Redes de comunicación y transferencia de energia inalámbricas: descripción general

Suzhi Bi, Yong Zeng y Rui Zhang

Las redes de comunicación inalámbricas (WPCN) son un nuevo paradigma de redes en el que la batería de los dispositivos de comunicación inalámbrica se puede recargar de forma remota mediante la tecnología de transferencia de energía inalámbrica por microondas (WPT). WPCN elimina la necesidad de reemplazar/recargar manualmente la batería con frecuencia y, por lo tanto, mejora significativamente el rendimiento de las redes de comunicación convencionales alimentadas por batería en muchos aspectos, como mayor rendimiento, mayor vida útil del dispositivo y menor costo operativo de la red. Sin embargo, el diseño y la aplicación futura de la WPCN se ven esencialmente desafiados por la baja eficiencia de la TIP a larga distancia y la naturaleza compleja de la transferencia inalámbrica conjunta de información y energía dentro de la misma red. En este artículo, proporcionamos una descripción general de las estructuras de red clave y las técnicas de mejora del rendimiento para construir una WPCN eficiente. Además, señalamos nuevas y desafiantes direcciones de investigación futuras para WPCN.

Introducción

 El reciente avance de la tecnología de transferencia de energía inalámbrica por microondas (WPT) permite construir redes de comunicación inalámbricas (WPCN), donde los dispositivos inalámbricos (WD) se alimentan por aire mediante transmisores de energía inalámbricos dedicados para las comunicaciones [1–3].

1 En comparación con las redes convencionales alimentadas por baterías, WPCN elimina la necesidad de reemplazar/recargar manualmente la batería, lo que puede reducir efectivamente el costo operativo y mejorar el rendimiento de la comunicación. Además, una WPCN tiene control total sobre su transferencia de energía, donde la potencia de transmisión, las formas de onda, las dimensiones de tiempo/frecuencia ocupada, etc., son todos ajustables para proporcionar un suministro de energía estable bajo diferentes condiciones físicas y requisitos de servicio. Esto contrasta claramente con los enfoques basados en la recolección de energía (EH), donde los WD aprovechan de manera oportunista la energía renovable en un entorno no dedicado a alimentar los WD (por ejemplo, energía solar y transmisión de RF ambiental).

 Debido a que la disponibilidad y potencia de las fuentes de energía renovables son en su mayoría aleatorias y varían en el tiempo, a menudo no se puede lograr un suministro de energía estable y bajo demanda para los WD con métodos basados en EH. 

Estas ventajas evidentes de la TIP sobre los métodos convencionales de suministro de energía hacen de la WPCN un nuevo paradigma prometedor en el diseño e implementación de futuros sistemas de comunicación inalámbrica con suministros de energía estables y autosostenibles. La tecnología actual de TIP puede transferir eficazmente decenas de microvatios de potencia de RF a dispositivos WD desde una distancia de más de 10 metros2, aunque todavía hay un margen importante para mejorar la magnitud y el alcance con futuros avances en la TIP. Esto hace que una WPCN sea potencialmente adecuada para una variedad de aplicaciones de bajo consumo con potencia operativa de dispositivos de hasta varios milivatios, como redes de sensores inalámbricos (WSN) y redes de identificación por RF (RFID). Ya se encuentran en el mercado sensores comerciales habilitados para TIP y etiquetas RFID. En el futuro, las amplias aplicaciones de los dispositivos compatibles con TIP pueden remodelar fundamentalmente el panorama de industrias relacionadas, como la Internet de las cosas (IoT) y las comunicaciones de máquina a máquina (M2M). 

Como se ilustra en la Fig. 1, sin necesidad de reemplazar los sensores con energía agotada en las WSN convencionales, una WSN habilitada para TIP puede lograr un funcionamiento ininterrumpido con una gran cantidad de sensores alimentados por transmisores de energía fijos y/o un vehículo que se mueve en una ruta planificada. Se utiliza tanto para carga inalámbrica como para recopilación de datos. Además, gracias al suministro de energía más amplio de WPT, los dispositivos RFID ahora pueden esperar vidas operativas mucho más largas y permitirse transmitir activamente a una velocidad de datos mucho mayor y desde una distancia mayor que las comunicaciones RFID convencionales basadas en retrodispersión. 

A pesar de la posible mejora del rendimiento que aportan las WPCN, construir WPCN eficientes es un problema desafiante en la práctica. Por un lado, el nivel de energía recibido puede ser muy bajo en los WD ubicados lejos de los transmisores de energía debido a una atenuación significativa de la potencia de microondas a lo largo de la distancia. 

Este efecto energético cercano y lejano puede causar graves desigualdades en el rendimiento entre los WD en diferentes ubicaciones [4]. Por otro lado, en una WPCN se requiere el diseño conjunto de transmisiones inalámbricas de energía e información

. En primer lugar, las transmisiones inalámbricas de energía e información suelen estar relacionadas (por ejemplo, un WD necesita recolectar suficiente energía mediante TIP antes de transmitir datos). 

En segundo lugar, la transferencia de energía puede compartir un espectro común con el canal de comunicación, lo que puede causar interferencia cocanal en la transmisión de información concurrente. Por las razones anteriores, es necesario idear nuevas técnicas de transmisión de capa física, así como protocolos de red, para optimizar el rendimiento de las WPCN. Para abordar los desafíos técnicos anteriores, en este artículo ofrecemos una descripción general de las técnicas más modernas para construir una WPCN eficiente. Específicamente,

 primero presentamos los componentes básicos y los modelos de red de las WPCN. Luego presentamos las técnicas clave para mejorar el rendimiento de las WPCN basadas en los modelos de sistema introducidos. Por último, discutimos las extensiones y futuras direcciones de investigación para las WPCN y concluimos el artículo. 

Figura 1. Ejemplos de aplicaciones de una WPCN a sistemas WSN y RFID convencionales. Las líneas rojas denotan flujos de información y las verdes denotan flujos de energía.

