基于高頻段毫米波的SWIPT傳輸模型研究

路嘉揚

（上海郵電設計咨詢研究院有限公司，上海 200092）

0 引言

隨著5G商用場景的快速發展，基站和無線設備的能源消耗也大幅提高。在雙碳戰略背景下，有效解決5G高能耗與業務發展間的平衡問題迫在眉睫。作為通信主要能耗源之一，基站占5G網絡能耗總量的80%以上，尤其是射頻單元。無線攜能通信（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT）作為一種新興綠色通信技術，融合了通信與能量傳輸，可實現信息和能量并行的功能，能夠有效提高基站的能源效率；同時，契合5G超密集組網、大規模天線以及毫米波等技術，在5G領域有廣闊的發展前景。

該文對高頻 SWIPT 模型進行仿真，比較了不同環境下能量傳輸和信息傳遞情況，并驗證了功率分配模型性能。

1 國內外發展現狀

隨著通信技術的快速發展以及節能要求的不斷提高，SWIPT技術備受青睞，文獻[2]～文獻[5]介紹了我國研究者在接收機資源分配、算法模型、安全性能、SWIPT中繼站和信道干擾等方面的研究。文獻[6]整合介紹了國外多位學者對SWIPT技術系統整體架構、天線陣列和信道、波束成形以及毫米波能量傳遞模型等問題的研究。由于硬件開發研究滯后、毫米波易損耗及衰落特性以及SWIPT系統穩定性不足，因此大部分研究仍集中于低頻段。總體來說，盡管SWIPT技術應用前景廣闊，但是在滿足SWIPT系統通信質量和技術要求的前提下，硬件設備的升級改造、簡明有效的資源分配方式、更優化的資源共享、干擾管理以及良好的服務質量（QoS）等仍將是亟待解決的關鍵問題。

2 SWIPT系統組成

一個最基本的SWIPT系統包括傳輸天線陣列、匹配網絡、整流器和接收機等部分。

2.1 天線陣列

無線攜能通信可以通過射頻（RF）、電感耦合和諧振電感耦合等方式實現，但是后2種方法對收發距離有較高的要求，不適合進行長距離傳輸。與此同時，隨著定向天線陣列波束能量利用效率以及無線能量捕捉效率的不斷提高，以毫米波頻段射頻的方式傳輸無線信號和能量在5G時代具有廣闊前景。

在毫米波SWIPT系統中，天線是能否達到性能指標的關鍵，普通信號天線無法滿足大增益和波束賦形的要求，天線陣列則是目前最有效的解決方法。天線陣列的設計應盡量滿足小型化、高增益和低成本的要求。

2.2 匹配網絡

匹配網絡的目的是降低天線陣列與整流電路之間的傳輸損耗，并增加整流電路的輸入電壓。因此，匹配網絡由沒有功耗的線圈和電容器組成。當天線輸出的阻抗與負載阻抗彼此共軛（稱為阻抗匹配）時，可以實現最大功率傳輸的效果。

2.3 整流器

整流器具有2個基本功能：1） 將交流電轉換為直流電，并在濾波后提供給負載和逆變器。2） 提供電池充電電壓。

2.4 接收機

圖1 分離式接收架構

圖2 定時開關架構

圖3 功率分配架構

式中：為能量收集效率因子；為發射端i的發射功率；h為發射端i與接收器j之間的信道增益。

式中：和分別為傳輸帶寬和噪聲功率。

3 系統架構及原理

3.1 系統模型

該文改進了文獻[8]～文獻[10]中提出的無線能量傳輸系統模型，并將其提升為基于60 GHz毫米波的SWIPT系統模型。該算法模型由功率信標（PB）節點和能量收集（EH）節點組成，以密度均勻分布，各個功率信標同時將能量和信息傳輸到能量收集節點。為了比較系統性能，假設功率信標（PB）節點數量比分別為0.3和0.5，則能量收集（EH）節點數量比為1-。當有多個候選EH節點時，PB將在給定的時頻資源塊中隨機調度一個EH節點進行功率傳輸。假設通信范圍內的每個其他發送和接收節點都是潛在阻塞因素，如果在傳輸過程中傳輸鏈路未被其他節點阻止，就稱為可視傳輸（LOS），如果被其他節點阻止，就稱為非可視傳輸（NLOS）。對傳輸距離為的PB-EH鏈路來說，可視傳輸概率函數如公式（5）所示。

