能量收集通信系统中功率和调制方式的在线联合优化策略

针对源节点配备能量收集装置的点对点能量收集无线通信系统,该文以最大化长期平均传输速率为目标,提出一种基于Lyapunov优化框架的在线功率控制和自适应调制联合优化策略。由于能量到达和信道状态的随机性,优化问题是一个随机优化问题。利用Lyapunov优化框架将电池操作和可用能量约束下的长期时间优化问题转化为每时隙以虚队列“漂移加惩罚”最小化为目标的发送功率、调制方式和帧长的联合优化问题,并求解。该算法仅依赖当前的电池状态和信道状态信息做出决策,计算复杂度低,实用性强。仿真结果显示,所提算法通过联合优化发送功率、调制方式和帧长,能够高效地利用收集的能量,适应信道变化,长期平均实际可达的信息传输速率要明显优于贪婪和半功率算法,即使相比较以信道容量最大化为目标的离线注水算法和其他对比算法,在实际可达的信息传输速率上也有优势。     

能量收集通信系统中发送功率与传输速率的在线控制算法

该文针对发送端由能量收集(EH)设备供电的无线通信系统,研究在能量收集和信道状态先验信息未知的条件下,以最大化实际可达传输速率为目标的发送功率、调制方式和信道编码码率的联合优化问题。基于Lyapunov优化框架,将能量使用的长期约束转换为能量虚队列的稳定性要求,将能量使用约束下的长期时间平均实际可达传输速率最大化问题转化为单时隙的、仅依赖于当前信道状态和电池状态的“漂移加惩罚”项上界的最小化问题。优化问题通过一个高效的数值方法求解。另外还给出了基于滑动窗口的K-means聚类方法的“漂移加惩罚”中权重和电池电量虚队列偏移量两个参数的自适应调整算法。在不同能量到达随机模型下与对比算法进行了性能的仿真对比,结果表明,该文所提算法在各种能量到达模型下都能获得更高的长期平均实际可达传输速率。另外,通过与参数固定为最优情况下算法性能的对比,证明参数自适应调整算法正确、有效。     

一种多源能量收集电源管理芯片

采用高压0.6μm CMOS工艺,设计了一种可以同时对压电、光电进行高效收集的多源能量收集电源管理芯片。该收集芯片由光电接口电路、压电接口电路和DC-DC电路等单元构成。光电接口电路中采用全局最大功率追踪电路,减少了阴影对太阳能板收集光能的影响,提高了最大功率追踪效率。DC-DC电路中,采用导通时间可调、频率可调的控制模式,在更宽的输入功率范围内实现更高效率的同时保持输出端较小的电压纹波。仿真结果表明,该收集芯片的整体平均动态电流为7.6μA,能量转换效率最高为91.2%。版图尺寸为9 623μm×3 655μm。     

能量收集中继安全传输网络的在线功率控制算法

针对源节点和中继节点均采用收集能量供电的放大转发中继网络,考虑两个目的节点之间信息相互保密的场景,该文提出最大化长期时间平均保密速率的源节点和中继节点发送功率联合优化算法。由于能量到达和信道状态是随机过程,该问题是一个随机优化问题。利用Lyapunov优化框架将电池操作和能量使用约束下的长期优化问题转化为每时隙的“虚队列漂移加惩罚”最小化问题,并求解。仿真结果显示该文提出的算法在长期平均保密速率上相较于对比算法具有显著的优势,同时算法仅依赖于当前的电池状态和信道状态信息做出决策,是一种实用的、低复杂度的算法。     

智能反射表面辅助无线能量传输的保密率最大化算法

为了减少窃听者对合法接收者的信息接收影响和窃听者的有用信息接收量,该文研究利用智能反射表面(IRS)来实现无线供电通信网络(WPCN) 中窃听端处的波束抵消。首先在传输能量的同时进行窃听检测,IRS根据合法用户的能量状态选择是否采取防窃听模式,然后在存在窃听的情况下,研究了窃听信道完美和不完美状态下系统的保密率最大化问题。分析表明,这一最大化问题是相移、功率分配、时间分配的多变量耦合非凸问题,可以采用分步优化、变量替换和S-Lemma等方法进行求解。仿真结果表明,与基准算法相比,所提算法提升了保密率,当智能反射表面元件数为80时保密率提升了44%,发射功率为40 dBm时保密率提升了34%。     

Efficient Maximum Power Tracking of Energy Harvesting Using a μController for Power Savings

This letter describes an efficient technique for maximum power point tracking (MPPT) of an energy harvesting device. It is based on controlling the device voltage at the point of maximum power. Using a microcontroller with a power saving technique, the MPPT algorithm maintains the maximum power with low power consumption. An experiment shows that the algorithm maximizes the energy transfer power using an energy management IC fabricated in a 0.18‐μm process. Compared to direct energy transfer to a battery, the proposed technique is more efficient for low‐energy harvesting under variable conditions.     

