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摘 要：无线电力传输（WPT）的最初设想集中在长距离传输和大功率应用。然而，由于高功率应用，可实现的传输效率较低。随着连接设备的不断增加和能源消耗的巨大增长，替代性的无线信息和能量传输技术不仅对理论研究具有重要意义，而且对于节约运营成本和实现无线通信的可持续发展具有重要意义。针对这一点，无线通信系统中的射频能量收集（RF-EH）提出了一种新的模型，允许无线节点从射频信号中充电，而不是使用固定的电网和传统的能源。在该方法中，从环境电磁源或定向发射源获得射频能量。本文针对携能通信的发展及其应用做了分析。
关键词：无线通信;携能通信的发展;分析
一、射频信号收集
频射能量采集 [1]是通过将环境中的射频信号转换成能量的一种高效的无线电传输技术。与传统的能量收集技术不同，它能使传感器节点能够通过电磁辐射（如射频信号）给电池充电。与传统的基于环境能源的能量技术相比，射频能量收集技术更可靠、稳定。由于现实环境下能量源的不确定性，使用该技术得效果不如预期。因为，频射能量采集技术是用于特定于场景的。RF-EH技术使无线传感器网络、无线体域网和无线设备的无线充电系统等各种形式的实际应用得以实现。
二、携能通信
携能通信（Simultaneous wireless information and power transfer，SWIPT）是各种无线电传输技术技术中最近发展起来的一种技术，它能够同时进行信号传输额能量收集，然而，无线通信网络需要进行根本性的设计改变，以实现高效的SWIPT。接收可靠性和信息传输速率通常用于评估无线网络的性能。此外，一旦系统中的用户使用射频信号进行EH，信息速率和能量获取水平之间的权衡成为评估系统性能的重要因素。此外，智能天线技术在SWIPT MIMO和中继中的应用已得到考虑。这些智能天线技术的使用为进一步提高WPT的能效开辟了可能。
一般来说，在SWIPT系统中不可能对同一接收信号执行EH和ID操作，因为对RF信号的EH操作破坏了信号的信息。此外，由于能量收集有限，单个天线接收器可能无法实现可靠的能量供应。为了实现SWIPT系统可靠的能量供应，必须将接收信号分成两个，或者需要为EH和ID使用单独的天线。此外，为了能够给可靠设备产生足够的功率，需要集中或分布式天线阵列部署（MIMO、中继等）。
三、基于携能通信的新应用
本节中，将在不同的应用领域提供支持SWIPT的新兴技术。例如大规模MIMO、多用户MIMO、CR等。所有这些新兴技术结的相关信息在下面的文章中被涵盖。值得注意的是，所有这些SWIPT新兴技术都是在远场WPT中用于在通信系统内传输功率的。
（一）基于SWIPT的认知无线电
认知无线电（Cognitive Radio，CR）的初衷是通过感知周围的环境，做出决策，并充分利用有限资源。例如，CR网络包含的用户可以检测到频谱空洞。此外，CR还可以根据环境条件进行自适应的改变发射功率、工作频率、调制等工作参数。这种智能选择优化了可用射频频谱的使用，同时减少了对网络中其他用户的干扰。CR有两种不同的类型，基于光谱传感的CR和基于全协调的CR。基于完全协调的CR考虑了无线网络或节点在通信过程中可以感知的所有属性。基于频谱感知的CR用于识别射频频谱中的信道。CRN有三种主要的体系结构设计：基于基础设施的、自组织的和混合网络。使用现有的通信协议没有用于ad-hoc体系结构和设备通信的中心实体。CRN的混合体系结构是基础设施和ad-hoc体系结构的结合。
频谱感知、接入、管理和切换是CR实现高效智能动态频谱接入的四大功能，检测主用戶的活动是频谱感知的主要功能。由于网络中存在噪声和信道损伤的多个设备接收到的频谱特征复杂，频谱感知是SWIPT-enabled CRN中一个具有挑战性的问题[2]。此外，还需要一个优化的算法，该算法可以为信息传输和EH找到一个频谱机会。在CRN中，频谱接入的主要问题是如何提供对可用频谱的接入，同时公平、高效地共享可用频谱，保护主用户不受干扰。研究无线资源分配在信息和功率接收过程中的适用性是一个有趣的问题。通过执行信道选择算法，可以实现信息传输和RF-EH的高频谱利用率。
（二） 基于SWIPT的 MIMO系统
MIMO是近二十年来得到广泛研究的无线通信天线技术。它可以显著提高无线网络的可靠性和容量，因此在众多的无线网络中得到了广泛的应用。
在MIMO网络中，所有的用户节点都是能量有限的设备，需要不断的对电池进行充电解决节点的能量不足问题。EH由各个接收机通过网络中发射机的功率传输来执行。将SWIPT集成到MIMO无线网络中的大多数工作都假设有两组用户要被服务，一组用于接收信息，另一组用于接收能量以对其电源进行充电。
