[论文解读] Range Expansion for Wireless Power Transfer: A Joint Beamforming and Waveform Architecture.

Jung-Hoon Kim, Bruno Clerckx|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2020

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 10被引用 4

一句话总结

本文提出了一种适用于远场无线能量传输（WPT）的联合波束成形与波形架构，该架构能够根据信道条件自适应调整，从而扩展能量传输范围并提高直流输出功率。在室内办公室测试平台上的实验表明，信道自适应信号设计显著提升了传输范围和效率，且通过理论建模可准确预测在功率约束下的性能表现。

ABSTRACT

Far-field Wireless Power Transfer (WPT) has emerged as a viable power source for Internet of Things (IoT) and Wireless Sensor Network (WSN). Expansion of the power transfer range is an important challenge to enable the design of efficient networks of small autonomous devices and drive the massive numbers of devices using a single wireless power source. Several signal design strategies have been proposed and verified to maximize the output DC power at the receiver under a transmit power constraint. In this paper, we study channel-adaptive beamforming and waveform to expand the power transfer range as well as output DC power performance. To that end, we have designed, prototyped a far-field WPT system and established a WPT testbed in a realistic indoor environment. The experiments have been conducted in a variety of wireless channel conditions in an indoor office environment with various distances. The measurement data have been fitted using simple analytical model to analyze the output DC power and achievable range improvement depending on the signal design schemes and the number of tones and antennas. The model shows a clear relationship between signal design versus output DC power and achievable range, and enables to predict the achievable power transfer range for given transmit power constraint and target received DC power. Results highlight the significant benefit of a channel-adaptive joint beamforming and waveform architecture to expand the power transfer range.

研究动机与目标

• 解决远场WPT系统在物联网（IoT）和无线传感器网络（WSN）应用中功率传输范围受限的挑战。
• 克服在动态室内无线环境中固定信号设计效率低下的问题。
• 设计并验证一种能够根据信道条件自适应调整的联合波束成形与波形架构，以最大化输出直流功率与传输距离。
• 搭建一个真实的室内WPT测试平台，以评估在不同距离与信道条件下的系统性能。
• 建立一个理论模型，基于发射功率与目标直流功率需求，预测可实现的功率传输范围。

提出的方法

• 设计并原型化了一套具备多天线发射与多频段波形能力的远场WPT系统。
• 在真实室内办公室环境中，针对多个距离与无线信道条件进行了实验。
• 通过信道估计算法实时调整波束成形权重与波形参数，以匹配传播条件。
• 将实测的直流输出功率数据拟合至一个简单理论模型，以量化天线数量与频段数量对性能的影响。
• 利用该模型预测在给定发射功率与目标直流功率约束下可实现的传输范围。
• 评估了不同信号设计方案的性能，包括波束成形增益与多频段波形优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实室内环境中，联合波束成形与波形自适应设计如何提升可实现的功率传输范围？
• RQ2 天线数量与频段数量对直流输出功率与范围扩展的定量影响是什么？
• RQ3 在动态室内信道中，信道自适应信号设计相较于固定信号方案能提升多少性能？
• RQ4 理论模型在给定系统约束下，预测可实现范围与直流功率的准确性如何？
• RQ5 在最大化传输距离与效率时，发射功率、天线数量与波形设计之间存在何种权衡？

主要发现

• 与传统固定信号设计相比，联合波束成形与波形架构显著扩展了功率传输范围。
• 增加天线数量与频段数量可提高直流输出功率，并在相同发射功率下实现更长的可实现传输距离。
• 理论模型准确捕捉了信号设计参数与输出直流功率之间的关系，实现了可靠的性能预测。
• 在所有测试距离下，信道自适应信号设计均在接收端实现了更高的直流功率，尤其在非视 Line-of-Sight（NLOS）与多径环境中表现更优。
• 该系统在真实室内办公室环境中实现了可测量的传输距离扩展，验证了自适应WPT在物联网与WSN部署中的实际可行性。
• 结果表明，当基于实时信道反馈联合优化波束成形与波形设计时，可实现最佳性能。