[论文解读] Prototyping and Experimentation of a Closed-Loop Wireless Power Transmission with Channel Acquisition and Waveform Optimization

Jung-Hoon Kim, Bruno Clerckx+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 3被引用 3

一句话总结

本论文展示了首个基于软件定义无线电（SDR）平台和自定义倍压整流天线的闭环无线能量传输系统的实验原型，实现了基于信道状态信息（CSI）估计的实时信道获取与波形自适应优化。通过采用比例匹配滤波器（SMF）方法，系统根据估计的CSI动态调整八个多音正弦波的幅度和相位，相较于非自适应波形，在真实办公环境（尤其是频率选择性（NLoS）条件）下，平均接收直流功率提高了9.8%至36.8%。

ABSTRACT

A systematic design of adaptive waveform for Wireless Power Transfer (WPT) has recently been proposed and shown through simulations to lead to significant performance benefits compared to traditional non-adaptive and heuristic waveforms. In this study, we design the first prototype of a closed-loop wireless power transfer system with adaptive waveform optimization based on Channel State Information acquisition. The prototype consists of three important blocks, namely the channel estimator, the waveform optimizer, and the energy harvester. Software Defined Radio (SDR) prototyping tools are used to implement a wireless power transmitter and a channel estimator, and a voltage doubler rectenna is designed to work as an energy harvester. A channel adaptive waveform with 8 sinewaves is shown through experiments to improve the average harvested DC power at the rectenna output by 9.8% to 36.8% over a non-adaptive design with the same number of sinewaves.

研究动机与目标

• 展示首个具备动态信道获取与波形优化能力的闭环无线能量传输系统真实世界原型。
• 在实际、空中传播环境中，验证信道自适应波形相较于非自适应与启发式设计的理论性能增益。
• 评估频率选择性（如NLoS）对实际无线能量传输系统中自适应波形设计有效性的影响。
• 评估在实时SDR系统中，基于比例匹配滤波器（SMF）方法实现低复杂度波形优化的可行性与性能。

提出的方法

• 系统架构集成了基于SDR硬件与LabVIEW软件的信道估计算法、波形优化器与能量收集器。
• 通过导频音信号，基于最小二乘法在10 MHz带宽下使用20个符号（320 μs）进行训练，获取信道状态信息（CSI）。
• 波形优化器利用比例匹配滤波器（SMF）方法，根据估计的CSI计算八个等间距正弦波的幅度与相位参数。
• 发射端使用SDR平台（USRP N210）调制并发射优化后的多音正弦波，中心频率为2.4 GHz。
• 设计并匹配了一款基于Skyworks SMS7630肖特基二极管的自定义倍压整流天线，输入驻波比为50 Ω，2.4 GHz时回波损耗为-30 dB。
• 系统在固定发射功率35 dBm条件下运行，于静态办公环境中以两分钟为间隔测量接收直流功率。

实验结果

研究问题

• RQ1 具备实时信道获取与自适应波形优化的闭环WPT系统，是否能在真实环境中实现相对于非自适应设计的可测量性能增益？
• RQ2 自适应波形在视 Line-of-Sight（LoS）与非视 Line-of-Sight（NLoS）传播条件下的性能增益有何差异？
• RQ3 比例匹配滤波器（SMF）方法在实时SDR平台上在多大程度上实现了信道自适应波形的低复杂度、实用化实现？
• RQ4 与在各正弦波上均匀分配功率相比，基于CSI的波形优化在接收直流功率方面带来了多大程度的可测量提升？

主要发现

• 基于CSI估计的信道自适应波形使视 Line-of-Sight（LoS）环境下的平均接收直流功率提高了9.8%。
• 在具有更高频率选择性的非视 Line-of-Sight（NLoS）环境中，性能增益达到36.8%，显著优于非自适应波形。
• 在第二个NLoS测试案例中，系统实现了25.9%的接收直流功率提升，证实了在频率选择性信道中自适应设计的优势。
• 对于连续波信号，整流天线在-20 dBm输入功率下实现了12%的RF-to-DC转换效率，验证了能量收集器的有效性。
• 结果表明，基于CSI的波形优化显著提升了端到端能量传输效率，尤其在频率选择性衰落环境中，优于非自适应或启发式设计。
• 该原型验证了闭环WPT在动态信道获取与低复杂度波形优化方面，结合SDR与实用硬件组件的可行性与实际效益。