大规模MIMO通过连接到基站的天线提供了新的效率和吞吐量，将信号能量的接收和传输集中到小空间区域。另外，随着天线的增加，部分聚焦也会得到改善。将SWIPT和MWRNs与大规模MIMO相结合可以显著改善能量约束放大转发中继的性能和获得的能量之间的折衷[3]。SWIPT在支持MIMO的大规模无线网络中的使用有可能在能源效率方面获得实质性的提高。此外，它还适用于毫米波通信和异构网络的许多应用。
由于路径损耗，信号强度显著降低。因此，对于长距离功率传输而言，MIMO SWIPT系统的能量效率可能不如预期的那么高。为了克服这一瓶颈，需要更多的研究工作，将先进的绿色环保技术与MIMO资源分配相结合。另外，由于MIMO-SWIPT中存在信息泄漏的脆弱性，需要对其通信安全性进行更多的研究。
（三）基于SWIPT的D2D通信
D2D通信提供移动用户之间的直接通信，而不使用或部分使用网络基础设施。D2D通信提高了网络吞吐量、频谱效率，同时支持各种基于位置和点对点的应用和服务。它对提高网络容量和资源利用率具有重要作用。该技术的另一个特点是，通过使用中继节点可以显著提高覆盖率。中继节点增强了D2D网络性能。D2D通信的一个关键问题在于能效（EE），这是由于移动用户、移动应用程序和实时互联网流量的空前增长加剧了网络能耗，从而导致移动设备的电池快速耗尽。解决EE问题的一种有效相关的技术是SWIPT。SWIPT允许信号被传输到的设备收集能量。因此，在D2D通信中进行SWIPT使得D2D和蜂窝设备能够在数据传输过程中获得能量，这对于延长设备的待机时间和提高系统的EE非常有利。
由于发射机的能量限制，SWIPT与D2D通信的集成被认为是一个新的研究领域[4]。设备中充足能量的可用性对于确保D2D应用的功率需求非常重要。由于使用UER自身的功率来传输其他UE的数据，这种方法变得无效。
四、 总结
本文介绍了RF-EH和SWIPT相关概念。本文对射频能量收集和SWIPT进行了简要的描述，然后介绍了新兴的无线通信技术，如SWIPT-enabled-CR、MIMO、D2D通信。最后，我们指出了不同SWIPT支持的新兴通信技术的主要共同技术挑战。下一代无线通信的最大挑战是整合多种使能技术的频谱，以提供一种节能、高效、可靠的通信方式。
参考文献：
[1] 田龙，刘征，鞠家欣，等. 射频能量收集装置的研究进展[J]. 电子技术与软件工程， 2015， 000（013）：152-155.
[2] 鲍慧， 佘蕊， 赵伟. 基于SWIPT的双向中继CR-NOMA系统研究[J]. 华中科技大学学报， 2019.
[3] 陈恩民. 基于SWIPT的MIMO中继信道传输策略优化研究[D].
[4] Huang J ， Cui J， Xing C ， et al. Energy-Efficient SWIPT-Empowered D2D Mode Selection[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2020， PP（99）：1-1.
关键词：无线通信;携能通信的发展;分析
一、射频信号收集
频射能量采集 [1]是通过将环境中的射频信号转换成能量的一种高效的无线电传输技术。与传统的能量收集技术不同，它能使传感器节点能够通过电磁辐射（如射频信号）给电池充电。与传统的基于环境能源的能量技术相比，射频能量收集技术更可靠、稳定。由于现实环境下能量源的不确定性，使用该技术得效果不如预期。因为，频射能量采集技术是用于特定于场景的。RF-EH技术使无线传感器网络、无线体域网和无线设备的无线充电系统等各种形式的实际应用得以实现。
二、携能通信
携能通信（Simultaneous wireless information and power transfer，SWIPT）是各种无线电传输技术技术中最近发展起来的一种技术，它能够同时进行信号传输额能量收集，然而，无线通信网络需要进行根本性的设计改变，以实现高效的SWIPT。接收可靠性和信息传输速率通常用于评估无线网络的性能。此外，一旦系统中的用户使用射频信号进行EH，信息速率和能量获取水平之间的权衡成为评估系统性能的重要因素。此外，智能天线技术在SWIPT MIMO和中继中的应用已得到考虑。这些智能天线技术的使用为进一步提高WPT的能效开辟了可能。
一般来说，在SWIPT系统中不可能对同一接收信号执行EH和ID操作，因为对RF信号的EH操作破坏了信号的信息。此外，由于能量收集有限，单个天线接收器可能无法实现可靠的能量供应。为了实现SWIPT系统可靠的能量供应，必须将接收信号分成两个，或者需要为EH和ID使用单独的天线。此外，为了能够给可靠设备产生足够的功率，需要集中或分布式天线阵列部署（MIMO、中继等）。
三、基于携能通信的新应用
本节中，将在不同的应用领域提供支持SWIPT的新兴技术。例如大规模MIMO、多用户MIMO、CR等。所有这些新兴技术结的相关信息在下面的文章中被涵盖。值得注意的是，所有这些SWIPT新兴技术都是在远场WPT中用于在通信系统内传输功率的。
（一）基于SWIPT的认知无线电