A pesar de la posible mejora del rendimiento que aporta la WPCN, construir WPCN eficientes es un problema desafiante en la práctica. Por un lado, el nivel de energía recibido puede ser muy bajo en los WD ubicados lejos de los transmisores de energía debido a una atenuación significativa de la potencia de microondas a lo largo de la distancia. Por otro lado, en WPCN se requiere el diseño conjunto de transmisiones inalámbricas de energía e información.

Modelos básicos de WPCN 

En la Fig. 2 presentamos algunos elementos básicos de una WPCN. En una WPCN, los nodos de energía (EN) transmiten energía inalámbrica a los WD en el enlace descendente, y los WD utilizan la energía recolectada para transmitir sus propios datos a los puntos de acceso a la información (AP) en el enlace ascendente. 

Como se muestra en la Fig. 2a, las EN y AP en general están ubicadas por separado [5], pero también se pueden agrupar en pares; Cada par de EN y AP están ubicados e integrados como un AP híbrido (HAP), como en la Fig. 2b [4]. El HAP integrado facilita la coordinación de las transmisiones de información y energía en la red en comparación con EN y AP separados, y también ayuda a ahorrar costos de producción y operación al compartir sus módulos de comunicación y procesamiento de señales. Sin embargo, también genera un desafío de diseño práctico denominado problema doblemente cercano-lejos [4], donde un usuario que está lejos de su HAP asociado (por ejemplo, WD3 en Fyo G. 2b) recolecta menos energía inalámbrica en el enlace descendente pero consume más para transmitir datos en el enlace ascendente que la de un usuario más cercano al HAP (WD4). Como resultado, puede producirse un rendimiento injusto del usuario, ya que el rendimiento de un usuario lejano puede ser mucho menor que el de un usuario cercano. Este problema de injusticia del usuario se puede aliviar en una WPCN con EN y AP separados. 

Como se muestra en la Fig. 2a, WD2 recolecta menos energía que WD1 debido a su distancia más larga a EN1, pero también consume menos en la transmisión de datos debido a su distancia más cercana a AP1. Además, las estructuras de los circuitos para la transmisión de energía e información son bastante diferentes. Por ejemplo, un receptor de información típico puede funcionar con una sensibilidad de –60 dBm de potencia de señal de recepción, mientras que un receptor de energía necesita hasta –10 dBm de potencia de señal [1]. Para maximizar su respectiva eficiencia operativa, los transceptores de energía e información normalmente requieren diferentes sistemas de antena y RF. Por lo tanto, como se muestra en las Figs. 2c y 2d, un práctico WD habilitado para WPT tiene dos sistemas de antena, uno para recolectar energía y el otro para transmitir información.

Figura 2. Esquemas de algunos modelos básicos de transmisor (Tx) y receptor (Rx) de una WPCN: a) Tx de energía separada y Rx de información; b) Tx de energía y Rx de información coubicados; c) transmisiones de información/energía fuera de banda; d) transmisiones de información/energía full-duplex.

Aunque algunos estudios recientes sugieren que la cancelación perfecta de la autointerferencia en el canal inalámbrico es difícil, el HAP full-duplex tiene el potencial de proporcionar una mejora en la eficiencia del espectro plegado que las transmisiones convencionales de energía/información semidúplex.

De manera similar, un HAP con un transmisor de energía y un receptor de información ubicados en el mismo lugar también necesita dos conjuntos de sistemas de antena. Las transmisiones de energía e información se pueden realizar fuera de banda o dentro de banda. Como se muestra en la Fig. 2c, el enfoque fuera de banda transfiere información y energía en diferentes bandas de frecuencia para evitar interferencias. Sin embargo, la transmisión de energía en general necesita utilizar una señal de energía pseudoaleatoria, que ocupa un ancho de banda no despreciable, para satisfacer el requisito de potencia isotrópica radiada equivalente (EIRP) en su banda de frecuencia operativa impuesto por los reguladores del espectro radioeléctrico como la Comisión Federal de Comunicaciones. (FCC). Para mejorar la eficiencia del espectro, el enfoque dentro de banda permite que la información y la energía se transmitan a través de la misma banda. En este caso, sin embargo, los transmisores de energía pueden causar interferencia cocanal en los receptores de información, especialmente cuando un transmisor de energía y un receptor de información se ubican conjuntamente en un HAP que puede recibir una fuerte autointerferencia. Una solución práctica es separar las transmisiones de energía y de información en diferentes intervalos de tiempo [4], lo que, sin embargo, reduce el tiempo de transmisión de información y, por tanto, el rendimiento del sistema. 

Un punto a tener en cuenta es que un WD puede, de hecho, funcionar de manera full-duplex de información/energía, lo que es capaz de transmitir información y recolectar energía hacia/desde el AP/EN (HAP) en la misma banda. Por ejemplo, cuando EN1 y AP1 en la Fig. 2a están bien separados (es decir, la transmisión de energía no causa una fuerte interferencia en la decodificación de información), es factible que WD1 reciba simultáneamente energía de EN1 y transmita información a AP1. Además, como se muestra en la Fig. 2c, la operación full-duplex de información/energía permite un beneficio adicional conocido como autoreciclaje de energía, donde un WD puede recolectar energía de RF adicional de su propia señal de información transmitida [7]. 

Evidentemente, un WD full-duplex puede beneficiarse de una alta ganancia de canal de enlace en bucle desde su antena transmisora de información hasta su antena receptora de energía. Por lo tanto, la antena receptora debe colocarse lo más cerca posible de la antena transmisora sin alterar su patrón de radiación. 

