置进行资源分配优化的信能同传系统及方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种融合短距离能量传输技术的信能同传系统，包括：
无线供电板，用于在当无线终端满足与无线供电板的短距离能量传输条件时，为无线终端提供能量；
无线终端，与多载波无线信能同传收发机无线连接，用于发送通信需求和/或能量需求到多载波无线信能同传收发机，并接收和处理多载波无线信能同传收发机发射的信息信号和/或能量信号；
多载波无线信能同传收发机，与无线终端无线连接，用于接收无线终端发送的通信需求和/或能量需求，根据无线终端的通信需求和/或能量需求，产生相应的信息信号和/或能量信号发射到无线终端。
优选的，所述多载波无线信能同传收发机根据无线终端发送的通信需求和/或能量需求，分配对应的信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE，然后生成信息信号和/或能量信号发射到无线终端。
优选的，所述多载波无线信能同传收发机分配对应的信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE满足第一约束条件：优先满足无线终端的能量需求。
优选的，所述多载波无线信能同传收发机分配对应的信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE满足第一优化目标：信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE的总和n1最小化。
优选的，所述多载波无线信能同传收发机分配对应的信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE满足第二约束条件：分配给信息信号子载波数NI满足无线终端的通信需求。
优选的，所述系统包括多个无线终端。
一种融合短距离能量传输技术的信能同传方法，包括：
短距离供电步骤：当无线终端满足与无线供电板的短距离能量传输条件时，利用无线供电板为无线终端提供能量；
判断处理步骤：判断无线终端的通信需求和/或能量需求，并根据无线终端的通信需求和/或能量需求，产生相应的信息信号和/或能量信号发射到无线终端。
优选的，所述判断处理步骤具体为：判断无线终端的通信需求和/或能量需求，并根据无线终端的通信需求和/或能量需求，分配对应的信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE，然后生成信息信号和/或能量信号发射到无线终端。
优选的，所述分配对应的信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE满足第一约束条件：优先满足无线终端的能量需求。
优选的，所述分配对应的信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE满足第一优化目标：信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE的总和n1最小化。
优选的，所述分配对应的信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE满足第二约束条件：分配给信息信号子载波数NI满足无线终端的通信需求。
本发明的有益效果是：
本发明同时利用短距离能量传输和信能同传技术，当无线终端满足短距离能量传输条件时，使用电感耦合或电磁谐振方式进行供电，使用无线信能同传收发系统进行高速通信；当不满足短距离能量传输条件时，使用无线信能同传收发系统利用电磁波进行无线供电，同时进行高速通信，克服了现有技术中单一电磁波传输技术存在的能量利用效率低，容易对其它通信系统产生干扰的技术问题，实现了一种可根据无线终端的电能需求以及空间位置进行资源分配优化的信能同传系统。
本发明可广泛应用于各种信能同传系统。
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实施例1的电路结构示意图；
图2是本发明信能同传系统实施例2的电路结构示意图。
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。
如图1和图2所示，本发明信能同传系统包括：
无线供电板，无线供电板上设置有无线发射线圈，用于在当无线终端满足与无线供电板的短距离能量传输条件时，为无线终端提供能量；
无线终端，与多载波无线信能同传收发机无线连接，用于发送通信需求和/或能量需求到多载波无线信能同传收发机，并接收和处理多载波无线信能同传收发机发射的信息信号和/或能量信号。
需要说明的是，信能同传系统能够支持的无线终端总数量受无线信能同传收发机总功率P的限制，无线供电板能够支持的无线终端数量受总功率P’与无线供电板尺寸的限制。
其中，无线终端中设置有与无线发射线圈对应的无线接收线圈，短距离能量传输条件是指无线发射线圈和无线接收线圈的距离及位置对应关系符合电感耦合或电磁谐振方式的能量传输条件，例如可将无线终端直接放置在无线供电板的充电区域上。
多载波无线信能同传收发机，与无线终端无线连接，用于接收无线终端发送的通信需求和/或能量需求，根据无线终端的通信需求和/或能量需求，产生相应的信息信号和/或能量信号发射到无线终端。其中，信息信号和能量信号分别加载在多个子载波上发射到无线终端。多载波无线信能同传收发机通过分配子载波资源的数量实现对信息信号和/或能量信号输出的控制。
多载波无线信能同传收发机与无线终端通过电磁波信号无线连接。在具体实施过程中，多载波无线信能同传收发机可设置有用于信息信号和/或能量信号传输的信号调制解调电路和收发天线；无线终端可设置有用于信息信号传输的信号调制解调电路、用于采集能量信号能量的整流电路和收发天线；多载波无线信能同传收发机与无线终端通过电磁波信号无线连接实现长距离无线信息信号和/或能量信号的传输。
实施例1
如图1所示，本实施中，信能同传系统包括无线供电板、多载波无线信能同传收发机和多个无线终端，无线终端放置在无线供电板的充电区域上。
无线供电板为无线终端提供能量，此时无线终端接收到的能量为Q’，无线终端将该信息反馈给无线信能同传收发机。无线信能同传收发机判断无线终端的能量需求为：此时正在进行短距离充电，充电效率μ维持较高；那么，无线终端需求通信时，无线信能同传收发机会根据该终端的通信需求进行子载波分配。分配机制为：按照该终端通信需求进行计算，分配匹配的子载波数量；其余子载波资源会供给其他无线终端。若该无线终端突然有了无线能量需求，则依然保持能量优先原则，优先将其他无线终端的信息信号子载波资源调回用于该无线终端的能量信号传输。
具体步骤为：
无线信能同传收发机总子载波数为N，假设有L台无线终端U1～UL，无线终端集合U＝[U1,…UL]。
例如，首先判断Q’是否满足该终端的能量需求Qmin,1，