假設以傳輸鏈路上的節點為圓心、為直徑表示阻塞區域，則通過陰影模型可以計算遮擋引起的衰減。為了更清晰地比較覆蓋密度、平均功率、誤比特率和信息速率間的關系，不考慮傳輸鏈路間的相互影響和自阻塞的問題。

在該模型中，采用功率分配架構，可分為動態分配和靜態分配。在分析信息速率和能量功率的關系時，采用動態分配的方式進行模擬仿真。當對密度和能量覆蓋率以及密度和平均可實現率進行仿真時，采用靜態分配的方式，將功率分配值設置為0.5，即使用整流器將50%的接收器功率轉換為能量，而信息將由數據解碼電路進行恢復，接收機架構如圖4所示。

圖4 功率分配接收機

3.2 系統參數

該模擬仿真的部分參數見表1。其中，在接收機靜態功率分配的情況下，為了比較節點密度與能量覆蓋率的關系以及不同占比數PB的平均可達率，我們將PB的分數設置為0.3和0.5，功率分配比率固定為0.5，以減少額外的誤差。而在使用動態功率分配的情況下，將發送端PB的比例設置為固定值0.5，使平均功率與信息和誤比特率的關系可以更準確。總體成功概率如公式（6）所示。

表1 SWIPT系統模型的參數設置

式中：為PB密度；為SINR中斷閾值；為能量中斷閾值；為功率分配比；P（，，）為覆蓋率；P（）為能量捕獲率。

4 仿真結果分析

基于上文所述模型可以得到以下3個信息：1） 該模型所用天線陣列波束賦形的增益與相位的關系。2） 在接收機靜態功率分配模式下，發射端PB的不同密度對能量覆蓋率和平均可達率的潛在影響。3） 接收機在動態功率分配模式下，發送功率的變化對信息速率以及誤比特率的影響。

如圖5所示，在靜態分配模式下，發射端與接收端的密度不同，在LOS和NLOS情況下，隨著節點密度的增加，盡管阻塞的數量也增加了，但是能量覆蓋率也隨之增加。這是由于較高的網絡密度表示存在更多的功率信標，并且有利于縮短傳輸距離。因此，路徑損耗和衰落也將降低，接收端容易收集更多能量。

圖5 節點密度與能量覆蓋率關系

如圖6所示，在靜態分配模式下，無干擾時的平均可達率完全高于有干擾時的可達率。與能量覆蓋率不同，當PB分數值為0.5時的平均可達率趨于穩定。當PB分數值為0.3時的平均可達率在密度值從0增加到0.02后也保持不變。其原因是信息接收端的靈敏度高于能量收集器，信息接收端可以實現更長的通信距離，但在這種情況下，RF接收器只能解碼信息，不能從RF信號中提取能量。

圖6 節點密度與平均可達到率關系

為了更好地測量功率分配器接收器的性能，將PB分數比和節點密度設置為固定值，并采用動態功率分配模式。如圖7所示，隨著信息速率的提高，能量捕獲端功率持續降低，其原因是當傳輸信息量增大時，信息接收端需要更大的功率進行解碼，同時LOS條件下的高頻毫米波能源效率遠高于NLOS情況。圖8表明在該系統模型下，能量捕獲端分配約-60 dBm的功率用于能量轉換，對LOS與NLOS來說均比較合理，隨著能量捕獲端功率的提高，誤碼率也不斷提高并最終趨于穩定，對信息傳遞造成較大影響。

圖7 信息速率與能量功率關系

圖8 誤比特率與能量功率關系

5 結語

SWIPT技術在高頻段毫米波能源傳輸效率、并行資源分配、硬件研發、干擾管理以及接收機靈敏度等方面仍有很大的優化空間，該文所提出的算法模型對信息傳輸和能量傳輸最優距離的分析也有待進一步提升。但不可忽視的是，作為一種新型無線通信技術，SWIPT技術高度適應毫米波應用，能有效提高能源效率，契合國家雙碳戰略定位；同時，其在無人機能源問題、復雜環境下電力供應和電池更換問題、醫療設備能源問題（心臟起搏器及人造耳蝸等）以及便攜設備和家用電器充電問題等很多領域中有廣闊的發展前景，具有極高的應用價值。