[论文解读] Signal and System Design for Wireless Power Transfer : Prototype, Experiment and Validation

Jung-Hoon Kim, Bruno Clerckx+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2019

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 36被引用 4

一句话总结

本文提出并实验验证了一款基于软件定义无线电（SDR）的无线能量传输（WPT）原型，该原型集成了信道自适应波束成形与波形设计，以最大化接收的直流（DC）功率。通过利用整流器非线性特性和实时信道状态信息（CSI），该系统在实际的频率选择性衰落环境中，相比连续波传输，实现了高达60%的DC功率增益，验证了理论预测。

ABSTRACT

A new line of research on communications and signals design for Wireless Power Transfer (WPT) has recently emerged in the communication literature. Promising signal strategies to maximize the power transfer efficiency of WPT rely on (energy) beamforming, waveform, modulation and transmit diversity, and a combination thereof. To a great extent, the study of those strategies has so far been limited to theoretical performance analysis. In this paper, we study the real over-the-air performance of all the aforementioned signal strategies for WPT. To that end, we have designed, prototyped and experimented an innovative radiative WPT architecture based on Software-Defined Radio (SDR) that can operate in open-loop and closed-loop (with channel acquisition at the transmitter) modes. The prototype consists of three important blocks, namely the channel estimator, the signal generator, and the energy harvester. The experiments have been conducted in a variety of deployments, including frequency flat and frequency selective channels, under static and mobility conditions. Experiments highlight that a channeladaptive WPT architecture based on joint beamforming and waveform design offers significant performance improvements in harvested DC power over conventional single-antenna/multiantenna continuous wave systems. The experimental results fully validate the observations predicted from the theoretical signal designs and confirm the crucial and beneficial role played by the energy harvester nonlinearity.

研究动机与目标

• 通过原型设计与实测，弥合理论WPT信号设计与实际性能之间的差距。
• 研究整流器非线性对实际WPT系统中射频到直流（RF-to-DC）转换效率的影响。
• 评估在开环与闭环（CSI可用）操作下，联合波束成形与波形设计带来的性能增益。
• 在真实空中传播条件下，对比传统调制方式、能量专用调制方式以及通过发射分集实现的人工衰落。
• 通过电路仿真与真实硬件实验，验证DC功率传输的理论缩放规律。

提出的方法

• 开发了一款基于SDR的WPT原型，包含三个核心组件：信道估计算法、信号生成器与能量收集器，支持开环与闭环运行模式。
• 系统利用信道状态信息在发射端（CSIT），实现联合波束成形与波形设计，波形优化针对信道的频率选择性与整流器非线性特性。
• 信号生成在MATLAB中实现，并通过SDR硬件发送，闭环运行支持实时反馈。
• 使用PSPICE进行电路仿真，验证理论缩放规律，并对比不同调制格式（包括脉冲信号与传统调制）的性能。
• 在多种环境中开展实验，包括平坦衰落与频率选择性衰落信道，以及静态与移动状态。
• 对能量收集器的非线性I-V特性进行建模，并加以利用以提升射频到直流转换效率，结果与线性化模型进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统的连续波传输相比，波束成形与波形设计的集成在真实WPT系统中如何提升接收的DC功率？
• RQ2 整流器非线性在多大程度上提升了射频到直流转换效率？通过信号设计如何有效利用该非线性特性？
• RQ3 在WPT中，能量专用调制方式（如脉冲信号、RG）与传统通信调制方式相比，性能增益如何？
• RQ4 在频率选择性与衰落信道中，CSI的可用性对WPT系统性能有何影响？
• RQ5 能否通过真实SDR测试平台实验验证DC功率传输的理论缩放规律？

主要发现

• 原型验证了基于CSIT的联合波束成形与波形设计可显著提升接收DC功率，相比连续波传输最高提升达60%。
• 采用l=4的脉冲信号实现了最佳性能，相比连续波传输提升60%的DC功率，优于16QAM等传统调制方式仅提升17%的性能。
• 如RG与脉冲信号等能量调制方式比标准调制方式更有效地利用整流器非线性，后者受限于恒包络信号特性。
• 电路仿真验证了理论缩放规律，并表明波形与波束成形带来的性能增益在仿真与真实硬件实验中保持一致。
• 使用线性化收集器模型会导致信号设计不佳，因其无法捕捉真实非线性特性，而该非线性特性正是实现显著效率增益的关键。
• 实验结果验证了最优信号设计必须同时考虑信道频率选择性、波束成形增益与整流器非线性，以实现最大效率。