[论文解读] Cutting Last Wires for Mobile Communication by Microwave Power Transfer.

Kaibin Huang, Xiangyun Zhou|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 14被引用 34

一句话总结

本文通过将微波能量传输（MPT）与大规模MIMO、小细胞和毫米波系统等先进无线网络技术相结合，提出了一种无线供电通信（WPC）方案，旨在消除移动设备必须物理连接电源电网的需求。核心贡献在于确立了WPC作为集成信息与能量传输的新研究领域，实现了远距离、高效且安全的无线能量传输。

ABSTRACT

The advancements in microwave power transfer (MPT) over past decades have enabled wireless power transfer over long distances. The latest breakthroughs in wireless communication, namely massive MIMO, small cells and millimeter-wave communication, make wireless networks suitable platforms for implementing MPT. This can lead to the elimination of the last wires connecting mobile devices to the grid for recharging, thereby tackling a long-standing ICT grand challenge. Furthermore, the seamless integration between MPT and wireless communication opens a new area called wirelessly powered communications (WPC) where many new research directions arise e.g., simultaneous information-and-power transfer, WPC network architectures, and techniques for safe and efficient WPC. This article provides an introduction to WPC by describing the key features of WPC, shedding light on a set of frequently asked questions, and identifying the key design issues and discussing possible solutions.

研究动机与目标

• 通过利用微波能量传输（MPT）解决长期以来移动设备无法有线充电的挑战。
• 实现无线能量传输与大规模MIMO和毫米波系统等现代无线通信基础设施的无缝集成。
• 确立无线供电通信（WPC）作为具有新型架构与技术的新研究领域。
• 识别并解决能量效率、安全性以及信息与能量同时传输等关键设计问题。
• 提供基础性洞见与开放的研究问题，以指导未来WPC系统的发展。

提出的方法

• 利用现有微波能量传输（MPT）技术在远距离实现无线能量传输。
• 将MPT与现代无线通信技术（包括大规模MIMO、小细胞和毫米波通信）集成，以实现具备双重功能的网络。
• 提出一种在无线网络中实现信息与能量同时传输（SWIPT）的框架。
• 设计支持移动设备通过专用微波波束进行能量采集的WPC网络架构。
• 分析WPC部署中能量效率、频谱效率与安全性之间的系统级权衡。
• 利用现有无线基础设施，以最小化硬件与部署成本，同时最大化覆盖范围与可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效将微波能量传输集成到现有无线通信网络中，以实现无线能量传输？
• RQ2 在移动网络中实现信息与能量同时传输的关键技术挑战是什么？
• RQ3 如何设计WPC网络，以同时确保能量效率与通信可靠性？
• RQ4 在部署高功率微波波束为移动设备充电时，安全与监管方面需考虑哪些因素？
• RQ5 为支持可扩展且无缝的无线供电通信，需要哪些新型网络架构与协议？

主要发现

• 将MPT与现代无线网络集成，可实现对移动设备的远距离、高效且可扩展的无线能量传输。
• 无线供电通信（WPC）作为一种可行的新范式应运而生，它在单一网络基础设施中统一了能量与信息的传输。
• 信息与能量同时传输（SWIPT）是可行的，并可通过先进的波束成形与资源分配技术实现优化。
• 大规模MIMO与毫米波系统可同时提升WPC网络中的数据速率与能量传输效率。
• 安全与干扰管理是关键的设计考量，需采用精细的波束成形与功率控制策略。
• 所提出的框架为未来无线系统中WPC网络架构、协议与硬件设计开辟了新的研究方向。