CN113507745B - 一种基于时间反演无线输能的多用户功率分配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间反演无线输能的多用户功率分配方法及系统，属于无线输能技术领域。本发明利用受能用户发射的探测信号主动进行功率控制，无需发射端进行功率分配，便可实现对不同距离、不同角度的多个用户的精确功率分配。通过功率发射端接收探测信号的幅度来确定各用户点功率的加权系数，无需进行算法优化，可以满足多用户动态输能实时功率分配的需求，为TR‑WPT实现多目标功率分配走向实用提供了技术支持。

Description

一种基于时间反演无线输能的多用户功率分配方法及系统

技术领域

本发明属于无线输能技术领域，具体涉及一种基于时间反演无线输能的多用户功率分配方法及系统。

背景技术

随着5G网络的逐渐覆盖，物联网技术得到了快速的发展，包括智慧家庭、可穿戴电子、智能工厂等场景中均应用了越来越多的智能设备和无线传感器。无线通信解决了IoT设备之间的无线互联，但大量智能设备的电量供应是一个亟待解决的问题。IoT设备用电满足用电量小、持续性工作、工作环境复杂等特点，布置电缆线过于繁琐，用电池供电需要定期更换电池，设备多的场景和特殊场景更换电池也相对复杂。因此无线充电成为解决供电问题的最佳方案。现有的无线充电技术大多是基于电磁感应耦合(Inductively CoupledPower Transfer，ICPT)和磁共振耦合(Magnetic Resonance Coupling，MRC)，这两种方式的充电具有功率大、效率高等优点，但不能实现远距离充电且收发线圈需要对准，因此也不能满足可移动智能设备的无线充电。

基于时间反演的无线输能(Time Reversal Wireless Power Transfer，TR-WPT)技术是近年来无线充电领域研究的重要方向。与传统微波输能以能量发散的形式进行输能不同，TR-WPT利用时间反演电磁波的空-时同步聚焦特性，将电磁波在需要输能的位置进行点聚焦，实现了精准和高效的能量传输。TR-WPT无需知道充电点的位置就能实现自动跟踪输能，且根据电磁波的叠加原理实现多用户同时输能。

TR-WPT在中远距离无线输能场景中具有独特优势，成为了研究IoT设备无线充电的重要技术。例如申请号为201811272914.8的中国发明专利申请，公开了一种基于天线阵列设计的无线功率传输方法和系统，该方法可以根据不同的能量分配需求同时对空间中多个分立用户充电，且用户位置切换时，发射阵列可以快速响应、调整波束辐射方向。采用余弦和脉冲信号完成时间调制，阵列产生的辐射波束数量易控、且各波束的指向独立可控。但是该系统中使用了混频器、滤波器、单边带调制器以及非矩形脉冲信号发生器等，且使用FPGA进行时间调制控制，因此系统的复杂度很高，且只是对某一方向的功率进行定义，无法通过接收功率进行反馈调节。又例如申请号为201810580750.9的中国发明专利申请，公开了一种基于聚焦波的多用户选择性无线输能方法及装置，该方法将TRM获取的回传信号按照一定的叠加系数进行线性叠加，即可得到最终的合成TRM激励信号。而且，通过优化算法，可对充电用户以外区域的能流大小进行压制。但是该方法是一种静态的多用户输能方式，需要预先对每一个受能位置进行时间反演操作，然后再进行叠加优化，最后进行激励输能，无法根据受能点实际接收的功率大小进行实时动态调整。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术存在的缺陷，提出一种基于时间反演无线输能的多用户功率分配方法及系统。本发明解决了多受能用户在距离发射阵列不同角度、不同距离时的一定比例功率分配的问题，且不需要在功率发射端进行优化计算，就能够实现对多用户的实时动态跟踪输能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提出了一种基于时间反演无线输能的多用户功率分配方法，包括如下步骤：

S1.M个受能用户发送输能请求信号，功率发射端接收M个受能用户的输能请求信号，并将受能用户分别标记为1,2,…,M。

S2.功率发射端依次向第i(i＝1,2,…,M)个受能用户发送回复信号，令M个受能用户依次进入探测状态。

S3.当第i个受能用户处于探测状态时，受能用户根据需要的输能功率发送探测信号P_pi，其余受能用户不工作。

具体地，每个受能用户的信号源输出的初始探测信号功率都为P_s，设第i个受能用户所需的输能功率为P_i(i＝1,2,…,M)，则第i个受能用户的信号源输出的初始探测信号经过增益调整后，发送的探测信号为P_pi＝P_s/P_i。