Como se muestra en la Fig. 2d, otra solución prometedora para un enfoque dentro de banda es utilizar HAP full-duplex, que es capaz de transmitir energía y recibir información hacia/desde los WD simultáneamente en la misma banda de frecuencia [11]. Tenga en cuenta que la operación full-duplex de HAP es diferente de la de WD en el sentido de que la transmisión de energía puede causar una autointerferencia grave en la decodificación de información. En este caso, prácticamente se desea una ganancia de canal de enlace de bucle baja para mitigar la autointerferencia dañina (por ejemplo, mediante un diseño de antena direccional o una gran separación de antenas). 

Un HAP full-duplex también puede realizar cancelación de autointerferencia (SIC) para reducir aún más la potencia de interferencia, utilizando circuitos SIC analógicos/digitales, enfoques de procesamiento de señales híbridos, etc. Aunque algunos estudios recientes sugieren que la cancelación perfecta de la autointerferencia en un canal inalámbrico es difícil, el HAP full-duplex tiene un mayor potencial para proporcionar una mejora de la eficiencia del espectro plegado que las transmisiones convencionales de energía/información semidúplex. 

Figura 3. Comparaciones de rendimiento de diferentes modelos operativos en una WPCN, donde las configuraciones de red se ilustran en la parte superior 

Medio dúplex, ubicado en el mismo lugar

Medio dúplex, separado

Full dúplex, ubicado en el mismo lugar, 50 dB SIC

Full dúplex, ubicado en el mismo lugar, 80 dB SIC

Full dúplex, separado, 50 dB SIC

Full dúplex, separado, 80 dB SIC.

En la Fig. 3, presentamos un ejemplo numérico que compara el rendimiento de diferentes modelos operativos en WPCN. Para simplificar la ilustración, consideramos una WPCN simple que consta de solo un WD, un EN y un AP de información. Específicamente, consideramos los siguientes seis modelos: 

• Transferencia de información/energía semidúplex usando EN y AP de información separados o un HAP integrado. 

• Transferencia de información/energía full-duplex utilizando un HAP que puede alcanzar 50 u 80 dB SIC. Es decir, la potencia de interferencia recibida por la antena receptora se atenúa aún más en 50 u 80 dB mediante técnicas SIC analógicas y/o digitales antes de la decodificación de la información.

Transferencia de información/energía full-duplex usando EN y AP de información separados, donde el AP puede lograr una cancelación de interferencia (IC) de 50 u 80 dB en la señal de energía recibida del EN (asumiendo una forma de onda de señal de energía conocida en el AP). Para la transferencia de información/energía semidúplex, las transmisiones de información y energía pueden operar en diferentes bandas de frecuencia (fuera de banda) o en diferentes intervalos de tiempo (dentro de banda), con el mismo rendimiento alcanzable. Aquí, consideramos sólo el método dentro de banda para evitar la repetición. Como se muestra en la parte superior de la Fig. 3, en el caso de EN y AP separados, la distancia entre EN y AP es de 10 m, y el WD está ubicado en la línea que los conecta. Para operaciones full-duplex, asumimos una potencia de enlace de bucle de –10 dB desde la antena de transmisión de información del WD a su propia antena de recolección de energía, de modo que pueda lograr un 10 por ciento de autoreciclaje de energía.

 Por otra parte, se supone que la potencia del enlace de bucle desde la antena transmisora de energía del HAP a su antena receptora de información es –40 dB. Además, la potencia de transmisión del EN es de 0,1 W, la frecuencia portadora es de 915 MHz con un ancho de banda operativo de 20 MHz, se supone que los canales inalámbricos siguen un modelo de pérdida de trayectoria en el espacio libre y la densidad del espectro de potencia de ruido del receptor es de –169 dBm. /Hz. 

Trazamos las velocidades de datos alcanzables de diferentes modelos en bits por segundo por Hertz, ya que la distancia d entre el WD y el EN (o HAP) varía de 1 a 9 m. Para una comparación justa entre las operaciones semidúplex y full-duplex, la relación de asignación de tiempo entre las transmisiones de energía e información se optimiza para un esquema semidúplex en cada una de las ubicaciones de WD. Podemos ver que las velocidades de datos del uso de un HAP se degradan rápidamente a medida que aumenta la separación entre HAP y WD debido al efecto doblemente cercano y lejano en la atenuación de la señal. Por otro lado, el uso de EN y AP separados puede lograr un rendimiento más estable bajo variación de distancia porque la energía tanto recolectada como consumida disminuye a medida que aumenta la distancia entre EN y WD. Cuando se utiliza full-duplex, podemos ver que la velocidad de datos del HAP full-duplex con 80 dB SIC supera estrictamente a la del HAP half-duplex. Sin embargo, el HAP full-duplex con 50 dB SIC produce una velocidad de datos cercana a cero incluso cuando la distancia entre WD y HAP es moderada, porque en este caso la autointerferencia residual abruma la señal de información recibida. Para el funcionamiento full-duplex con EN y AP separados, la capacidad IC del AP también es un factor crítico que determina el rendimiento de la comunicación. Específicamente, la operación full-duplex logra una velocidad de datos estrictamente más alta que el esquema semidúplex cuando el AP puede cancelar una interferencia de 80 dB, mientras que logra una velocidad de datos más baja cuando la capacidad IC del AP se reduce a 50 dB. 

Técnicas clave para WPCN 

Al aplicar los modelos operativos básicos anteriores, podemos construir WPCN más complejas con mayor número de nodos para varias aplicaciones diferentes. En la práctica, el rendimiento de una WPCN se ve fundamentalmente limitado por la baja eficiencia y el corto alcance de la TIP, así como por los recursos limitados para las transmisiones de energía e información.

 En esta sección, presentamos algunas técnicas útiles para mejorar el rendimiento de las WPCN. En particular, dividimos nuestras discusiones en cuatro partes: formación de haces de energía, comunicación conjunta y programación de energía, comunicación cooperativa inalámbrica y cooperación de múltiples nodos, como se ilustra en la Fig. 4. Los métodos introducidos, así como su uso combinado, pueden ampliar eficazmente el rango operativo y aumentar la capacidad de las WPCN, lo que convierte a las WPCN en una solución viable para aplicaciones más amplias. Para una mejor exposición, asumimos la operación semidúplex de información/energía en esta sección, mientras dejamos las discusiones sobre las extensiones a la operación full-duplex para la siguiente sección.

