[论文解读] Near-field Wireless Power Transfer for 6G Internet-of-Everything Mobile Networks: Opportunities and Challenges

Haiyang Zhang, Nir Shlezinger+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2021

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用 9

一句话总结

本文提出了一种利用辐射近场电磁波的近场无线能量传输（WPT）方案，用于6G万物互联（IoE）网络，通过大规模毫米波（mmWave）天线阵列实现能量波束聚焦，从而实现高效、多用户充电。关键贡献在于证明了近场中的球面波前相比远场WPT具有更优的能量聚焦能力与更低的能量污染，从而在密集的IoE环境中实现高效、定向的能量传输。

ABSTRACT

Radiating wireless power transfer (WPT) brings forth the possibility to cost-efficiently charge wireless devices without requiring a wiring infrastructure. As such, it is expected to play a key role in the deployment of limited-battery communicating devices, as part of the 6G enabled Internet-of-Everything (IoE) vision. To date, radiating WPT technologies are mainly studied and designed assuming that the devices are located in the far-field region of the power radiating antenna, resulting in a relatively low energy transfer efficiency. However, with the transition of 6G systems to mmWave frequencies combined with the usage of large-scale antennas, future WPT devices are likely to operate in the radiating near-field (Fresnel) region. In this article, we provide an overview of the opportunities and challenges which arise from radiating near-field WPT. In particular, we discuss about the possibility to realize beam focusing in near-field radiating conditions, and highlight its possible implications for WPT in future {IoE} networks. Besides, we overview some of the design challenges and research directions which arise from this emerging paradigm, including its simultaneous operation with wireless communications, radiating waveform considerations, hardware aspects, and operation with typical antenna architectures.

研究动机与目标

• 解决远场WPT在6G IoE网络中因衍射限制的波束宽度和能量集中度低而导致的效率低下问题。
• 研究辐射近场WPT的可行性与优势，其中球面波前可实现比远场平面波更紧密的波束聚焦。
• 探索近场WPT与同时无线信息与能量传输（SWIPT）及其他共主功能（如定位与感知）的集成。
• 识别近场WPT系统在信道估计、波形设计与硬件实现方面的关键设计挑战。
• 通过环境感知、智能波束成形，实现在密集、动态的6G IoE环境中鲁棒、低能量污染的能量传输。

提出的方法

• 采用球面波前而非平面波建模近场WPT，考虑菲涅尔区中电磁波前的曲率。
• 通过大规模全数字或混合式模拟/数字天线阵列实现能量波束聚焦，将能量集中于目标设备。
• 利用精确的信道状态信息（CSI）设计定向波束，以最小化能量泄漏并最大化效率。
• 设计适用于近场传播特性的波形，考虑在高输入功率下混频器的非线性射频到直流（RF-to-DC）转换效率。
• 利用SWIPT技术将WPT与多用户无线通信集成，实现数据与能量的同时传输。
• 提出智能、环境感知的算法，根据设备位置与环境条件动态调整波束形态。

实验结果

研究问题

• RQ1 在6G IoE网络中，与远场WPT相比，采用球面波前的近场WPT如何提升能量传输效率？
• RQ2 大规模毫米波天线阵列在辐射近场中对波束聚焦与能量集中有何影响？
• RQ3 如何优化近场WPT的波形设计，以考虑非线性混频器行为与信道特性？
• RQ4 在6G系统中，近场WPT与无线通信、定位与感知协同设计面临哪些挑战？
• RQ5 如何通过智能、环境感知的波束成形，在动态IoE环境中实现低能量污染且高效率的能量传输？

主要发现

• 由于球面波前的曲率，近场WPT相比远场WPT可实现显著更紧密的波束聚焦，从而在目标设备上实现更高的能量集中度。
• 数值结果表明，近场WPT可高效同时为多个设备充电，且能量泄漏极少，相比远场系统显著降低了能量污染。
• 大规模天线阵列（尤其是全数字阵列）可增强波束聚焦能力，并扩展辐射近场区域，从而提高能量传输效率。
• 近场中混频器的射频到直流转换效率依赖于波形，因此需专门设计波形以实现最优性能。
• 近场WPT与SWIPT兼容，可与定位和感知功能协同设计，实现多功能6G接入点。
• 硬件挑战（如成本、功耗与模拟波束成形复杂度）依然显著，尤其在大规模部署中。