若满足Q’≥Qmin,1：
根据该终端通信需求R1，进行子载波分配，子载波分配满足第一优化目标：子载波使用量n1最小化，即有：
Min n1；
同时，子载波分配满足第二约束条件：分配给信息信号子载波数NI满足无线终端的通信需求，即有：
s.t.R≥R1；
其中，R为实时通信速率，满足关系式：
Figure BDA0001352003750000071
n1为分配的子载波总数，r为该子载波可提供的实时通信速率，E为该子载波可提供的实时平均通信速率，h为信道参数向量，信息信号和能量信号分别为SI(n,t)和SE(n,t)，其中，n为子载波序号，n＝1，2,...,m；m≤n1；t表示时间。
若不满足Q’≥Qmin,1：
则利用无线信能同传收发机进行能量传输满足无线终端的能量需求，同时满足无线终端的通信需求：
步骤1：分配能量子载波集ScE1，使得Q’+Q1大于等于Qmin,1，其中，Q1为无线终端接收到来自无线信能同传收发机的能量，即有运算式：
Find ScE1使得Q’+Q1大于等于Qmin,1；
步骤2：
子载波分配满足第一优化目标：子载波使用量n1最小化，即有：
Min n1；
同时，子载波分配满足第二约束条件：分配给信息信号子载波数NI满足无线终端的通信需求，即有：
s.t.R≥R1；
以此类推，对置于无线供电板的无线终端进行子载波分配。
实施例2
如图2所示，本实施例中，信能同传系统包括无线供电板、多载波无线信能同传收发机和多个无线终端，无线终端未放置在无线供电板的充电区域上，不满足短距离能量传输条件。
此时，若该无线终端没有能量需求，则处理方法与实施例1相同。
若该无线终端既有无线能量供给需求又有高速无线通信需求，则：
步骤1：
遵循第一约束条件：优先满足能量需求。
首先需要满足该无线终端的能量需求Qmin，分配一个合适的能量子载波集ScE进行无线能量传输，即有运算式：
Find ScE＝{Sci}，i＝1…NE；
无线终端接收到来自无线信能同传收发机的能量Q需大于或等于无线终端的最小能量需求Pmin，而且满足第二优化目标：使得无线终端接收到的能量Q最大化，即有第三约束条件：
s.t.
max Q，Q≥Pmin；
步骤2：
再满足通信需求。
根据下列优化目标和约束条件分配子载波资源：
Min n1；
s.t.R≥R1；
Figure BDA0001352003750000091
以此类推，对未置于无线供电板上的无线终端进行子载波分配。
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 (11)

1.一种融合短距离能量传输技术的信能同传系统，其特征在于，包括：
无线供电板，用于在当无线终端满足与无线供电板的短距离能量传输条件时，为无线终端提供能量；
无线终端，与多载波无线信能同传收发机无线连接，用于发送通信需求和/或能量需求到多载波无线信能同传收发机，并接收和处理多载波无线信能同传收发机发射的信息信号和/或能量信号；
多载波无线信能同传收发机，与无线终端无线连接，用于接收无线终端发送的通信需求和/或能量需求，根据无线终端的通信需求和/或能量需求，产生相应的信息信号和/或能量信号发射到无线终端，当无线终端不满足短距离能量传输条件时，为无线终端提供能量。
2.根据权利要求1所述的一种融合短距离能量传输技术的信能同传系统，其特征在于，所述多载波无线信能同传收发机根据无线终端发送的通信需求和/或能量需求，分配对应的信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE，然后生成信息信号和/或能量信号发射到无线终端。
3.根据权利要求2所述的一种融合短距离能量传输技术的信能同传系统，其特征在于，所述多载波无线信能同传收发机分配对应的信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE满足第一约束条件：优先满足无线终端的能量需求。
4.根据权利要求3所述的一种融合短距离能量传输技术的信能同传系统，其特征在于，所述多载波无线信能同传收发机分配对应的信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE满足第一优化目标：信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE的总和n1最小化。
5.根据权利要求4所述的一种融合短距离能量传输技术的信能同传系统，其特征在于，所述多载波无线信能同传收发机分配对应的信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE满足第二约束条件：分配给信息信号子载波数NI满足无线终端的通信需求。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种融合短距离能量传输技术的信能同传系统，其特征在于，所述系统包括多个无线终端。
7.一种融合短距离能量传输技术的信能同传方法，其特征在于，包括：
供电步骤：当无线终端满足与无线供电板的短距离能量传输条件时，利用无线供电板为无线终端提供能量；当无线终端不满足短距离能量传输条件时，使用多载波无线信能同传收发机为无线终端提供能量；
判断处理步骤：判断无线终端的通信需求和/或能量需求，并根据无线终端的通信需求和/或能量需求，产生相应的信息信号和/或能量信号发射到无线终端。
8.根据权利要求7所述的一种融合短距离能量传输技术的信能同传方法，其特征在于，所述判断处理步骤具体为：判断无线终端的通信需求和/或能量需求，并根据无线终端的通信需求和/或能量需求，分配对应的信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE，然后生成信息信号和/或能量信号发射到无线终端。
9.根据权利要求8所述的一种融合短距离能量传输技术的信能同传方法，其特征在于，所述分配对应的信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE满足第一约束条件：优先满足无线终端的能量需求。
10.根据权利要求9所述的一种融合短距离能量传输技术的信能同传方法，其特征在于，所述分配对应的信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE满足第一优化目标：信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE的总和n1最小化。
11.根据权利要求10所述的一种融合短距离能量传输技术的信能同传方法，其特征在于，所述分配对应的信息信号子载波数NI和能量信号子载波数NE满足第二约束条件：分配给信息信号子载波数NI满足无线终端的通信需求。
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