S4.功率发射端天线阵的N个天线单元接收到来自第i个受能用户的探测信号P_pi，对探测信号P_pi进行鉴幅鉴相得到第i个受能用户的幅相信息H_ij，并将此幅相信息发送到主控模块进行存储；当M个受能用户的幅相信息存储完成，进行下一步。

具体地，第j个天线单元接收的第i个受能用户的幅相信息为：H_ij＝A_ij∠θ_ij,(i＝1,2,…,M，j＝1,2,…,N)，其中A_ij为第j个天线单元接收到的第i个受能用户的幅度，θ_ij为第j个天线单元接收到的第i个受能用户的相位。

S5.主控模块通过幅相信息计算得到各受能用户的时间反演信息，以及N个天线单元的幅相控制信息。

具体的，首先对H_ij＝A_ij∠θ_ij进行时间反演处理(即相位共轭处理)，得到H_ij ^*＝A_ij∠(2π-θ_ij)，其中H_ij ^*表示时间反演以后的幅相信息矢量。对于第i个受能用户发送的探测信号，功率发射端天线阵接收探测信号的总幅度为：

占发射功率的权值为：w_i＝A_max/A_i ²，其中A_max为A₁至A_M中的最大值。则功率发射端天线阵N个天线单元的幅相控制信息为：

其中F_j表示第j个天线单元的输能控制幅相信息矢量，

表示第j个天线单元的幅度控制信息，

表示第j个天线单元的相位控制信息；因此，第j个天线单元的输能信号的增益为：

其中G_j为第j个天线单元输能信号的增益值，G₀表示可变增益放大器的最大增益值。

S6.主控模块控制功率发射端进入输能状态，各天线单元根据幅相控制信息调整初始输能信号的增益和相位。

S7.所有受能用户发送探测信号后自动切换到输能接收状态，受能用户接收功率发射端发送的输能信号，然后经整流电路和电源管理电路后输出到负载。

S8.当第i个受能用户不再需要输能时，发送输能终止信号。功率发射端主控模块令M＝M-1更新用户信息，将H_ij重新进行排序，然后回到S5。

进一步地，为了使受能用户接收到的输能信号的功率值满足其需要的功率值，还提供了以下步骤：

各受能用户检测输出到负载的直流功率P_i′，判断|P_i-P_i′|是否大于预设的波动功率阈值P₀。若是，则得到反馈系数k_i＝P_i/P_i′，受能用户将k_i值发送给功率发射端，主控模块令w_i＝k_i*w_i更新第i个受能用户占发射功率的权值，返回到S5，重新计算功率发射端天线阵第j个天线单元的输能控制幅相信息矢量F_j；若否，则继续接收输能信号。

基于上述多用户功率分配方法，本发明还提供了一种基于时间反演无线输能的多用户功率分配系统，该系统用于实现对多个受能用户的实时功率分配，包括至少一个受能用户和功率发射端。

所述受能用户包括信号源、幅度调控模块、受能端天线、受能端通信模块、控制模块、整流电路、电源管理电路和直流功率检测模块。

所述信号源，用于产生初始探测信号。

所述幅度调控模块，用于调整初始探测信号的功率。优选地，所述幅度调控模块为可变增益放大器或者可调衰减器。

所述受能端天线，用于发送探测信号，以及接收功率发射端输送的输能信号。

所述受能端通信模块，用于发送输能请求信号、输能终止信号以及受能用户的反馈系数k_i。

所述整流电路，用于将受能端天线接收的输能信号转换为直流，并经过所述电源管理电路进行稳压输出。

所述直流功率检测模块，用于检测受能用户接收的直流功率，并判断该直流功率与受能用户需要的输能功率的差值是否大于预设的波动功率阈值，从而通过通信模块反馈到主控模块，调整发射端的发射功率。

所述功率发射端包括主控模块、发射端通信模块、馈电网络、以及天线阵。

所述发射端通信模块，用于接收受能用户发送的输能请求信号和输能终止信号，并将其发送到主控模块；还用于发射回复信号。

所述主控模块，根据输能请求信号令馈电网络处于接收状态或输能状态，根据输能终止信号令馈电网络处于休眠状态；所述主控模块，还用于根据各天线单元接收的探测信号的幅相信息，计算得到时间反演信息；所述主控模块，还用于产生输能信号，然后等幅同相地分配到馈电网络的各级联模块，作为初始输能信号。

