基于高频段毫米波的SWIPT传输模型研究

路嘉扬

（上海邮电设计咨询研究院有限公司，上海 200092）

0 引言

随着5G商用场景的快速发展，基站和无线设备的能源消耗也大幅提高。在双碳战略背景下，有效解决5G高能耗与业务发展间的平衡问题迫在眉睫。作为通信主要能耗源之一，基站占5G网络能耗总量的80%以上，尤其是射频单元。无线携能通信（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT）作为一种新兴绿色通信技术，融合了通信与能量传输，可实现信息和能量并行的功能，能够有效提高基站的能源效率；同时，契合5G超密集组网、大规模天线以及毫米波等技术，在5G领域有广阔的发展前景。

该文对高频 SWIPT 模型进行仿真，比较了不同环境下能量传输和信息传递情况，并验证了功率分配模型性能。

1 国内外发展现状

随着通信技术的快速发展以及节能要求的不断提高，SWIPT技术备受青睐，文献[2]～文献[5]介绍了我国研究者在接收机资源分配、算法模型、安全性能、SWIPT中继站和信道干扰等方面的研究。文献[6]整合介绍了国外多位学者对SWIPT技术系统整体架构、天线阵列和信道、波束成形以及毫米波能量传递模型等问题的研究。由于硬件开发研究滞后、毫米波易损耗及衰落特性以及SWIPT系统稳定性不足，因此大部分研究仍集中于低频段。总体来说，尽管SWIPT技术应用前景广阔，但是在满足SWIPT系统通信质量和技术要求的前提下，硬件设备的升级改造、简明有效的资源分配方式、更优化的资源共享、干扰管理以及良好的服务质量（QoS）等仍将是亟待解决的关键问题。

2 SWIPT系统组成

一个最基本的SWIPT系统包括传输天线阵列、匹配网络、整流器和接收机等部分。

2.1 天线阵列

无线携能通信可以通过射频（RF）、电感耦合和谐振电感耦合等方式实现，但是后2种方法对收发距离有较高的要求，不适合进行长距离传输。与此同时，随着定向天线阵列波束能量利用效率以及无线能量捕捉效率的不断提高，以毫米波频段射频的方式传输无线信号和能量在5G时代具有广阔前景。

在毫米波SWIPT系统中，天线是能否达到性能指标的关键，普通信号天线无法满足大增益和波束赋形的要求，天线阵列则是目前最有效的解决方法。天线阵列的设计应尽量满足小型化、高增益和低成本的要求。

2.2 匹配网络

匹配网络的目的是降低天线阵列与整流电路之间的传输损耗，并增加整流电路的输入电压。因此，匹配网络由没有功耗的线圈和电容器组成。当天线输出的阻抗与负载阻抗彼此共轭（称为阻抗匹配）时，可以实现最大功率传输的效果。

2.3 整流器

整流器具有2个基本功能：1） 将交流电转换为直流电，并在滤波后提供给负载和逆变器。2） 提供电池充电电压。

2.4 接收机

图1 分离式接收架构

图2 定时开关架构

图3 功率分配架构

式中：为能量收集效率因子；为发射端i的发射功率；h为发射端i与接收器j之间的信道增益。

式中：和分别为传输带宽和噪声功率。

3 系统架构及原理

3.1 系统模型

该文改进了文献[8]～文献[10]中提出的无线能量传输系统模型，并将其提升为基于60 GHz毫米波的SWIPT系统模型。该算法模型由功率信标（PB）节点和能量收集（EH）节点组成，以密度均匀分布，各个功率信标同时将能量和信息传输到能量收集节点。为了比较系统性能，假设功率信标（PB）节点数量比分别为0.3和0.5，则能量收集（EH）节点数量比为1-。当有多个候选EH节点时，PB将在给定的时频资源块中随机调度一个EH节点进行功率传输。假设通信范围内的每个其他发送和接收节点都是潜在阻塞因素，如果在传输过程中传输链路未被其他节点阻止，就称为可视传输（LOS），如果被其他节点阻止，就称为非可视传输（NLOS）。对传输距离为的PB-EH链路来说，可视传输概率函数如公式（5）所示。

