La transmisión y recolección de energía inalámbrica de campo lejano han surgido recientemente como una posible fuente alternativa para alimentar las redes de comunicación de próxima generación. La capacidad de proporcionar una fuente de energía estable, controlable y bajo demanda en los dispositivos de comunicación de baja potencia que se encuentran a distancia se logra mediante la integración de un circuito de recolección de energía de RF integrado en el dispositivo o unidad receptora de información. Este trabajo de investigación se basa en un estudio exhaustivo sobre el progreso de las redes de comunicación inalámbricas (WPCN) en los últimos años. En primer lugar, analiza una descripción general de las redes de comunicación de recolección de energía de RF con la arquitectura del sistema, las técnicas de administración de energía utilizadas en el receptor y las técnicas existentes disponibles en la literatura para mejorar la WPCN. La formación de haces de energía en WPCN basada en microondas y ondas milimétricas se analiza con conocimientos específicos sobre la evolución de algoritmos de formación de haces eficientes para mejorar el rendimiento del sistema. También se derivan algunos desafíos técnicos importantes y direcciones de investigación con el propósito de brindar a los investigadores conocimientos útiles en esta área emergente de investigación que tiene un enorme alcance de mejoras en el futuro cercano de la tecnología de comunicación verde.
Palabras clave: recolección de energía, formación de haces de energía, WPCN, red de comunicación MicroWave, mm Wave red de comunicación, encuesta
I. INTRODUCCIÓN
La historia de la tecnología de transferencia inalámbrica de energía (WPT) es Tan fascinante como su futuro emergente. Lo más temprano Los experimentos fueron realizados por Nicola Tesla [1-2] y Brown [3], hace un siglo. Tesla lo ha puesto en marcha con el objetivo de construir un sistema TIP robusto para su utilización en todo el mundo para suministro eléctrico [1]. Dado que su enfoque implicaba uso deliberado de transmisión de energía para alimentar sistemas remotos dispositivo, hubo algunos problemas de seguridad que acompañaron a esos Radiaciones electromagnéticas peligrosas. Aunque después de Tesla trabajos fenomenales en transferencia de energía inalámbrica han perdido su importancia en la investigación durante algunos años, recuperó su significado nuevamente. Ha habido avances significativos en el ámbito de la captación de energía inalámbrica o TIP [4] y transferencia inalámbrica de información y energía (WIPT) [5] en el pasaron pocos años. El foco de la investigación se centra principalmente en desarrollar nuevos modelos y protocolos de recolección de energía (EH) y métodos de transmisión. La comunicación WIPT Los sistemas son diferentes de la batería convencional. sistemas de comunicación operados. Por lo tanto, nuevo Infraestructura de comunicación compatible con redes inalámbricas. Se necesita transferencia de información y poder para hacer El sistema de comunicación inalámbrico de hoy en día que es compuesto por sensores electrónicos de potencia ultrabaja y dispositivos, autosostenibles.
Uso de nuevos materiales como el Litio iones, semiconductores III-V, heteroestructuras y La nanotecnología ha estado revolucionando el factor de forma de dispositivos electrónicos, sensores y baterías [6, 7]. También tiene mejoraron notablemente su densidad energética. Desde WIPT implica una extracción de energía relativamente estable a pequeña escala, por lo que se considera como la opción más confiable para hacer que la red de dispositivos de potencia ultrabaja sea autosuficiente. La EH o WPT inalámbrica se puede realizar de dos métodos: cerca método de inducción de campo y radiación electromagnética de campo lejano método.