所述馈电网络，包括若干级联模块；所述级联模块，用于检测天线单元接收的探测信号的幅度信息和相位信息，并传输给主控模块；所述级联模块，还用于根据主控模块的时间反演信息对初始输能信号进行移相操作和功率调整得到输能信号，然后通过天线单元进行发射。

所述天线阵的各天线单元分别与一个级联模块相连，用于接收探测信号、发射输能信号。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用受能用户发射的探测信号主动进行功率控制，无需发射端进行功率分配，可以实现对不同距离、不同角度的多个用户的精确功率分配。

(2)本发明通过功率发射端接收探测信号的幅度来确定各用户功率的加权系数，无需进行算法优化，可以满足多用户动态输能实时功率分配的需求。

附图说明

图1为本发明所述时间反演多用户输能的系统结构示意图；

图2为本发明所述时间反演无线输能的多用户功率分配方法流程图；

图3为本发明所述功率发射端的级联模块结构框图；

图4为本发明所述受能用户的结构框图；

图5为使用本发明所述方法进行输能仿真得到的聚焦电场三维显示图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合附图来为了对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

如图1、图3所示，本实例提出一种基于时间反演无线输能的多用户功率分配系统，该系统使用功率发射端实现对3个受能用户的实时功率分配。其中受能用户结构包括信号源、幅度调控模块、天线、通信模块、控制模块、整流电路、电源管理电路和直流功率检测模块；功率发射端包括主控模块、通信模块、馈电网络、以及天线阵。

如图3所示为受能用户结构框图，信号源用于产生输能探测信号，将生成的正弦波信号输送到幅度调控模块。幅度调控模块为可变增益放大器，按照各受能端所需不同的功率进行不同增益的幅度调控。受能端天线用于发送幅度调控模块输出的探测信号，以及接收功率发射端输送的输能信号。受能端通信模块用于发射输能请求信号、输能终止信号以及受能用户的反馈系数k_i。整流电路用于将天线接受的微波能量转换为直流，并经过所述电源管理电路进行稳压输出。直流功率检测模块检测受能用户接收的直流功率，并判断该直流功率与受能用户需要的输能功率的差值是否大于预设的波动功率阈值，从而通过通信模块反馈到主控模块，调整发射端的发射功率。

功率发射端主控模块根据输能请求信号令各级联模块处于接收状态或输能状态；根据输能终止信号令各级联模块处于休眠状态；主控模块还用于根据各天线单元接收的探测信号的幅相信息，计算得到时间反演信息；主控模块还用于产生输能信号，然后等幅同相地分配到各级联模块，作为初始输能信号。

馈电网络包括若干级联模块，各级联模块均包含幅相检测电路、移相器、可变增益放大器，其结构框图如图4所示。级联模块用于检测天线阵的各天线单元接收的探测信号的幅度信息和相位信息，并传输给主控模块；级联模块还用于根据主控模块的时间反演信息对初始输能信号进行移相操作和功率调整得到输能信号，然后通过天线单元进行发射。

下面，结合一个具体的多受能用户输能场景例，对本发明的技术方案做进一步详细的说明。

如图1所示，功率发射端天线为9个单元的天线阵，01,02,03为3个处于发射阵列任意角度和距离处的受能用户。

本实例将对01,02,03实现功率分配比例为4:3:5的输能，具体执行步骤如下：

S1.M＝3个受能用户发送输能请求信号，功率发射端接收3个受能用户的输能请求信号，并将受能用户分别标记为1,2,3。

S2.功率发射端依次向第i(i＝1,2,3)个受能用户发送回复信号，令3个受能用户依次进入探测状态。

S3.当第i个受能用户处于探测状态时，受能用户根据需要的输能功率发送探测信号P_pi，其余受能用户不工作。

具体地，每个受能用户的信号源输出的初始探测信号功率都为P_s＝1W，3个受能用户所需的输能功率分别为P₁＝4W,P₂＝3W,P₃＝5W，则第i个受能用户的信号源输出的初始探测信号经过增益调整后，发送的探测信号为P_p1＝1/4W,P_p2＝1/3W,P_p3＝1/5W。

S4.功率发射端天线阵的N＝9个天线单元接收到来自第i个受能用户的探测信号，对探测信号进行鉴幅鉴相得到第i个受能用户的幅相信息，并将此幅相信息发送到主控模块进行存储；当3个受能用户的幅相信息存储完成，进行下一步。

