基于磁耦合谐振的无线携能通信的研究开题报告
2020-02-18 16:44:37
1. 研究目的与意义（文献综述）
| 无线携能通信是无线能量传输(WirelessPower Transfer, WPT)与无线信息传输(Wireless Information Transmission, WIT)相结合的产物，是一种新型的无线通信类型。有别于传统无线通信仅仅传播信息，无线携能通信可以在传播传统信息类无线信号时，同时向无线设备传输能量信号。该能量信号被具有获能电路的无线设备接收后，再经过一系列转换可以将能量存储在无线设备自身的电池中。这些捕获的能量将会被用于该无线设备的信息交互电路的耗能以及能量捕获电路的耗能。运用无线携能通信技术后，不仅可以减少电线、排线的成本，还可以免去给无线设备更换电池的麻烦。 由于磁耦合谐振无线传能技术出现得比较晚，国内外专家学者主要集中精力于研究基于磁耦合谐振的能量传输技术，包括研究如何提高传输功率、传输效率或传输距离以及相应的中继技术、多负载技术、多源多用户技术等。而对基于磁耦合谐振的无线能量与信息同步传输技术研究的比较少，多数还是应用于磁感应耦合的能量传输上。目前，与本课题相关的研究有如下几个： 1993 年，德国 A.Esser 和 A.Nagel 在研究磁感应无线传能技术的时候，利用外加的三个独立磁耦合结构实现了高达数Mbit/s 的数据通信。 2007 年，Kuo-kaiShy利用两个单独的通信线圈实现了一个基于磁感应耦合的信号能量双通道传输的无线充电系统，该系统的无线能量传输部分采用的是半桥串联谐振电路，而信号是分离传输的，信号传输速率可达200kbit/s。 2009年，Hirai提出了在机械手臂中同时传输无线能量与信息方法。该方法通过控制发射端的谐振逆变装置使得初级线圈的电流持续过零的方式传输数据信号，而能量和被 ASK 调制的通信信号共用一个传输通道分时传输。该方法对磁耦合机构进行了建模分析，并给出了实验系统设计原则和测试结果。 2012 年，MarcoDionigi 和 Mauro Mongiardo 提出了利用多谐振线圈实现能量与信息同步传输的可能。谐振线圈通过串联/并联的电感/电容可以产生多个谐振点，利用其中的一个谐振点通道传输能量，而利用剩余的一个谐振点或多个谐振点通道传输通信信号，最终通过多通道实现能量与信息的同步传输。2014 年至 2015 年，国内朱春波教授的团队也采用此方法进行能量与信息的同步传输研究。该方法因信号和能量处于同一个谐振体中，能量对信号的影响比较大。 |
2. 研究的基本内容与方案
对于无线携能通信来说，首先要实现无线能量的高效传输，之后才能在无线传能系统的基础上实现能量与信息的同步传输。目前普遍使用的无线电能传输技术主要有电磁辐射式无线电能传输技术、磁感应式无线电能传输技术、磁耦合谐振式无线电能传输技术三种类型。但前两种技术存在方案不成熟、对耦合系数要求较高、对位移敏感等问题，故本课题选择具有传输功率及效率较高、位置自由的磁耦合谐振式无线电能传输技术作为研究目标。
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无线能量发射机通过逆变电路将直流信号逆变为交流信号，再通过谐振体将能量信号发送出去，而无线能量接收机则通过相同固有频率的谐振体与发射机谐振体耦合得到能量信号。无线能量接收机得到的能量信号为交流信号，必须通过整流滤波电路将交流的能量信号整流滤波后，才能供直流负载使用或储存。图1为基于磁耦合谐振的无线传能系统基本结构框图。 
图1 基于磁耦合谐振的无线传能系统基本结构框图
| 在能量无线传输的同时还伴随着无线通信的需求。本课题拟采用直接利用无线能量传输的通道传输信息的方案，即能量和信息均通过能量传输线圈传输，此方法较为简单、成本低，是目前能量与信息同步传输研究的主流方案。其具体方法为通过基于能量信号的调制实现信息的传输，即把能量信号作为通信信号的载波并对其进行调制解调实现通信。根据通信信号对能量信号调制方式的不同，可分为调幅调制、调频调制、调相调制三种方式。由于调相调制在无线传能系统中应用比较复杂，所以通常采用的是基于能量信号的调幅或调频两种方式。在此方案中，能量信号即为通信信号，所以不存在能量信号对通信信号干扰的问题，且系统复杂度和电路较为简单，是目前能量与信息同步传输技术研究的主要方向。 本课题的能量信号拟选择2FSK 频移键控的方式进行调制。下行数字信号 Tx通过 2FSK 调制电路控制能量信号的频率实现下行通信。当下行数字信号为“1”时，能量信号的频率为f1；当下行信号为“0”时，能量信号的频率切换为f2 。接收机再通过两个固有频率不同的小线圈采集 2FSK 能量信号，再通过电压比较器比较即可解调得到下行数字信号 Rx。 |
3. 研究计划与安排
| 第1周－第3周：搜集资料，撰写开题报告； 第4周－第12周：细化方案，开展实验，收集数据，撰写论文初稿； 第13周－第15周：完成并修改毕业论文； 第16周：论文答辩。 |