El método de campo cercano incluye inductivo resonante. acoplamiento [8] y acoplamiento magnético [9] basado en bobinas que necesita una alineación estricta entre el transmisor y receptor. La atenuación en la potencia recibida en caso de proximidad El campo WPT varía como el cubo de la distancia de carga y como cuadrado de la distancia de carga en TIP de campo cercano. Campo lejano El método TIP utiliza la recolección de energía por radiofrecuencia (RFEH) a través de una recena y soporta una cobertura más amplia zona lo que hace de este el método más adecuado para ser empleado en sistemas WIPT [10]. La capacidad de captación de energía inalámbrica de campo lejano es crudamente aproximado por la densidad de potencia de su antena receptora es decir., ¿Dónde está la impedancia característica de libre? espacio (377Ω) y es la intensidad del campo eléctrico. Así, un un campo eléctrico de 1 v/m puede producir 0,26 µ w/cm 2 .
La cosechada
La energía se optimiza suficientemente a través del circuito multiplicador. Se utiliza en la reccena y se almacena en un recipiente recargable. batería o condensador. En la práctica actual, el ampliamente utilizado Los sistemas RFID utilizan WPT en campo cercano o lejano acercarse. La etiqueta RFID consume energía en el rango de 1- 100 µw [11]. Actualmente, la tendencia de investigación más popular sobre La implementación de RFEH es su utilización en sistemas inalámbricos. tecnología de la comunicación. Tanto la captación de energía como La comunicación se puede realizar desde las fuentes de RF a través de Algunos modelos de sistemas de comunicación efectivos desarrollados. en la última década, como por ejemplo: alimentación inalámbrica red de comunicación (WPCN), información inalámbrica y transferencia de energía (WIPT), información inalámbrica simultánea y transferencia de energía (SWIPT). Entre estos SWIPT se encuentra suma importancia ya que utiliza la misma señal transmitida para recolectar energía y luego utilizar esta energía para decodificar la información deseada [12]. Este rendimiento puede ser mejor. logrado mediante el uso de la técnica de retransmisión cooperativa también denominada comunicación cooperativa inalámbrica. A división de potencia, conmutación de tiempo o antena separada La arquitectura se implementa en el nodo de retransmisión o en el nodo receptor de este sistema de comunicación SWIPT. En transmisor de antena única generando omnidireccional. radiación, la pérdida de la ruta de propagación es mayor, lo que resulta en baja eficiencia W PT. Multiantena y señal avanzada Se utilizan técnicas de procesamiento para mitigar este problema bastante. eficientemente [13-16]. Una mejora notable en la energía. La eficiencia de transferencia se puede lograr mediante la formación de haces. Técnicas que emplean múltiples antenas.
Así, sin uso de ancho de banda adicional y potencia de transmisión, WPCN puede operar de manera efectiva. Los algoritmos de formación de haces pueden ser explorado para dirigir la señal hacia el objetivo deseado. dispositivos receptores [17-22]. El canal mmWave exhibe algunos características de propagación explícitas que pueden aprovecharse para mejorar la aplicación eficaz de la formación de haces. El La comunicación mmWave es una tecnología eficiente y útil. para satisfacer los requisitos de comunicación de sistemas ultradensos redes de próxima generación para el mayor ancho de banda que puede proporcionar [24]. Además, su alta frecuencia facilita la sistema con gran cantidad de antenas de muy pequeño tamaño que Se puede utilizar para mejorar la ganancia general de la antena en el transceptores.
Se pueden utilizar diferentes técnicas de formación de haces. mejor aprovechado en tal caso para aumentar aún más la energía y eficiencia de transferencia de información [25]. De lo contrario, Las señales mmWave sufren altas pérdidas de propagación y son más susceptibles a los obstáculos que las señales por debajo de 6 GHz [23]. Como resultado, la TIP en ondas milimétricas, específicamente en grandes Las redes de escala crean nuevos desafíos y alcances [23-29]. TIP en sistemas de comunicación, que se clasifica en dos arquitecturas prácticas: (WPCN) [17] y (SWIPT) son El futuro de la tecnología de comunicación verde.