Figure 4.  Esquemas de técnicas clave de mejora del rendimiento para WPCN. Las líneas verdes denotan transferencia de energía y las rojas denotan transmisión de información: a) formación de haces de energía; b) programación conjunta de comunicación y energía; c) comunicación cooperativa inalámbrica; d) cooperación multinodo

Además de la limitación energética en la sala de emergencias, el diseño de la formación en los sistemas TIP también puede verse limitado por la limitada capacidad de procesamiento del hardware de la sala de emergencias. Por ejemplo, es posible que algunos sensores inalámbricos de bajo costo no tengan unidades de procesamiento de banda base adecuadas para realizar estimaciones y/o retroalimentación de CSI convencionales.

Formación de haces de energía 

Para lograr una transferencia de energía eficiente, la TIP generalmente requiere una transmisión altamente direccional mediante el uso de antenas de alta ganancia para enfocar la energía en haces de energía estrechos hacia los receptores de energía (ER). Para la TIP en enlaces fijos con línea de visión directa (LOS), se podrían emplear antenas convencionales de gran apertura, como antenas parabólicas o de bocina; mientras que para aplicaciones móviles con un entorno de canal dinámico, orientable electrónicamente El conjunto de antenas, con formación de haces de energía habilitada [1], es más adecuado para dirigir de manera flexible y eficiente la energía inalámbrica a las salas de emergencia adaptándose al entorno de propagación. Con la formación de haces de energía, las señales de energía en diferentes antenas se ponderan cuidadosamente para lograr una superposición constructiva en los ER previstos. 

Para maximizar el nivel de potencia recibida, el transmisor de energía (ET) en general requiere un conocimiento preciso de la información del estado del canal (CSI), incluyendo tanto la magnitud como el cambio de fase desde cada una de las antenas transmisoras a cada antena receptora de diferentes ER. 

Como se muestra en la Fig. 4a, un método para obtener información del estado del canal (CSI) en el ET es mediante entrenamiento de enlace directo (de ET a ER) y retroalimentación de enlace inverso (de ER a ET). Sin embargo, a diferencia del diseño de entrenamiento de canales convencional en sistemas de comunicaciones inalámbricas, donde la principal preocupación es el ancho de banda/tiempo utilizado para transmitir señales de entrenamiento, el diseño de entrenamiento de canales para TIP está limitado por la energía limitada disponible en el ER para realizar la estimación de canales y enviar comentarios de CSI. Intuitivamente, el ET puede obtener un conocimiento de CSI más preciso si el ER utiliza más energía para realizar la estimación y/o retroalimentación del canal. Sin embargo, el costo de energía para el ER puede eventualmente compensar la ganancia de energía lograda a partir de una formación de haces de energía más refinada utilizada por el ET con un conocimiento más preciso del canal. En particular, el costo de energía puede ser prohibitivamente alto para ET con un gran conjunto de antenas, ya que la estimación/retroalimentación del canal aumenta proporcionalmente al número de antenas en el ET. En cambio, el entrenamiento de enlace inverso es más adecuado para estimar CSI de conjuntos grandes. Específicamente, el ER envía señales de entrenamiento en dirección inversa, de modo que el CSI puede estimarse directamente en el ET sin ninguna estimación del canal ni retroalimentación por parte del ER. En este caso, la sobrecarga de entrenamiento es independiente del número de antenas en el ET. Sin embargo, la sala de emergencias todavía necesita diseñar cuidadosamente su estrategia de entrenamiento, como la potencia de transmisión, la duración y las bandas de frecuencia, para maximizar la energía neta recolectada [8], es decir, la energía recolectada en la sala de emergencias menos que la consumida en el envío del entrenamiento. señales. Además de la limitación energética en la sala de emergencias, el diseño de la formación en los sistemas TIP también puede verse limitado por la limitada capacidad de procesamiento del hardware de la sala de emergencias. Por ejemplo, es posible que algunos sensores inalámbricos de bajo costo no tengan una base adecuada.unidades de procesamiento de banda para realizar estimación y/o retroalimentación de CSI convencional. Para abordar este problema, es necesario desarrollar nuevos métodos de retroalimentación limitada. Por ejemplo, se puede enviar una señal de retroalimentación de información de un bit desde el ER para indicar el aumento o disminución del nivel de potencia recibido durante cada intervalo de entrenamiento en comparación con el anterior, en base a lo cual el ET puede actualizar iterativamente su estimación de matriz de canales desde la retroalimentación utilizando un algoritmo de plano de corte [9]. Está demostrado que este método simple de estimación de canales puede converger a la matriz de canales exacta después de un número finito de iteraciones.

 Programación conjunta de comunicación y energía

 La comunicación y la transferencia de energía a menudo están relacionadas en una WPCN. Por un lado, la estrategia de transferencia de energía en el enlace descendente se basa en la energía demandada por los WD para satisfacer sus requisitos de calidad de comunicación en el enlace ascendente. Por otro lado, la transmisión de información en el enlace ascendente está causalmente limitada por la cantidad de energía disponible en cada WD después de recolectar energía mediante la TIP en el enlace descendente. Por lo tanto, las transmisiones de información y energía deben programarse conjuntamente para evitar interferencias cocanal y optimizar el rendimiento general del sistema. Como se muestra en la Fig. 4b, los bloques de recursos de tiempo-frecuencia en una WPCN se pueden asignar dinámicamente al HAP para la transferencia de energía en el enlace descendente o a los WD para la transmisión de información en el enlace ascendente, basándose en la consideración conjunta de las condiciones del canal inalámbrico. estados de la batería, demandas de comunicación y equidad en el rendimiento entre los WD. Por ejemplo, para abordar el problema doblemente cercano-lejano, se puede mejorar la equidad del usuario asignando más bloques de recursos al usuario lejano WD2 y menos al usuario cercano WD1 en la Fig. 4b. 