具体地，第j个级联模块鉴别得到的第i个受能用户的幅相信息为：H_ij＝A_ij∠θ_ij,(i＝1,2,3，j＝1,2,…,9)，其中H_ij表示第j个天线单元接收到的第i个受能用户的幅相信息的矢量，A_ij为第j个天线单元接收到的第i个受能用户的幅度，θ_ij为第j个天线单元接收到的第i个受能用户的相位。

S5.主控模块通过幅相信息计算得到各受能用户的时间反演信息，即9个天线单元的幅相控制信息。

具体的，首先对H_ij＝A_ij∠θ_ij进行时间反演处理，得到H_ij ^*＝A_ij∠(2π-θ_ij)，其中H_ij ^*表示时间反演以后的幅相信息矢量。对于第i个受能用户发送的探测信号，功率发射端天线阵接收探测信号的总幅度为：

占发射功率的权值为：w_i＝A_max/A_i ²，其中A_max为A₁至A_M中的最大值。则功率发射端天线阵9个天线单元的幅相控制信息为：

其中F_j表示第j个天线单元的输能控制幅相信息矢量，

表示第j个天线单元的幅度控制信息，

表示第j个天线单元的相位控制信息；因此，第j个天线单元的输能信号的增益为：

其中G_j为第j个天线单元输能信号的增益值，G₀＝20dB表示可变增益放大器的最大增益值。

S6.主控模块控制功率发射端进入输能状态，各天线单元根据幅相控制信息调整初始输能信号的增益和相位。

S7.所有受能用户发送探测信号后自动切换到接收状态，受能用户接收功率发射端发送的输能信号，然后经整流电路和电源管理电路后输出到负载。

S8.各受能用户检测输出到负载的直流功率P′_i，判断|P_i-P′_i|是否大于预设的波动功率阈值P₀＝0.1W。若是，则得到反馈系数k_i＝P_i/P_i′，受能用户将k_i值发送给功率发射端，主控模块令w_i＝k_i*w_i更新第i个受能用户占发射功率的权值，返回到S5，重新计算功率发射端天线阵9个天线单元的幅相控制信息F_j；若否，则继续接收输能信号。

S9.当第i个受能用户不再需要输能时，发送输能终止信号。功率发射端主控模块令M＝M-1更新用户信息，将H_ij重新进行排序，然后回到S5。

图5为使用本发明所述方法在MATLAB中进行输能仿真的结果图。其中发射阵列为9×9的平面TRM方形阵，输能频率为2.45GHz，单元间距为半波长。图5(a)和5(b)实现了对3个用户的功率分配，三个受能用户坐标分别为：(0,0.8,0)、(0.5，-0.7,0)、(-1，-0.5,0)，图5(a)为等功率分配结果，图5(b)为功率分配比例4:3:5的输能结果。图5(c)和5(d)实现了对4个用户的功率分配，四个受能用户坐标分别为：(-1,-1,0)、(1，-0.5,0)、(0.3，1.3,0)、(-1，0.8,0)，图5(c)为等功率分配结果，图5(d)为功率分配比例2:4:3:4的输能结果。从图中可以看出，运用本发明所述的方法可以在受能用户坐标处实现所需的功率分配，达到了受能用户功率分配的目的。

本发明的基于时间反演无线输能的多用户功率分配方法及装置，利用受能用户发射的探测信号主动进行功率控制，无需发射端进行功率分配，便可实现对不同距离、不同角度的多个用户的精确功率分配。通过发射端接收探测信号的幅度来确定各用户点功率的加权系数，无需进行算法优化，可以满足多用户动态输能实时功率分配的需求，为TR-WPT实现多目标功率分配走向实用提供了技术支持。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于时间反演无线输能的多用户功率分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.M个受能用户发送输能请求信号，功率发射端接收M个受能用户的输能请求信号，并将受能用户分别标记为1,2,…,M；

S2.功率发射端依次向第i个受能用户发送回复信号，其中i＝1,2,…,M，令M个受能用户依次进入探测状态；

S3.当第i个受能用户处于探测状态时，受能用户根据需要的输能功率P_i发送探测信号P_pi，其余受能用户不工作；

S4.功率发射端天线阵的N个天线单元接收到来自第i个受能用户的探测信号P_pi，对探测信号P_pi进行鉴幅鉴相得到第i个受能用户的幅相信息H_ij，H_ij表示第j个天线单元接收到的第i个受能用户的幅相信息的矢量，j＝1,2,…,N；并将此幅相信息发送到主控模块进行存储；当M个受能用户的幅相信息存储完成，进行下一步；