Generalmente, un WPCN admite la señal de enlace descendente (DL) que transmite energía mientras que la señal de enlace ascendente (UL) se utiliza para información transferir. Un SWIPT en general se refiere a una red. arquitectura donde tanto la información como la energía están obtenido de la señal de enlace descendente. A pesar de que ha Ha habido una buena cantidad de trabajos de investigación sobre mmWave. Comunicaciones y temas relacionados con mmWave. red de comunicación son extensas, existen relativamente número muy limitado de trabajos considerando tanto mmWave y TIP en un sistema. Sin embargo, ambas tecnologías son investigado como desempeño específico en escenarios específicos en Red de comunicaciones mmWave [23-30]. por lo tanto, nosotros han presentado una encuesta completa con información útil en RFEH tanto en comunicación por microondas como por ondas milimétricas redes y se presenta un análisis efectivo basado en la número limitado de literatura específica disponible. Aquí el Señales sub-6 GHz destinadas a comunicaciones convencionales. Las redes se consideran señales de microondas.
Concretamente, la contribución de este artículo es triple:
(i) Encuesta sobre arquitectura de WPCN y energía Diseño de formación de haces en WPCN basado en microondas.
(ii) Estudio y análisis de la energía de transmisión. WPCN basado en ondas mm de formación de haces.
(iii) Finalmente, hemos discutido algunos aspectos importantes desafíos técnicos y direcciones de investigación en WPCN basado en microondas y ondas milimétricas.
II. FORMACIÓN DE HAZ DE ENERGÍA EN MICRO ONDAS WPCN BASADO
Inicialmente, hemos explicado tanto la arquitectura del sistema como Arquitectura del receptor con el que funciona un WPCN utilizando RF. formación de haces de energía. Entonces una encuesta eficaz sobre energía. La formación de vigas para WPCN se ha realizado basándose en algunos importantes hallazgos de investigación de revistas seleccionadas de renombre. Un Modelo de sistema de red de recolección de energía de RF El modelo de sistema de un sistema WPCN centralizado [17]
La arquitectura se muestra en la Fig. 1. Tiene un punto de acceso híbrido. (HAP) y algunos nodos de dispositivos móviles/estáticos. El HAP es un estación base (BS) que también actúa como fuente de energía de RF para los nodos de la red. En lugar de HAP, energía RF exclusiva fuentes o algunas fuentes de RF ambientales (por ejemplo, teléfono y torres de televisión) que funcionan sólo como RF transmisores de energía. La potencia operativa de la parte EH es generalmente mucho más alto en comparación con la información parte receptora. Por lo tanto, el radio de la región EH suele ser más pequeño que el de la región de transmisión de información.
Fig.1 Un modelo de sistema típico de una red de recolección de energía de RF.
requisito de consumo mínimo, la cantidad de residuos de la energía se almacena en la batería.
La antena o conjunto de antenas utilizadas para la formación de haces en el El transmisor está diseñado para funcionar en una frecuencia o en una número de bandas de frecuencia. La energía puede ser recolectada por el nodo de red de una o múltiples fuentes de RF simultáneamente. La eficiencia de la antena contribuye significativamente a la eficiencia general de la energía de RF segador. Para un modelo de nodo general descrito aquí, el Los nodos de la red tienen un recolector de energía de RF separado. y transceptor de RF. Así, los nodos son capaces de realizar EH y transmisión de información simultáneamente.
Las señales RF transportan energía además de información. Por lo tanto La recepción de información y EH se pueden realizar desde el misma señal RF de entrada usando conmutación de tiempo, alimentación algoritmos de división. Esta arquitectura se conoce como Concepto SWITCH [3].
El SWIPT permite la asignación de la misma antena o conjunto de antenas para decodificador de información y cosechador de energía.
La recepción de información y el trabajo de EH. en diferentes sensibilidades de potencia (por ejemplo, −10 dBm para EH mientras que −60 dBm para recepción de información) [17]. Este Fomenta los esfuerzos de investigación en la dirección del diseño de Receptores WPCN eficientes. B. Formación de haces de energía en WPCN
En [14], los autores abordan entradas múltiples masivas y Sistema WIPT basado en sistema de salida múltiple (MIMO) donde La asignación de recursos es un tema importante en la mejora. de eficiencia de la información por tarifa energética (en bit por Joule).