También podría ocurrir que no se programe ninguna transmisión en algunos bloques de recursos debido a malas condiciones del canal inalámbrico debido al desvanecimiento. Un método similar de asignación dinámica de recursos también se puede extender a una WPCN con EN y AP separados, donde los canales inalámbricos para la transmisión de energía e información son independientes. En la práctica, la programación de información/energía en tiempo real es un problema desafiante debido a los canales inalámbricos que varían en el tiempo y la relación causal entre la TIP actual y las transmisiones de información futuras. La programación de comunicaciones y energía también se puede realizar en el dominio espacial cuando EN y AP están equipados con múltiples antenas [10]. Específicamente, una EN puede utilizar la formación de haces de energía para dirigir haces de energía más fuertes hacia ciertos usuarios para priorizar sus demandas de energía. Al mismo tiempo, el AP puede utilizar el acceso múltiple por división de espacio (SDMA) junto con la detección de múltiples usuarios para permitir que varios usuarios transmitan en el mismo bloque de recursos de tiempo y frecuencia. En este caso, se puede aplicar control de potencia de transmisión de enlace ascendente para equilibrar el rendimiento del rendimiento entre todos los usuarios. 

En general, SDMA es un método espectralmente más eficiente que los métodos de acceso múltiple basados en división de tiempo/frecuencia. Además, la formación de haces de energía y SDMA se pueden combinar con la asignación dinámica de recursos de tiempo-frecuencia para mejorar aún más el rendimiento del sistema en las WPCN..

 Comunicación cooperativa inalámbrica Además de las técnicas anteriores, otro enfoque prometedor es la comunicación cooperativa inalámbrica, donde a los usuarios se les permite compartir sus recursos (por ejemplo, energía y tiempo) y comunicarse con el AP de forma colaborativa. Como se muestra en la Fig. 4c con un HAP que atiende a dos usuarios, el usuario cercano WD1 con amplio suministro de energía puede usar parte de su energía y tiempo de transmisión para ayudar a transmitir la transmisión de datos del usuario lejano WD2. Específicamente, el protocolo de retransmisión puede diseñarse para que conste de tres intervalos de tiempo. En la primera franja horaria, el HAP realiza TIP y los usuarios recolectan energía; en el segundo intervalo de tiempo, WD2 transmite sus datos a WD1 para su decodificación; en el tercer intervalo de tiempo, WD1 codifica el mensaje de WD2 junto con su propio mensaje y lo envía al HAP. Evidentemente, WD2 puede beneficiarse de esta cooperación debido al alcance de comunicación más corto en comparación con la comunicación directa con el HAP. Mientras tanto, aunque WD1 consume energía y tiempo para ayudar a WD2, su pérdida de velocidad de datos debido a la cooperación también puede compensarse con un tiempo general de transmisión de datos más largo. Esto se debe a que el beneficio de la cooperación del usuario permite al HAP asignar más tiempo a la transmisión de datos en lugar de a la WPT [12]. Además de la cooperación en comunicación, los usuarios también pueden realizar cooperación energética entre pares (por ejemplo, WD1 transmite directamente su energía excesiva a WD2). Esta situación potencialmente beneficiosa para todos hace que la cooperación de los usuarios sea un método atractivo y de bajo costo para mejorar la eficiencia general de una WPCN. La aplicación de la comunicación cooperativa inalámbrica a una WPCN con EN y AP separados también se ilustra en la Fig. 4c. De manera similar, después de recolectar la energía transmitida por la EN, los usuarios pueden comunicarse y/o cooperar energéticamente para mejorar el desempeño de cada uno. En particular, se pueden aplicar algunos métodos de comunicación cooperativa espectralmente eficientes, como la codificación espacio-temporal distribuida, cuando los enlaces de comunicación entre los dos usuarios son suficientemente fiables. 

 Comunicación cooperativa inalámbrica

 Además de las técnicas anteriores, otro enfoque prometedor es la comunicación cooperativa inalámbrica, donde a los usuarios se les permite compartir sus recursos (por ejemplo, energía y tiempo) y comunicarse con el AP de forma colaborativa. Como se muestra en la Fig. 4c con un HAP que atiende a dos usuarios, el usuario cercano WD1 con amplio suministro de energía puede usar parte de su energía y tiempo de transmisión para ayudar a transmitir la transmisión de datos del usuario lejano WD2. Específicamente, el protocolo de retransmisión puede diseñarse para que conste de tres intervalos de tiempo. En la primera franja horaria, el HAP realiza TIP y los usuarios recolectan energía; en el segundo intervalo de tiempo, WD2 transmite sus datos a WD1 para su decodificación; en el tercer intervalo de tiempo, WD1 codifica el mensaje de WD2 junto con su propio mensaje y lo envía al HAP. Evidentemente, WD2 puede beneficiarse de esta cooperación debido al alcance de comunicación más corto en comparación con la comunicación directa con el HAP. Mientras tanto, aunque WD1 consume energía y tiempo para ayudar a WD2, su pérdida de velocidad de datos debido a la cooperación también puede compensarse con un tiempo general de transmisión de datos más largo. Esto se debe a que el beneficio de la cooperación del usuario permite al HAP asignar más tiempo a la transmisión de datos en lugar de a la WPT [12]. Además de la cooperación en comunicación, los usuarios también pueden realizar cooperación energética entre pares (por ejemplo, WD1 transmite directamente su energía excesiva a WD2). Esta situación potencialmente beneficiosa para todos hace que la cooperación de los usuarios sea un método atractivo y de bajo costo para mejorar la eficiencia general de una WPCN. La aplicación de la comunicación cooperativa inalámbrica a una WPCN con EN y AP separados también se ilustra en la Fig. 4c. De manera similar, después de recolectar la energía transmitida por la EN, los usuarios pueden comunicarse y/o cooperar energéticamente para mejorar el desempeño de cada uno. En particular, algunos métodos de comunicación cooperativa espectralmente eficientes, como la distribución La codificación espacio-temporal integrada se puede aplicar cuando los enlaces de comunicación entre los dos usuarios son suficientemente fiables.

