无线能量收集式超高频物联网标签设计

设计了一种环境无线能量收集式超高频蜂窝物联网标签的系统架构,包括无线能量收集电路、环境温度感知电路、超高频RFID标签电路、嵌入式程序等软硬件,研制出无线能量收集式超高频蜂窝物联网标签,其兼容ISO/IEC 18000-6C超高频RFID空口标准协议,具有温度感知与射频识别功能。无线能量收集式超高频蜂窝物联网标签收集环境中GSM900、GSM1800频段无线能量,将其转换成直流,经过DC-DC升压电路(BQ25570)后驱动无线收发前端电路模块、MSP430单片机、温度感知电路等模块工作,实现环境温度无线感知与传输。测试结果表明,收集的射频功率为-14dBm时,RF-DC转换效率高于39%,直流输出电压高于330mV,冷启动BQ25570和标签正常工作。无线能量收集式物联网标签克服了有源标签需频繁更换电池的缺点,具有识别灵敏度高、通信距离远、使用寿命长和免维护等优点,在冷链仓储物流领域应用前景广泛。

一种应用于无线传感器网络无线能量收集系统的整流电路

本文给出了一种应用于无线传感器网络的无线能量收集器的整流电路。该整流电路采用L形结构作为输入匹配,采用商用肖特基二极管实现整流,仿真结果表明,本整流电路在2.45GHz具有良好的端口特性,其功率转换效率可以达到58%。该整流电路能够应用到无线能量收集系统实现能量转化,从而实现对无线传感器网络节点的持续供电,具有较强的应用意义。

植入式医疗装置的无线通信和能量收集电路

针对传统植入式医疗装置中无线通信电路功耗高、面积大、通信距离短且通常不具备能量收集功能的问题,提出了一种高效率的无线通信和能量收集电路。无线通信电路通过采用脉冲幅度调制的近场通信方式,与传统的开关调制方式相比,其功耗更低,并且在相同误码率的情况下能够实现更远的通信距离;能量收集电路通过使用低功耗的MOS整流和稳压电路,其具有高转换效率、小面积的优势。采用0.35μm CMOS工艺,完成了电路的设计和仿真,通过搭建实验平台,对所提无线通信系统进行了验证。实验结果表明:所提电路可在2.0~2.8V电源下工作,在误码率不超过10-5的情况下,最远无线通信距离可达12cm,并且工作时的电流低于26μA;无线能量收集电路在输入800mV、128kHz正弦信号时,输出直流电压为1.73V,能量转换效率达到20%。所设计电路可应用于起搏器等植入式医疗装置中,可实现高效率的无线通信和能量收集。

基于电磁超材料的微波无线能量传输与收集关键技术(特邀)

无线能量传输与收集技术有望为5G通信、万物互联等重要领域提供革命性技术变革。近距离耦合式传能已逐渐商业化,但面向远距离应用的微波无线传能的实用化进程还存在诸多技术瓶颈,例如有限的收发天线口径与传输效率的矛盾等。电磁超材料的发展为解决上述问题带来了新的突破口。本文将围绕两者的结合,系统地阐述电磁超材料在微波无线能量传输与无线能量收集中的关键技术。结果表明,基于电磁超材料的近场聚焦技术能显著提升无线能量传输效率。此外,还介绍了光透明超表面以及可重构超表面用于提升无线传能性能与实用性的研究进展;基于亚波长超材料单元的周期性紧密排布,可以设计具备宽角入射特性、极化不敏感特性的无线能量收集器,从而以更高的收集效率取代传统天线结构进行能量接收。与整流二极管共面集成提出整流超表面的新概念,可以简化无线能量收集器系统的整体结构,减小尺寸并提高效率。最后,对无线传能的未来发展进行讨论,指出现场可编程、智能超材料技术将在未来携能通信系统中起到非常重要的作用。