MAC Protocols for Energy Harvesting Wireless Sensor Networks: Survey

Energy harvesting (EH) technology in the field of wireless sensor networks (WSNs) is gaining increasing popularity through removing the burden of having to replace/recharge depleted energy sources by energy harvester devices. EH provides an alternative source of energy from the surrounding environment; therefore, by exploiting the EH process, WSNs can achieve a perpetual lifetime. In view of this, emphasis is being placed on the design of new medium access control (MAC) protocols that aim to maximize the lifetime of WSNs by using the maximum possible amount of harvested energy instead of saving any residual energy, given that the rate of energy harvested is greater than that which is consumed. Various MAC protocols with the objective of exploiting ambient energy have been proposed for energy‐harvesting WSNs (EH‐WSNs). In this paper, first, the fundamental properties of EH‐WSN architecture are outlined. Then, several MAC protocols proposed for EH‐WSNs are presented, describing their operating principles and underlying features. To give an insight into future research directions, open research issues (key ideas) with respect to design trade‐offs are discussed at the end of this paper.     

能量收集型高斯窃听信道安全速率的优化

针对无线网络存在安全威胁和能量受限的问题,该文研究了基于ST(Save-then-Transmit)协议的能量收集型高斯窃听信道的安全通信。首先,对系统安全速率最大化进行研究;其次,为进一步提高系统安全速率,给出了协作抗干扰方案,并讨论了该方案提高安全速率的充分必要条件,且提出了该方案下安全速率的迭代优化算法;最后,给出了一种复杂度低的单辅助端的选择方案。仿真结果表明,第1种优化方案明显提高了系统的安全速率;第2种协作抗干扰方案可进一步提高系统的安全速率且收敛速度较快;当原能量收集型高斯窃听信道不能进行安全通信时,协作抗干扰方案可在一定条件下实现安全传输。     

无线传感器网络能量收集技术分析

对无线传感器网络节点的能量供应及其管理技术的现状进行了讨论。分析研究了无线传感器网络节点的能量收集原理、技术与方法,认为无线传感器网络节点能量管理应从节能与供能两方面去解决。对环境中存在的各种能源的收集原理与方法进行了分析,这些能源包括太阳能、风能、声能、振动、热电以及电磁场能等。最后提出了传感器节点应该采用尽可能多的方法从环境中吸取能量,以确保传感器节点能够长期、稳定、可靠地工作。     

无线传感器网络能量收集技术分析

对无线传感器网络节点的能量供应及其管理技术的现状进行了讨论。分析研究了无线传感器网络节点的能量收集原理、技术与方法，认为无线传感器网络节点能量管理应从节能与供能两方面去解决。对环境中存在的各种能源的收集原理与方法进行了分析，这些能源包括太阳能、风能、声能、振动、热电以及电磁场能等。最后提出了传感器节点应该采用尽可能多的方法从环境中吸取能量，以确保传感器节点能够长期、稳定、可靠地工作。     

基于智能反射面辅助的无线供电通信网络鲁棒能效最大化算法

为了解决能量收集效率易受到障碍物阻挡和信道不确定性影响的问题,该文提出一种基于智能反射面(IRS)辅助的无线供电通信网络鲁棒能效(EE)最大化算法。首先,考虑最小收集能量、IRS相移、最小吞吐量等约束,基于有界信道不确定性,建立一个联合优化能量波束、相移、传输时间的多变量耦合非线性资源分配模型。然后,利用最坏准则、变量替换和S-Procedure等方法,将原非凸问题转换为确定性凸优化问题,同时,提出一种基于迭代的鲁棒能效最大化算法进行求解。仿真结果表明,与现有算法比较,该文算法具有较好的能效和鲁棒性。     

一种高效压电能量收集与管理电路

根据压电元件的特性提出一种压电能量收集与管理电路。它包括一个基于电感的并联同步开关收集电路( P-SSHI )、一个控制电路和一个DC-DC电路。该P-SSHI电路只需要两个开关,仿真的结果显示其收集的能量相比传统的AC-DC电路提高5倍以上;DC-DC电路工作在电流断续模式下(DCM),这有利于降低功耗,提高轻载效率,且仿真结果的输出电压为3.3 V,电压精度为0.02%。这种压电能量收集与管理电路能够为微功率设备提供稳压。     

Energy autonomous sensor systems: Towards a ubiquitous sensor technology

Energy efficiency of electronic systems has emerged as one of the most important trends in integrated circuits research in recent years. The results of this continued effort are visible in all kinds of electronic functions: DSPs (reaching the 10 μW/MMAC according Gene's law), data converters (the FOM of recent ADCs is approaching 15 fJ/conversion step [1] (Liu et al., 2010)), power converters (reaching unprecedented efficiencies in ultra-low-power regime) and radios (achieving an energy budget lower than 1 nJ per received-transmitted bit [2] and [3] (Daly et al., 2010; Mercier et al., 2008)).Exploiting this continuously improving energy efficiency, the progressing battery technology and advances in energy harvesting, miniaturized electronic sensors that do not need to be recharged for their whole operational life and can communicate among them to build up an energy-autonomous system are possible nowadays.A working group has been set up by CATRENE¹ to study the state and the development of these “energy autonomous systems”. This paper summarizes the findings of the working group, expanding and updating in this special issue of the Microelectronics Journal on IWASI09 the report written for the proceedings of the workshop [4] (Belleville et al., 2008).     