 Cooperación de múltiples nodos 

Como se ilustra en la Fig. 4d, además de la cooperación de dispositivo a dispositivo (D2D) entre WD1 y WD2, múltiples EN y AP de información también pueden cooperar para una transmisión de energía e información más eficiente. Específicamente, los EN y los AP de información (incluidos los HAP) están interconectados mediante enlaces de retorno cableados/inalámbricos para intercambiar datos de usuario y señales de control que les permiten operar en colaboración para dar servicio a los WD. En la transferencia de energía del enlace descendente, los EN colaboradores forman un sistema virtual de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO), que es capaz de realizar formación de haces de energía distribuida para maximizar el nivel de energía de recepción en los WD objetivo (por ejemplo, EN1, EN2 y HAP1). transferir energía cooperativamente a WD1. Para la transmisión de información de enlace ascendente, los AP colaboradores forman esencialmente un sistema multipunto coordinado (CoMP), que es capaz de decodificar conjuntamente mensajes de usuario a partir de las señales recibidas a través de múltiples AP (por ejemplo, AP1, AP2 y HAP1 decodifican conjuntamente el mensaje de   WD1).

 Observe que la transferencia de energía del enlace descendente y la transmisión de información del enlace ascendente se pueden realizar simultáneamente en la misma banda de frecuencia sin causar interferencia (por ejemplo, transferencia de energía simultánea a WD1 y transmisión de datos de WD2). Esto se debe a que los AP pueden cancelar la interferencia de la transferencia de energía utilizando las señales de energía predeterminadas informadas por los EN. Este esquema de procesamiento totalmente centralizado puede proporcionar una ganancia de formación de haz significativa en la transferencia de energía del enlace descendente y una ganancia de diversidad/multiplexación espacial en la transmisión de información del enlace ascendente. Sin embargo, su implementación puede ser muy costosa en una WPCN grande debido a los requisitos prácticos, como una alta complejidad computacional, una gran sobrecarga de señalización de control, un intenso tráfico de retorno y una sincronización precisa de múltiples nodos. En la práctica, puede ser preferible utilizar un esquema híbrido que integre métodos de procesamiento centralizados y distribuidos para equilibrar el rendimiento y el costo de implementación. Un problema importante que se relaciona directamente con el rendimiento a largo plazo de una WPCN de múltiples nodos (por ejemplo, el rendimiento promedio de la red) es la ubicación de EN y AP. Cuando los WD están fijos en su ubicación (por ejemplo, una WSN con ubicaciones de sensores [WD] predeterminadas por los objetos detectados), el problema consiste en determinar el número y las ubicaciones óptimos de EN y AP para satisfacer ciertos requisitos de rendimiento de comunicación y recolección de energía [13]. . El problema de la ubicación de los nodos en las WPCN es diferente al de las redes de comunicación inalámbrica convencionales, donde sólo se implementan AP de información. Intuitivamente, el alto consumo de energía de un WD que está lejos de cualquier AP ahora se puede reponer mediante WPT mediante el despliegue de un EN cerca del WD. En general, la ubicación de EN y AP debe optimizarse conjuntamente para mejorar el rendimiento de una WPCN, como el rendimiento, la vida útil operativa del dispositivo y el costo de implementación.

 Extensiones y direcciones futuras 

Además de las discusiones en las secciones anteriores, las WPCN también implican ricos problemas de investigación de importantes aplicaciones aún por estudiar. En esta sección, destacamos varios temas de investigación interesantes que consideramos particularmente dignos de investigación.

 Extensiones 

La formación de haces de energía es una técnica habilitadora clave en las WPCN. Como se analizó en la sección anterior, el diseño eficiente de formación de haces de energía requiere una CSI precisa en el transmisor de energía (CSIT), que a menudo no está disponible debido a la energía limitada y/o al hardware simplificado en las salas de emergencia. 

Además de la capacitación de enlace inverso introducida y los métodos de retroalimentación limitados que reducen el costo de la estimación CSIT, el diseño de formación de haces de energía basado en conocimientos CSIT imperfectos o estadísticos también es un problema práctico pero desafiante. El problema se vuelve aún más desafiante cuando tomamos en consideración la eficiencia de conversión de energía no lineal de un receptor de energía práctico, donde la eficiencia de conversión en general aumenta con la potencia de la señal de RF recibida y se degrada si la potencia recibida está por encima de un cierto umbral. Mientras tanto, se espera que los avances futuros en la tecnología full-duplex proporcionen una mejora del rendimiento plegado con respecto al método convencional de transferencia de información/energía semidúplex. Por ejemplo, un HAP full-duplex puede transferir energía y al mismo tiempo recibir transmisiones de datos desde WD en la misma banda de frecuencia. Como resultado, es necesario revisar el diseño conjunto de programación de comunicación/energía en una WPCN, sin la necesidad de asignar tiempo/frecuencia ortogonales para transmisiones de información y energía como en los sistemas basados en semidúplex. P