认知无线电（Cognitive Radio，CR）的初衷是通过感知周围的环境，做出决策，并充分利用有限资源。例如，CR网络包含的用户可以检测到频谱空洞。此外，CR还可以根据环境条件进行自适应的改变发射功率、工作频率、调制等工作参数。这种智能选择优化了可用射频频谱的使用，同时减少了对网络中其他用户的干扰。CR有两种不同的类型，基于光谱传感的CR和基于全协调的CR。基于完全协调的CR考虑了无线网络或节点在通信过程中可以感知的所有属性。基于频谱感知的CR用于识别射频频谱中的信道。CRN有三种主要的体系结构设计：基于基础设施的、自组织的和混合网络。使用现有的通信协议没有用于ad-hoc体系结构和设备通信的中心实体。CRN的混合体系结构是基础设施和ad-hoc体系结构的结合。
频谱感知、接入、管理和切换是CR实现高效智能动态频谱接入的四大功能，检测主用戶的活动是频谱感知的主要功能。由于网络中存在噪声和信道损伤的多个设备接收到的频谱特征复杂，频谱感知是SWIPT-enabled CRN中一个具有挑战性的问题[2]。此外，还需要一个优化的算法，该算法可以为信息传输和EH找到一个频谱机会。在CRN中，频谱接入的主要问题是如何提供对可用频谱的接入，同时公平、高效地共享可用频谱，保护主用户不受干扰。研究无线资源分配在信息和功率接收过程中的适用性是一个有趣的问题。通过执行信道选择算法，可以实现信息传输和RF-EH的高频谱利用率。
（二） 基于SWIPT的 MIMO系统
MIMO是近二十年来得到广泛研究的无线通信天线技术。它可以显著提高无线网络的可靠性和容量，因此在众多的无线网络中得到了广泛的应用。
在MIMO网络中，所有的用户节点都是能量有限的设备，需要不断的对电池进行充电解决节点的能量不足问题。EH由各个接收机通过网络中发射机的功率传输来执行。将SWIPT集成到MIMO无线网络中的大多数工作都假设有两组用户要被服务，一组用于接收信息，另一组用于接收能量以对其电源进行充电。
大规模MIMO通过连接到基站的天线提供了新的效率和吞吐量，将信号能量的接收和传输集中到小空间区域。另外，随着天线的增加，部分聚焦也会得到改善。将SWIPT和MWRNs与大规模MIMO相结合可以显著改善能量约束放大转发中继的性能和获得的能量之间的折衷[3]。SWIPT在支持MIMO的大规模无线网络中的使用有可能在能源效率方面获得实质性的提高。此外，它还适用于毫米波通信和异构网络的许多应用。
由于路径损耗，信号强度显著降低。因此，对于长距离功率传输而言，MIMO SWIPT系统的能量效率可能不如预期的那么高。为了克服这一瓶颈，需要更多的研究工作，将先进的绿色环保技术与MIMO资源分配相结合。另外，由于MIMO-SWIPT中存在信息泄漏的脆弱性，需要对其通信安全性进行更多的研究。
（三）基于SWIPT的D2D通信
D2D通信提供移动用户之间的直接通信，而不使用或部分使用网络基础设施。D2D通信提高了网络吞吐量、频谱效率，同时支持各种基于位置和点对点的应用和服务。它对提高网络容量和资源利用率具有重要作用。该技术的另一个特点是，通过使用中继节点可以显著提高覆盖率。中继节点增强了D2D网络性能。D2D通信的一个关键问题在于能效（EE），这是由于移动用户、移动应用程序和实时互联网流量的空前增长加剧了网络能耗，从而导致移动设备的电池快速耗尽。解决EE问题的一种有效相关的技术是SWIPT。SWIPT允许信号被传输到的设备收集能量。因此，在D2D通信中进行SWIPT使得D2D和蜂窝设备能够在数据传输过程中获得能量，这对于延长设备的待机时间和提高系统的EE非常有利。
由于发射机的能量限制，SWIPT与D2D通信的集成被认为是一个新的研究领域[4]。设备中充足能量的可用性对于确保D2D应用的功率需求非常重要。由于使用UER自身的功率来传输其他UE的数据，这种方法变得无效。
四、 总结
本文介绍了RF-EH和SWIPT相关概念。本文对射频能量收集和SWIPT进行了简要的描述，然后介绍了新兴的无线通信技术，如SWIPT-enabled-CR、MIMO、D2D通信。最后，我们指出了不同SWIPT支持的新兴通信技术的主要共同技术挑战。下一代无线通信的最大挑战是整合多种使能技术的频谱，以提供一种节能、高效、可靠的通信方式。
参考文献：
[1] 田龙，刘征，鞠家欣，等. 射频能量收集装置的研究进展[J]. 电子技术与软件工程， 2015， 000（013）：152-155.
[2] 鲍慧， 佘蕊， 赵伟. 基于SWIPT的双向中继CR-NOMA系统研究[J]. 华中科技大学学报， 2019.
[3] 陈恩民. 基于SWIPT的MIMO中继信道传输策略优化研究[D].
[4] Huang J ， Cui J， Xing C ， et al. Energy-Efficient SWIPT-Empowered D2D Mode Selection[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2020， PP（99）：1-1.