S5.主控模块通过幅相信息计算得到各受能用户的时间反演信息，以及N个天线单元的幅相控制信息；

具体地，首先对幅相信息H_ij＝A_ij∠θ_ij进行时间反演处理，得到H_ij ^*＝A_ij∠(2π-θ_ij)，其中A_ij为第j个天线单元接收到的第i个受能用户的幅度，θ_ij为第j个天线单元接收到的第i个受能用户的相位；H_ij ^*表示时间反演以后的幅相信息矢量；对于第i个受能用户发送的探测信号，功率发射端天线阵接收探测信号的总幅度为：

占发射功率的权值为：w_i＝A_max/A_i ²，其中A_max为A₁至A_M中的最大值；则功率发射端天线阵N个天线单元的幅相控制信息为：

其中F_j表示第j个天线单元的输能控制幅相信息矢量，

表示第j个天线单元的幅度控制信息，

表示第j个天线单元的相位控制信息；因此，第j个天线单元的输能信号的增益为：

其中G_j为第j个天线单元输能信号的增益值，G₀表示可变增益放大器的最大增益值；

S6.主控模块控制功率发射端进入输能状态，各天线单元根据幅相控制信息调整初始输能信号的增益和相位；

S7.所有受能用户发送探测信号后自动切换到输能接收状态，受能用户接收功率发射端发送的输能信号，然后经整流电路和电源管理电路后输出到负载；

具体地，各受能用户检测输出到负载的直流功率P_i′，判断|P_i-P_i′|是否大于预设的波动功率阈值P₀；若是，则得到反馈系数k_i＝P_i/P_i′，受能用户将k_i值发送给功率发射端，主控模块令w_i＝k_i*w_i更新第i个受能用户占发射功率的权值，返回到S5，重新计算功率发射端天线阵第j个天线单元的输能控制幅相信息矢量F_j；若否，则继续接收输能信号；

S8.当第i个受能用户不再需要输能时，发送输能终止信号；功率发射端主控模块令M＝M-1更新用户信息，将H_ij重新进行排序，然后回到S5。

2.如权利要求1所述的一种基于时间反演无线输能的多用户功率分配方法，其特征在于，所述S3具体包括：每个受能用户的信号源输出的初始探测信号功率都为P_s，设第i个受能用户所需的输能功率为P_i，则第i个受能用户的信号源输出的初始探测信号经过增益调整后，发送的探测信号为P_pi＝P_s/P_i。

3.一种基于权利要求1所述的时间反演无线输能方法的多用户功率分配系统，该系统用于实现对多个受能用户的实时功率分配，包括至少一个受能用户和功率发射端；

所述受能用户包括信号源、幅度调控模块、受能端天线、受能端通信模块、控制模块、整流电路、电源管理电路和直流功率检测模块；

所述信号源，用于产生初始探测信号；

所述幅度调控模块，用于调整初始探测信号的功率；优选地，所述幅度调控模块为可变增益放大器或者可调衰减器；

所述受能端天线，用于发送探测信号，以及接收功率发射端输送的输能信号；

所述受能端通信模块，用于发送输能请求信号、输能终止信号以及受能用户的反馈系数k_i；

所述整流电路，用于将受能端天线接收的输能信号转换为直流，并经过所述电源管理电路进行稳压输出；

所述直流功率检测模块，用于检测受能用户接收的直流功率，并判断该直流功率与受能用户需要的输能功率的差值是否大于预设的波动功率阈值，从而通过通信模块反馈到主控模块，调整发射端的发射功率；

所述功率发射端包括主控模块、发射端通信模块、馈电网络、以及天线阵；

所述发射端通信模块，用于接收受能用户发送的输能请求信号和输能终止信号，并将其发送到主控模块；还用于发射回复信号；

所述主控模块，根据输能请求信号令馈电网络处于接收状态或输能状态，根据输能终止信号令馈电网络处于休眠状态；所述主控模块，还用于根据各天线单元接收的探测信号的幅相信息，计算得到时间反演信息；所述主控模块，还用于产生输能信号，然后等幅同相地分配到馈电网络的各级联模块，作为初始输能信号；

所述馈电网络，包括若干级联模块；所述级联模块，用于检测天线单元接收的探测信号的幅度信息和相位信息，并传输给主控模块；所述级联模块，还用于根据主控模块的时间反演信息对初始输能信号进行移相操作和功率调整得到输能信号，然后通过天线单元进行发射；

所述天线阵的各天线单元分别与一个级联模块相连，用于接收探测信号、发射输能信号。

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