En este trabajo los autores han abordado la cuestión a través de un sistema que consta de dos componentes. Esos son un transmisor de energía (ET) ubicado en el mismo lugar y algunos receptor de información (IR) junto con transmisor de información (ÉL). Se adapta un esquema simple basado en franjas horarias. Este El esquema divide un intervalo de tiempo en dos subintervalos. En el primero subranura, la energía se entrega desde el transmisor a través la señal de RF y en la segunda sub-ranura de tiempo el IT transmite información.
La maximización de la eficiencia energética es logrado con la formulación de una programación fraccionaria problema que es de naturaleza no convexa. Restricciones en el tiempo La duración de la transferencia de energía de RF y la tasa de información son tenido en cuenta durante la formulación. Lagrange
Se utiliza el método del multiplicador para obtener este problema. Sin embargo, el autor ha utilizado el método Dinkelbach [15] para asignar recurso para maximizar tanto la potencia de transmisión como tiempo necesario para la transferencia de energía de RF. velocidad rápida de La convergencia y la alta eficiencia energética se logran utilizando diversidad mediante el uso de un mayor número de antenas.
Adaptación de políticas de modulación, codificación y operación del receptor. y el protocolo de enrutamiento en el receptor debe ser energéticamente eficiente y de baja potencia para adaptarse a las limitaciones de Dispositivos de potencia de RF. Esto crea el requisito de rediseñar los métodos y algoritmos existentes en el Receptor de red convencional.
El trabajo en [16] diseña e investiga un sistema eficiente Formación de haces de energía para un sistema multiusuario. Un momento acceso múltiple por división (TDMA) basado en entrada múltiple y El sistema de salida única (MISO) se alimenta a través de una fuente de alimentación. estación. Tanto la formación de haces de energía como la asignación de tiempo son diseñado. Se adapta un enfoque de programación no convexo. para maximizar el rendimiento de la suma del sistema. un semidefinido Se utiliza técnica de relajación para delimitar el problema. a uno convexo. La rigidez y la optimización global de la aproximación de relajación semidefinida formulada es demostrado. También se intenta reducir la complejidad de la implementación. reducido significativamente al obtener una solución de semi rápida forma cerrada.
Un sistema MISO con información imperfecta del estado del canal. (CSI) basada en TIP que utiliza formación de haces adaptativa está diseñada en [17]. Se adapta un protocolo de transmisión basado en tramas. En la trama, inicialmente el receptor realiza una estimación CSI utilizando los preámbulos enviados por el transmisor. Entonces el El CSI estimado se envía al transmisor, después de lo cual el El transmisor transmite mediante formación de haces. El trabajo está dirigido en la explotación del equilibrio entre la duración del tiempo Requerido para estimación de canal, transferencia de potencia y potencia. Asignación para la máxima maximización de la recolección de energía.
El trabajo en [18] ha utilizado la formación de haces oportunista en el enlace descendente con aleatoriedad espacial. El WPT se utiliza para alimenta una retroalimentación de 1 bit de formación de haces oportunista utilizada mediante terminales de enlace descendente multiantena. El corte del haz La probabilidad se obtiene utilizando estática de alto orden y geometría estocástica. [19] ha propuesto una WPT adaptativa Técnica que utiliza balizas eléctricas para cargar sensores cercanos. nodos de manera eficiente. Restricciones tanto en la intensidad de la energía Se consideran el haz y el número de nodos sensores para obtener una radio para un funcionamiento óptimo de la WPT.