IT设备电源供应器性能对数据中心能耗的影响

对IT设备电源供应器性能对数据中心能耗的影响进行了分析,简要叙述了高效率及高功率因数电源供应器的实现技术,介绍了“80PLUS”认证及等级,提出了数据中心运营过程中对电源供应器性能要求的思考。     

能量收集系统中基于能量协同和协同干扰的保密传输方案

研究节点具备能量收集能力的中继窃听信道保密速率的优化问题,提出一种基于人工噪声协同干扰和节点间能量协同的物理层安全传输策略.各节点采用储能-发送模式工作,即先收集能量,再用于数据传输.中继节点采用放大转发方式,目的节点发送人工噪声进行协同干扰.由于中继节点所需功耗较高,目的节点将用于发送干扰之外的剩余能量转移给中继节点.给出以最大化保密速率为目标函数,优化能量吸收时间比例系数和干扰功率分配因子的两步优化算法.仿真结果表明人工噪声和能量协同的引入能有效提高系统的保密传输速率.     

电力企业数据资产管理平台功能研究

信息和数据是智能电网建设实现电网资产高效利用和全寿命周期管理、电力用户与电网之间的便捷互动等目标的基础,公司运营分析和有效管理的核心资源,将数据进行资产化并进行有效管理,是后续数据分析、挖掘的基础,通过数据的分析挖掘可有效发现公司生产、运行及管理过程规律,提高企业数据共享交换范围和效率,为真正满足智能电网建设和发展奠定坚实的数据基础、为公司做出有效决策提供有利依据.数据资产管理平台功能方面主要包括数据资产管理需涉及的数据架构、数据生命周期管理、数据模型、数据标准管理、数据质量管理、主数据管理、元数据管理和数据安全管理等功能,为实现公司未来数据资产管理平台建设提供有力支撑.     

适用于环境能量俘获的高效率电源管理电路

设计了一种适用于环境振动能量俘获系统的高效率电源管理电路。电路采用了最大功率点跟踪(MPPT)技术,以解决环境振动能量不稳定和经换能器换能后的输出功率负载依赖性强的问题。针对MPPT工作过程中电压调整阶段功率损耗过大的问题,提出了高频开关控制的类Buck结构拓扑,以减小电压调整阶段的开关损耗,进一步提高了系统效率,并可实现预稳压,为后级电源管理电路减轻负担。电路采用0.18μm CMOS工艺设计,仿真结果表明,随着振动环境及负载的变化,最大功率点跟踪效率始终维持在98.55%～99.45%,系统效率提高至94.2%。     

能量收集无线传感器网络中的排队分析

在能量收集无线传感器网络中，节点可充电电池的容量和缓存大小会直接影响系统性能。因此，正确理解电池容量和缓存大小对性能产生的影响，对节点的设计具有重要意义。然而现有文献通常把数据到达和能量到达简化成泊松过程，无法刻画传感器数据和能量到达均具有突发性的实际情况。为了准确刻画数据和能量的到达过程，采用两状态Markov调制的on-off流模型描述数据和能量的突发到达过程，利用虚拟队列刻画数据缓存的占用情况和能量状态之间的相关性，并对虚拟队列进行排队分析，得到丢包率和平均延迟的表达式。通过数值研究和仿真验证了不同数据缓冲区大小、电池大小对传感器性能的影响，并针对不同数据到达突发度提出了缓冲区大小和电池大小的设置建议。     

Triboelectric Nanogenerator Networks Integrated with Power Management Module for Water Wave Energy Harvesting

Ocean waves are one of the most promising renewable energy sources for large‐scope applications. Recently, triboelectric nanogenerator (TENG) network has been demonstrated to effectively harvest water wave energy possibly toward large‐scale blue energy. However, the absence of effective power management severely restricts the practicability of TENGs. In this work, a hexagonal TENG network consisting of spherical TENG units based on spring‐assisted multilayered structure, integrated with a power management module (PMM), is constructed for harvesting water wave energy. The output performance of the TENG network is found to be determined by water wave frequencies and amplitudes, as well as the wave type. Moreover, with the implemented PMM, the TENG network could output a steady and continuous direct current (DC) voltage on the load resistance, and the stored energy is dramatically improved by up to 96 times for charging a capacitor. The TENG network integrated with the PMM is also applied to effectively power a digital thermometer and a wireless transmitter. The thermometer can constantly measure the water temperature with the water wave motions, and the transmitter can send signals that enable an alarm to go off once every 10 s. This study extends the application of the power management module in the water wave energy harvesting.     

基于射频能量收集的无线中继网络资源分配

针对现有射频能量收集网络资源分配研究局限于单个数据源场景,无法适配于多数据源网络的问题,提出了一种适用于多数据源场景的射频能量收集中继网络传输协议框架,在该框架内节点可作为源节点或中继节点传输自身数据或转发数据,并在其他节点的数据传输过程中完成射频能量收集。以协议框架为基础,分别以系统吞吐量及用户公平性为优化目标设计两种资源分配方案。仿真表明,两种方案可有效改善网络吞吐量及资源分配公平性。