2.3 信息与能量协同传输

2.3.1 无线能量传输

无线能量传输（Wireless Power Transfer，WPT）是电力应用的一个新概念，由Nikola Tesla于19世纪90年代提出。WPT是指通过电磁场将电能从电源传输到电力元件或电路的一部分，而不需要有线连接。WPT系统包括一个连接到主电源的发射机，它将主电源转换为时变电磁场和一个或多个接收设备，以接收和获取来自电磁场的能量。在WPT的早期研究中，长距离传输和高功率这两个因素受到了更多的关注，然而，由于电力传输过程的低效率和与高功率应用有关的健康问题导致WPT的发展遇到瓶颈[14，15]。因此，大多数WPT研究开始于两个不同的区域，即非辐射（近场）和辐射（远场）。上述区域具有不同的特征和不同的WPT技术用于转换功率。WPT的大小取决于功率信标的位置、天线阵方案、发射功率等因素。然而，由于严重的衰减和阻塞效应，高传输功率的高频信号可能不可行。

2.3.2 携能传输

在信息与能量协同传输（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT）中，信息和RF能量都从源传输到目标，因此，SWIPT适用于低功耗运行。无线信息与能量协同传输是最近发展起来的一种技术，它允许携带信息的信号也被用来收集能量，也称携能传输。无线通信网络设计的基本改变需要一种有效的SWIPT。接收可靠性和信息传输率通常用于评估无线网络的性能，一旦系统中的用户使用RF信号进行能量收集，能量收集和信息率之间的权衡就成为性能评估的一个重要因素。如图2-10所示，在SWIPT系统中，存在四种典型的协议[16]：天线分割、时间切换、功率分割、天线切换。

图2-10 四种典型的SWIPT协议

a）天线分割 b）时间切换 c）功率分割 d）天线切换

天线分割结构如图2-10 a所示，天线阵列分为两组：能量收集器和信息接收器。然后，该SWIPT协议允许独立和同时执行能量收集和信息译码。基于时间切换模式的天线架构如图2-10 b所示，允许网络节点切换使用天线作为信息译码天线或RF能量收集，如图2-10 c所示，将输入功率流分为两段：信息译码和RF能量收集。最后，在图2-10 d中，天线切换协议配置了能量采集天线和信息译码天线。根据不同的信道，并利用空间复用的优势。与时间切换和功率分割协议相比，天线切换协议相对简单，对实际的SWIPT架构设计具有一定的吸引力。

图2-11为新兴的无线通信领域提供了多种支持SWIPT的技术，如大规模多输入多输出、双静态散射无线电、NOMA、多用户MIMO、宽带无线系统等。

图2-11 SWIPT相关技术的各种新兴领域