En [20] un adaptativo ciego El algoritmo de formación de haces se utiliza para TIP con el análisis Modelado de canales. Este algoritmo es menos complejo ya que hay no existe ningún requisito de estimación explícita del CSI. Un banco de pruebas compuesto por radio definida por software de múltiples antenas para transmisión y una unidad EH programable en recepción iver es diseñado para validar el modelo TIP. La propuesta Se encuentra que el modelo con mayor número de antenas tiene el potencial que se puede implementar para alimentar los sistemas de IoT.
El trabajo en [21] ha diseñado e investigado un formación de haces retrodirectiva en una TIP de baja complejidad sistema. El sistema consta de múltiples receptores de energía. Los ER envían una señal de baliza común a la vez al ET. La suma de las señales recibidas se conjuga simplemente y amplificado en el ET y enviado a todas las salas de emergencia para EH. El “doblemente Se aborda el problema “cercano-lejano” y se logra la equidad para el usuario. con una propuesta de actualización de energía de baliza de enlace ascendente distribuida algoritmo. El algoritmo ajusta independientemente el valor de ER. potencia de baliza basada en la potencia actual recolectada iterativamente.
En [22] la TIP se estudia utilizando balizas de potencia y Formación de haces de energía en una red de sensores inalámbricos. El problema no convexo de la gestión de recursos para la energía. La eficiencia en la red se resuelve con el desarrollo. de un algoritmo de baja complejidad. Se ha encontrado que es superior en rendimiento en comparación con [14] que utiliza el tradicional Método Dinkelbach [15].
III. FORMACIÓN DE HAZES DE ENERGÍA EN ONDAS MM WPCN
En una WPCN típica, la señal DL transmite energía mientras que la señal UL se utiliza para la transferencia de información.
En [23] un Análisis de rendimiento en MIMO masivo basado en mmWave El sistema se lleva a cabo tanto en condiciones lluviosas como no lluviosas. Del análisis comparativo se infiere que el WPT se mejora con el número de antenas en la BS y número de dispositivos receptores de energía. Sin embargo, WPT obtiene reducido con el aumento de los parámetros de lluvia desde el inicio del funcionamiento. la frecuencia se ve afectada. Este problema se encuentra resuelto. con realización de pequeñas estructuras celulares en mmWave red. Varios aspectos de la realización de TIP en mmWave La red de comunicación se considera en [24-26].
En [24], los autores consideran la transferencia de energía y/o información sistema en un escenario de red mmWave usando estocástico Análisis basado en geometría. Han demostrado que mmWave La red supera a la red de microondas en el caso de la TIP capacidad.
El trabajo en [25] se basa en la realización y Análisis del rendimiento del sistema TIP en la densa onda milimétrica. Red o red sub-6 GHz. Una pequeña densidad celular es obtenido para un nivel deseado de energía o tasa recolectada. Él También muestra que las redes densas basadas en mmWave funcionan mejor que una red sub-6 GHz.
Los autores de [26] han discutido sobre el rendimiento alcanzable de mmWave basado Sistema SWIP. Una nueva figura de mérito, es decir, conjunta Función de distribución acumulativa complementaria (JCCDF) se acuña. Desde la JCCDF, la tasa de información y Se puede analizar la potencia obtenida. Muestra que mmWave La red basada en JCCDF tiene un mejor rendimiento en comparación a las redes convencionales basadas en microondas.
En [27-29], funciona con tecnología inalámbrica basada en mmWave. Se discuten las redes ad-hoc. [27] Considera una potencia Red ad-hoc mmWave basada en balizas (PB) con transmisores, recolectando energía de múltiples PB. La energía recolectada se puede utilizar para obtener información. transmisión al receptor deseado. El efecto del sistema. Se proporcionan parámetros sobre el rendimiento de la red. La probabilidad de cobertura de energía de los transmisores se obtiene utilizando geometría estocástica.
En [28] el autor ha considerado la efecto de bloqueos y direccionalidad en un direccional ad-hoc Red equipada con sistema SWIPT. Ha demostrado que beneficia al sistema al aumentar el rendimiento de EH.