Para la comunicación cooperativa inalámbrica, un WD3 full-duplex puede transmitir sus propios datos al AP de información (o HAP full-duplex) mientras recibe transferencia de energía simultánea desde el EN (o HAP full-duplex) y transmisión de datos desde su WD colaborador. dado que las interferencias tanto de señales de información como de energía se pueden cancelar de manera efectiva en el receptor de información del WD. Además, el modelo de comunicación cooperativa inalámbrica de dos usuarios se puede generalizar a WPCN multiusuario con una estructura basada en clústeres, donde un usuario cerca del HAP puede actuar como relevo para un grupo de usuarios. Esta estructura basada en clústeres puede resultar muy útil en una WPCN grande con muchos enlaces directos de WD a HAP deficientes. En este caso, los nodos principales del clúster serán responsables de coordinar las comunicaciones dentro del clúster, retransmitir el tráfico de datos hacia/desde el HAP, intercambiar las señales de control con el HAP, etc. Como resultado, algunos nodos cabeza de clúster pueden agotar rápidamente sus baterías, aunque en realidad pueden recolectar más energía que otros nodos que no están cabeza de clúster. Las posibles soluciones incluyen el uso de formación de haces de energía para dirigir haces de energía fuertes para priorizar el suministro de energía a los nodos principales del clúster, o el uso de una estructura híbrida que permita la comunicación directa oportunista de WD a HAP de nodos que no son principales del clúster para reducir el consumo de energía de los nodos principales del cluster. 

En general, SDMA es un método espectralmente más eficiente que los métodos de acceso múltiple basados en división de tiempo/frecuencia. Además, la formación de haces de energía y SDMA se pueden combinar con la asignación dinámica de recursos de tiempo-frecuencia para mejorar aún más el rendimiento del sistema en las WPCN.

Figura 5. Ilustración de una WPCN con fuentes de energía híbridas

Green WPCN Los métodos de recolección de energía se pueden combinar con WPT para construir Crear una WPCN ecológica y autosostenible que requiera que las EN obtengan menos energía de fuentes de energía fijas. Como se ilustra en la Fig. 5, las técnicas de recolección de energía se pueden aplicar tanto en las EN como en las WD. Específicamente, un WD puede recolectar de manera oportunista energía renovable en el medio ambiente, como la energía solar y la radiación de RF ambiental, y almacenar la energía en una batería recargable. Por un lado, cuando la intensidad de la energía renovable es fuerte en la mayoría de los WD, los EN pueden desactivar la transferencia de energía para evitar el desperdicio de energía debido a la capacidad limitada de la batería. Por otro lado, la TIP convencional se puede utilizar para alimentar los WD cuando la recolección efectiva de energía no es factible en la mayoría de los WD. En el medio, se puede adoptar un método de energía híbrido que utilice tanto la recolección de energía como la TIP, donde las EN pueden realizar el control de la potencia de transmisión o utilizar la formación de haces de energía para concentrar la potencia de transmisión a los usuarios que recolectan energía renovable insuficiente. En una WPCN verde con fuentes de energía híbridas, el desafío clave es lograr un cambio oportuno entre diferentes modos de operación y diseñar estrategias eficientes de transmisión de energía para minimizar la energía extraída de fuentes de energía fijas y al mismo tiempo satisfacer los requisitos de rendimiento de comunicación dados. En general, el diseño óptimo requiere la consideración conjunta de una serie de factores, como la intensidad de energía renovable actual y prevista, la información del estado de la batería y las condiciones del canal inalámbrico, que aún está abierto a investigaciones futuras. 

WPCN cognitiva En la práctica, es probable que una WPCN coexista con otras redes de comunicación existentes y pueden causar interferencias cocanal perjudiciales entre sí cuando funcionan simultáneamente en la misma banda de frecuencia. 

Figura 6. Esquemas de una WPCN compartiendo espectro con una red de comunicación existente.

Como se muestra en la Fig. 6, la WPCN puede causar interferencias en la decodificación de información en WD3 en una red de comunicación existente. Al mismo tiempo, la transmisión del AP en la red de comunicación también puede causar interferencia en la decodificación de información en el HAP en la WPCN. Tenga en cuenta que aunque la transmisión en la red de comunicación existente produce interferencias dañinas en la decodificación de información del HAP, también proporciona energía adicional para recolectar para los usuarios (WD1 y WD2) en la WPCN. 

Dado el espectro operativo limitado, una WPCN debería ser cognitiva para compartir eficientemente la banda de frecuencia común con las redes de comunicación existentes. En particular, una WPCN cognitiva puede ser cooperativa o no cooperativa con las redes de comunicación existentes. Por un lado, una WPCN cooperativa protege la comunicación de las redes de comunicación existentes. De manera similar a la configuración de la red primaria/secundaria en las redes de radio cognitiva convencionales, la WPCN (red secundaria) diseña su estrategia de transmisión para optimizar su propio rendimiento, dado que su transmisión no degradará gravemente el rendimiento de la comunicación de las redes de comunicación existentes (red primaria) [ 14]. Por otro lado, una WPCN no cooperativa diseña su estrategia de transmisión para optimizar el rendimiento de su propio sistema, con sólo una consideración secundaria de minimizar su impacto en las redes de comunicación existentes [15]. En la práctica, algunos esquemas de incentivos que puedan promover la cooperación mutua pueden ser una solución prometedora al problema de coexistencia entre una WPCN cognitiva y las redes de comunicación convencionales.

Conclusiones En este artículo, hemos proporcionado una descripción general de los modelos básicos de WPCN y las técnicas correspondientes de mejora del rendimiento para construir WPCN eficientes. En comparación con las comunicaciones basadas en baterías y en la recolección de energía ambiental, las WPCN mejoran significativamente el rendimiento y la confiabilidad de la red. Aunque muchas técnicas introducidas para las WPCN parecen ser similares a las de las redes de comunicaciones inalámbricas convencionales, la dimensión adicional de la transferencia de energía requiere un diseño de sistema más sofisticado, pero también brinda valiosas oportunidades para resolver el problema fundamental de escasez de energía para las comunicaciones inalámbricas. Prevemos que la WPCN será un componente necesario e importante para que los futuros sistemas de comunicación inalámbrica logren operaciones de dispositivos energéticamente autosostenibles. 

Referencias 

[1] S. Bi, C. K. Ho, and R. Zhang, “Wireless Powered Communication: Opportunities and Challenges,” IEEE Commun. Mag., vol. 53, no. 4, Apr. 2015, pp. 117–25.