假设以传输链路上的节点为圆心、为直径表示阻塞区域，则通过阴影模型可以计算遮挡引起的衰减。为了更清晰地比较覆盖密度、平均功率、误比特率和信息速率间的关系，不考虑传输链路间的相互影响和自阻塞的问题。

在该模型中，采用功率分配架构，可分为动态分配和静态分配。在分析信息速率和能量功率的关系时，采用动态分配的方式进行模拟仿真。当对密度和能量覆盖率以及密度和平均可实现率进行仿真时，采用静态分配的方式，将功率分配值设置为0.5，即使用整流器将50%的接收器功率转换为能量，而信息将由数据解码电路进行恢复，接收机架构如图4所示。

图4 功率分配接收机

3.2 系统参数

该模拟仿真的部分参数见表1。其中，在接收机静态功率分配的情况下，为了比较节点密度与能量覆盖率的关系以及不同占比数PB的平均可达率，我们将PB的分数设置为0.3和0.5，功率分配比率固定为0.5，以减少额外的误差。而在使用动态功率分配的情况下，将发送端PB的比例设置为固定值0.5，使平均功率与信息和误比特率的关系可以更准确。总体成功概率如公式（6）所示。

表1 SWIPT系统模型的参数设置

式中：为PB密度；为SINR中断阈值；为能量中断阈值；为功率分配比；P（，，）为覆盖率；P（）为能量捕获率。

4 仿真结果分析

基于上文所述模型可以得到以下3个信息：1） 该模型所用天线阵列波束赋形的增益与相位的关系。2） 在接收机静态功率分配模式下，发射端PB的不同密度对能量覆盖率和平均可达率的潜在影响。3） 接收机在动态功率分配模式下，发送功率的变化对信息速率以及误比特率的影响。

如图5所示，在静态分配模式下，发射端与接收端的密度不同，在LOS和NLOS情况下，随着节点密度的增加，尽管阻塞的数量也增加了，但是能量覆盖率也随之增加。这是由于较高的网络密度表示存在更多的功率信标，并且有利于缩短传输距离。因此，路径损耗和衰落也将降低，接收端容易收集更多能量。

图5 节点密度与能量覆盖率关系

如图6所示，在静态分配模式下，无干扰时的平均可达率完全高于有干扰时的可达率。与能量覆盖率不同，当PB分数值为0.5时的平均可达率趋于稳定。当PB分数值为0.3时的平均可达率在密度值从0增加到0.02后也保持不变。其原因是信息接收端的灵敏度高于能量收集器，信息接收端可以实现更长的通信距离，但在这种情况下，RF接收器只能解码信息，不能从RF信号中提取能量。

图6 节点密度与平均可达到率关系

为了更好地测量功率分配器接收器的性能，将PB分数比和节点密度设置为固定值，并采用动态功率分配模式。如图7所示，随着信息速率的提高，能量捕获端功率持续降低，其原因是当传输信息量增大时，信息接收端需要更大的功率进行解码，同时LOS条件下的高频毫米波能源效率远高于NLOS情况。图8表明在该系统模型下，能量捕获端分配约-60 dBm的功率用于能量转换，对LOS与NLOS来说均比较合理，随着能量捕获端功率的提高，误码率也不断提高并最终趋于稳定，对信息传递造成较大影响。

图7 信息速率与能量功率关系

图8 误比特率与能量功率关系

5 结语

SWIPT技术在高频段毫米波能源传输效率、并行资源分配、硬件研发、干扰管理以及接收机灵敏度等方面仍有很大的优化空间，该文所提出的算法模型对信息传输和能量传输最优距离的分析也有待进一步提升。但不可忽视的是，作为一种新型无线通信技术，SWIPT技术高度适应毫米波应用，能有效提高能源效率，契合国家双碳战略定位；同时，其在无人机能源问题、复杂环境下电力供应和电池更换问题、医疗设备能源问题（心脏起搏器及人造耳蜗等）以及便携设备和家用电器充电问题等很多领域中有广阔的发展前景，具有极高的应用价值。