El trabajo en [29] representa un estudio de viabilidad sobre mmWave. WPT basado, considerado como trabajando en una red táctica. utilizando antenas direccionales y PB. Cobertura energética probabilidad de interrupción y probabilidad general de éxito del sistema se caracterizan utilizando geometría estocástica. ha demostrado que el aumento de la densidad de la red puede mejorar el EH cosechar el rendimiento de una red.
En [30], la formación de haces está diseñada para un sistema basado en mmWave. Sistema MIMO masivo con arquitectura SWIPT. La multidifusión-unidifusión conjunta basada en matriz de Lensantenna se utiliza para desarrollar un esquema de selección de vigas junto con fuerza cero precodificación. Una optimización conjunta de la potencia unicast, multicast. La relación de formación de haz y división de potencia se logra para formulación de un problema de maximización de tasa suma con consideración de las limitaciones en la potencia máxima de transmisión y potencia mínima recibida para EH. la articulación El problema de optimización se transforma luego en un problema convexo. problema utilizando el método de aproximación convexa sucesiva. La eficacia de este esquema se verifica en el artículo. mediante simulación. Se ha estudiado la estimación distribuida. antes incluso con sensores de recolección de energía.
IV. DESAFÍOS TÉCNICOS IMPORTANTES Y DIRECCIONES DE INVESTIGACIÓN
Los dispositivos alimentados por RFEH en general funcionan con estrictas restricción de potencia de operación. Por lo tanto, no suele ser Es práctico para ellos utilizar algoritmos computacionales elevados. Técnicas de comunicación asociadas, como la modulación, codificación, política de operación del receptor y protocolo de enrutamiento, a ser deben seguirse para ser lo suficientemente eficientes energéticamente y de baja potencia. Por lo tanto, el consumo de energía es un problema grave. Problema en dispositivos inalámbricos de campo lejano. se siente el necesidad de restablecer los sistemas existentes esquemas de comunicación con versiones adecuadas modificadas de algoritmos con característica adicional de alimentación inalámbrica en el Redes convencionales de transferencia de información basadas en mmWave.
Algunas direcciones de investigación importantes en esta área de La investigación está explotando la formación de haces de energía distribuida para mejores ganancias de diversidad [31-33], optimización de la recepción potencia y potencia de transmisión simultáneamente optimizando ya sea el coeficiente de conmutación de tiempo o de división de potencia, utilice de RHEH en la alimentación de relés cooperativos con energía CSI requerimiento y optimización de la conversión de energía Eficiencia en el circuito EH. La retransmisión cooperativa [34,35] es Otra técnica potencial que se puede explorar en Redes de comunicación para reducir el problema de la pérdida de ruta. y mejorar la transferencia de energía y potencia. efectivamente. Para fortalecer las WPCN, se avanzó técnicas de criptografía [36] y redes robustas Las arquitecturas se pueden explotar para asegurar y mejorar. La comunicación de datos en un sensor alimentado sin cables. redes [36-37].
CONCLUSIÓN V
Un extenso estudio basado en la discusión sobre el desarrollo de Las investigaciones sobre WPCN inalámbricas son bastante efectivas. discutido de manera integral teniendo en cuenta tanto las redes de recolección de energía de RF (RF-EHN), es decir, Se consideran WPCN basados en microondas y ondas milimétricas. El estructura de RF-EHN con sistemas y receptores Arquitecturas, técnicas habilitantes y aplicaciones existentes. son considerados. Los antecedentes de la formación de haces de energía y su desarrollo sucesivo en los últimos años para WPT en La red de comunicación de microondas y mmWave es encuestados de manera efectiva. Finalmente, se brindan algunas ideas útiles. y discutido sobre las direcciones futuras y prácticas Desafíos enfrentados en la realización de RFEH eficiente. técnicas en redes de comunicación mmWave.
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