[2] X. Lu, P. Wang et al., “Wireless Networks with RF Energy

Harvesting: A Contemporary Survey,” IEEE Commun.

Surveys & Tutorials, vol. 17, no. 2, 2015, pp. 757–89.

[3] I. Krikidis et al., “Simultaneous Wireless Information and

Power Transfer in Modern Communication Systems,” IEEE

Commun. Mag., vol. 52, no. 11, Nov. 2014, pp. 104–10.

[4] H. Ju and R. Zhang, “Throughput Maximization in Wireless Powered Communication Networks,” IEEE Trans.

Wireless Commun., vol. 13, no. 1, Jan. 2014, pp. 418–28.

[5] K. Huang and V. K. N. Lau, “Enabling Wireless Power

Transfer in Cellular Networks: Architecture, Modeling

and Deployment,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol.

13, no. 2, Feb. 2014, pp. 902–12.

[6] A. Sabharwal et al., “In-Band Full-Duplex Wireless: Challenges and Opportunities,” IEEE JSAC, vol. 32, no. 9,

Sept. 2014, pp. 1637–52.

[7] Y. Zeng and R. Zhang, “Full-Duplex Wireless-Powered

Relay with Self-Energy Recycling,” IEEE Wireless Commun. Lett., vol. 4, no. 2, Apr. 2015, pp. 201–04.

[8] Y. Zeng and R. Zhang, “Optimized Training Design for

Wireless Energy Transfer,” IEEE Trans. Commun., vol.

63, no. 2, Feb. 2015, pp. 536–50.

[9] J. Xu and R. Zhang, “Energy Beamforming with One-Bit

Feedback,” IEEE Trans. Signal Processing, vol. 62, no.

20, Oct. 2014, pp. 5370–81.

Figure 6. Schematics of a WPCN under spectrum sharing with an existing

communication network.

WD1

WD3

HAP

AP

Existing

communication

network

WPCN

WD2

Information Energy Interference

18 IEEE Wireless Communications • April 2016

[10] L. Liu, R. Zhang, and K. C. Chua, “Multi-Antenna Wireless Powered Communication with Energy Beamforming,” IEEE Trans. Commun., vol. 62, no. 12, Dec. 2014,

pp. 4349–61.

[11] H. Ju and R. Zhang, “Optimal Resource Allocation

in Full-Duplex Wireless Powered Communication Network,” IEEE Trans. Commun., vol. 62, no. 10, Oct. 2014,

pp. 3528–40.

[12] H. Ju and R. Zhang, “User Cooperation in Wireless

Powered Communication Networks,” Proc. IEEE GLOBECOM, Dec. 2014.

[13] S. Bi and R. Zhang, “Placement Optimization of Energy and Information Access Points in Wireless Powered

Communication Networks,” to appear, IEEE Trans. Wireless Commun.; http://arXiv:1505.06530.

[14] S. Lee and R. Zhang, “Cognitive Wireless Powered Network: Spectrum Sharing Models and Throughput Maximization,” to appear, IEEE Trans. Cognitive Commun.

Net.; http://arXiv:1506.05925.

[15] J. Xu, S. Bi, and R. Zhang, “Multiuser MIMO Wireless

Energy Transfer with Coexisting Opportunistic Communication,” IEEE Wireless Commun. Lett., vol. 4, no. 3,

June 2015, pp. 273–76.

Biografías Suzhi Bi [S’10, M’14] (bsz@szu.edu.cn) recibió su B.Eng. Licenciado en Ingeniería de Comunicaciones por la Universidad de Zhejiang, Hangzhou, China, en 2009, y su Ph.D. Licenciado en ingeniería de la información por la Universidad China de Hong Kong, Hong Kong, en 2013. De 2013 a 2015, fue investigador en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad Nacional de Singapur. Actualmente es profesor asistente en la Facultad de Ingeniería de la Información de la Universidad de Shenzhen, China. Sus intereses de investigación actuales incluyen transferencia inalámbrica de información y energía, control de acceso a medios en redes inalámbricas y comunicaciones de redes eléctricas inteligentes. Yong Zeng [S’12, M’14] (elezeng@nus.edu.sg) recibió su B.Eng. (Primera Clase Hons.) y Ph.D. Licenciatura en ingeniería eléctrica y electrónica de la Universidad Tecnológica de Nanyang en 2009 y 2014, respectivamente. Desde septiembre de 2013, trabaja como investigador en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad Nacional de Singapur. Desde junio de 2010 hasta octubre de 2010, trabajó como estudiante en prácticas en el Centro de Investigación e Innovación (Bell Labs China), Alcatel-Lucent Shanghai Bell Company, Ltd., China. Sus intereses de investigación actuales incluyen la optimización de transceptores MIMO para comunicaciones limitadas por interferencias, transferencia de energía inalámbrica, MIMO masivo, comunicaciones por ondas milimétricas y otras tecnologías 5G. Rui Zhang [S’00, M’07, SM’15] (elezhang@nus.edu.sg) recibió su doctorado. Licenciado por la Universidad de Stanford en 2007. Actualmente es profesor asistente en el Departamento de ECE de la Universidad Nacional de Singapur. Sus intereses de investigación actuales incluyen comunicaciones inalámbricas energéticamente eficientes y habilitadas para recolección de energía, información inalámbrica y transferencia de energía, y comunicaciones multiusuario con múltiples antenas. Recibió el sexto premio IEEE ComSoc Asia-Pacific al Mejor Investigador Joven en 2011 y co-receptor del premio IEEE Marconi Prize Paper Award en Comunicaciones Inalámbricas en 2015. Ahora es editor de IEEE Transactions on Wireless Communications, IEEE Transacciones sobre procesamiento de señales y Revista IEEE sobre áreas seleccionadas de las comunicaciones. Fue catalogado como Investigador altamente citado de Thomson Reuters en 2015.