能量收集无线网络中面向统计服务质量的最优功率分配

针对能量收集无线网络中的服务质量(QoS)保障问题,提出了面向统计Qo S的最优功率分配方案,从而最大化时延Qo S约束下的有效容量。首先,构建能量收集无线网络的有效容量最大化问题。其次,利用凸优化理论求解出最优功率分配方案以及该方案下的最大有效容量,并得出了两种特例下的最优功率分配方案,即:当Qo S需求非常松弛时,最优化功率分配方案收敛于注水策略;当Qo S需求非常严格时,最优化功率分配方案收敛于信道反转策略。然后,求解了所提最优功率分配方案得到的信道中断概率。最后,通过仿真实验,检验了该最优功率分配方案的性能。实验结果表明,与现有策略相比,所提方案能够获得更大的有效容量。

基于非理想电池模型能量收集无线传感器网络的链路调度

近年来,为了解决传感器节点能量受限问题,能量收集无线传感器网络成为了研究热点。针对传感器节点中电池存在容量有限、充放电损耗和能量泄漏等不足,提出了非理想电池模型的收集-使用-存储能量存储结构。综合路由、链路调度和能量分配3个方面建立数学模型,通过求解混合整数线性方程的方法得到最短帧长,从而提升网络吞吐量。仿真实验表明,充放电效率从0.6提高至0.9,帧长最多可减少48%;能量泄漏速率从0.04降低至0.01,帧长最多可减少33%;而扩大电池容量对帧长基本无影响。对比收集-存储-使用能量存储结构,帧长最多可减少11%,从而验证了利用所提方法,可以提高充放电效率,降低能量泄漏速率,大幅度提升网络吞吐量。

无线传感网络中基于无线能量补给的能量感知路由算法

针对无线传感网络中随机分布传感器节点能量消耗不均衡的问题,提出了一种基于无线能量补给的能量感知路由算法。休眠节点不仅可以在无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)传输方式下通过功率分割方法进行无线能量补给,还可以在信息传输方式下通过无线能量收集方法进行能量补给,重新进入活跃状态,为信息传播提供更好的路由,提高传感器节点的能量利用,延长传感网络的使用寿命。在该算法中,通过优化节点间的信息和能量分配,最小化传输功率,引入能量路由度量方法,选择能耗最小的路径作为传输路径。仿真结果表明,本文提出的算法可以有效地利用节点资源,均衡多跳能量受限无线传感器网络中的能量分布。

振动能量供电的矿用无线传感器网络研究

针对现有矿用无线传感器网络使用的传统供电方式所带来的不足,根据振动能量收集装置在国内外的发展情况,提出了使用振动能量供电的新型无线传感器网络,研究了采用振动能量收集装置对矿用无线传感器网络所带来的优势和可行性分析,结果表明使用振动能量收集装置的矿用无线传感器网络可以极大地增强无线传感器网络的监测作用。

无线携能保密网络下的中继协作波束形成算法

本文研究了无线携能通信网络中的多窃听者场景下,基于无线能量收集放大转发中继的协作机密信息安全传输问题.提出了两种低复杂度的零空间波束形成方案.分别利用接收者或窃听者方位先验信息,将待优化的目标矢量投射到接收者或窃听者信道的零空间.与原协作波束形成方法相比,由于降低了待优化目标矢量的空间自由度,本文方法运算复杂度较低.特别的,由于第二种方法目标函数中将窃听者的交互信息迫零,将原始拟凸优化问题转化为凸问题求解,进一步降低了运算量.实验研究验证了本文方法的合理性.

基于DEABC算法的EH-CRAIoT的资源分配算法研究

针对具有无线能量收集功能的认知农业物联网中上行链路资源分配的优化问题,提出一种基于差分蜂群算法的资源分配算法。首先建立了认知农业物联网资源分配的系统模型,以系统的平均传输速率最大化为优化目标,通过在传统的人工蜂群算法中引入差分算法的更新策略,提升人工蜂群算法的收敛速度和搜索能力;再利用改进后的差分蜂群算法求解得出最优分配方案。仿真实验表明,差分蜂群算法具有良好的寻优效率和收敛性能,通过调整传感器节点的发射功率和感知时隙,能够有效在传感器节点进行频谱感知、信息传输的能量需求的前提下提升系统的平均传输速率。