4. 参考文献（12篇以上）
| [1]L. R. Varshney, Transporting information and energy simultaneously,2008 IEEE International Symposium on Information Theory, Toronto,ON,2008,pp.1612-1616. [2]P. Groves and A. Sahai, Shannon meets Tesla: Wireless information and power transfer, 2010 IEEE International Symposium on InformationTheory, Austin, TX, 2010, pp.2363-2367. [3]R. Zhang and C. K. Ho, MIMO Broadcasting for Simultaneous Wireless Informationand Power Transfer, in IEEE Transactions on Wireless Communications,vol.12,no.5, pp.1989-2001, May 2013. [4]L. Liu, R. Zhang and K. C. Chua, Wireless Information Transfer with Opportunistic Energy Harvesting, in IEEETransactions on Wireless Communications, vol. 12, no. 1, pp. 288-300, January2013. [5]R. Zhang and C. Ho. MIMO broadcasting for simultaneous wireless informationand power transfer[J]. IEEE Trans. Wireless Commun,2013, 12 (5):1989-2001. [6]Song C, Ling C, Park J, et al，MIMO Broadcasting for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer: WeightedMMSE Approaches[C]. IEEE Globecom Workshops. Austin, IEEE Press, 2014:1151-1156. [7]Lee S, Liu L, Zhang R. Collaborative Wireless Energy and InformationTransfer in Interference Channel[J]. IEEE Transactions on WirelessCommunications, 2015, 14(1):545-557. [8]Huang G, Zhang Q, Qin J. Joint Time Switching and Power Allocation forMulticarrier Decode-and-Forward Relay Networks with SWIPT [J].IEEE SignalProcessing Letters, 2015, 22(12):2284-2288. [9]Farazi S, Brown D R, Klein A G. Power Allocation for Three-Phase Two-WayRelay Networks with Simultaneous Wireless Information and Power Transfer[C].49thAsilomar Conference on Signals, Systems and Computers. Pacific Grove, IEEEPress, 2015:812-816. [10]尼古拉.法拉第解开电与磁的秘密[J].供用电，2014 (10) : 72-74. [11]鲁川.共振型无线电力传输装置成功点亮2. 1 m外的60W灯泡[J]. 华东电 力，2007 (6) : 97-97. [12]闰莹.基于无线携能通信技术的AF双向中继系统中的发射机设计[J].内 蒙古农业大学学报(自然科学版)，2016, 37 (01) : 75-81. [13]邵朝.MIMO系统与空时编码-分集的理论与实践[M].北京:电子工业出版社，2013:101-110. [14]王萍，杨锦宁，崔舜华.无线电力传输系统的发展与展望[J].科学与财富，2015 (4):13-13. [15]张小壮. 磁耦合谐振式无线能量传输距离特性及其实验装置研究[D].哈尔滨工业大学，2009. |