能信协同超材料理论及关键技术

能信协同超材料(Collaborative Power and Information Metamaterials,CPIM)是将电磁超材料与无线能量传输(Wireless Power Transfer,WPT)、无线能量收集(Wireless Energy Harvesting,WEH)和无线信息传输(Wireless Information Transfer,WIT)有机融合的前沿领域,旨在实现能量与信息的高效协同传输和控制。CPIM器件凭借其灵活调控电磁波的能力和低成本、低能耗、低重量的优点可以有效解决大量低功耗设备的供能问题,同时保证高质量的通信传输。将能量与信息的多重功能融合于可操控的超材料器件中,以实现更紧凑、高效的能信协同传输效应。针对CPIM的工作基本原理和广泛实用性的应用场景,文章围绕WPT、WEH、WIT三大核心部分进行深入讨论和分析,并阐述了CPIM器件的工作原理和设计方法。最后给出了CPIM在未来的潜在研究和应用方向。文章旨在为研究人员提供基于超材料的能信协同传输技术的趋势和应用分析,推动无线通信和能源系统向更高效、智能化的方向发展。

基于EHWSN的能量均衡动态最大流路由算法

针对最大流算法应用于能量收集无线传感器网络求解网络负载流量时,存在能量不均衡,网络容量受初始容量限制的问题,提出了一种能量均衡的动态最大流路由算法——EB-DMF。该算法在增广路径的选择中引入能量均衡机制,并根据节点收集的能量动态更新容量值,使网络能耗均衡,达到延长网络生命期,增大网络负载流量的目的。仿真结果表明与最大流算法相比,该算法能在增大网络负载流量的同时延长网络的生命期。

射频供电异构传感器网络分簇路由算法

在大规模无线传感器网络中,针对无线传感器网络中LEACH分簇路由算法能量消耗不均衡,网络生命周期短等问题,提出了一种基于无线射频能量收集的LEACH异构分簇路由算法(LEACH-RFEH)。该算法根据网络中节点剩余能量和当前无线射频补给能量制定了异构无线传感器网络簇头选取机制,高级节点具有无线射频能量收集功能,具有较高的剩余能量和补给能量的节点有更多的机会当选簇头。仿真结果表明:该算法与传统LEACH算法、SEP算法相比,不仅能够均衡网络消耗,而且可以延长网络的工作时间,具有较好的扩展性。

EHWSNs中面向吞吐量和能耗优化的时隙分配算法研究

针对在具有移动汇聚结点(Sink)的能量收集无线传感器网络中,如何在数据收集时提升网络吞吐量和降低能耗的问题,分析了Sink移动距离与节点数据传输的时间周期之间的关系,将面向吞吐量和能耗优化的数据收集问题建模为基于混合整数线性规划的优化问题,并提出了一种基于有效传输周期的时隙分配算法来对其进行求解。算法主要分2个阶段进行:移动Sink在每个时间周期内识别出可进行数据传输的邻居节点,并为其分配时隙;移动Sink根据数据可用性对节点进行排序,并最终决定哪些节点在各个时隙期间发送数据。理论分析和仿真实验结果表明,所提算法在吞吐量和能耗方面的性能优于当前典型算法,且计算复杂度更低。

空间太阳能发电卫星的几个理论与关键技术问题

本文较为系统地阐述了发展空间太阳能发电卫星(space solar power satellite, SSPS)的几个问题.首先,论述了发展SSPS对世界人类从根本上解决能源危机,尤其是对我国生存与发展的极端重要性.其次,对聚光与非聚光两大类空间太阳能发电卫星的几个典型设计方案,从功质比(即单位质量所产生的电能)指标、工程实现、可靠性等方面,分析了它们的优缺点.再者,对作者团队2014年提出的SSPS-OMEGA方案的近期研究进展作了较为详细的讨论.最后,就本领域近期进展与未来需注意的几个理论与技术问题,提出了相应的观点.

优化传输性能的机会协作中继系统动态时间分配策略

为了优化能量收集无线网络传输性能,延长网络中能量受限型节点的生命周期,提出了一种基于解码转发策略的机会协作中继系统动态时间分配策略.在满足系统最低传输速率的约束下,推导出中断概率与时间分配系数之间的关系表达式;通过减小系统中断概率来优化时间分配系数,得出系统吞吐量和能量效率的表达式;设计了一种基于次优迭代的时间分配算法,实现问题的求解.仿真实验结果表明,在非理想信道状况下,所提出的策略有较高的系统吞吐量和能量效率,可优化无线网络的传输性能,提高可靠运行度.