文档介绍：无线数据与能量协同传输技术：编码与调制设计
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［7］。
（5）能量管理电路可以起到升压和稳压的作用， 以保证用电设备的稳定工作。能量管理电路也可以有 效减缓能量存储单元的放电现象，保证能量的存储效 率［8］。
为有效提升整条无线射频能量传输链路的传输效 率，需要对上述各个模块的传能效率进行联合设计和 优化。
工业界当前已在无线射频能量传输技术的商用化
上取得了进展。Energous GHz射 m范围内的无线射 频充能，能量发射机的发射功率至少为16 W ；OSSIA Costa公司开发的射频能量发射机利用阵列天线技术 GHz频段发射定向能量波束，其充电范围可达 9 m。Powercast公司提供了 一
？N低功耗射频能量发 射设备，在915 MHz频段以3 W的射频发射功率可 在3 m的范围内对鼠标、键盘等用电设备进行充电， 并在18〜24 m的范围内对小型传感器设备进行充电。 也就是说，无线射频传能正在走向实践。
3全新的数能编码与调制机制
由于同时竞争有限的码字和空口资源，工作在同 —射频频段的无线数据传输和WPT会对彼此的性能 产生损害。为实现无线数能的协作传输，需要突破传
统的信息与通信理论建立起一套全新的数能编码与调 制的相关机制。
编码器将信源产生的消息转化为由二进制比特串 构成的码字，使得其可在数字通信系统中进行传输。 由二进制符号组成的码字结构可以影响码字的通信性 能和传能性能。不同的二进制比特或二进制比特串会 被数字调制器映射为不同的符号进行传输。如果采用 相移键控等恒包络调制方案，不同比特串形成的符号 会产生携带能量相同的符号。在这种情况下，码字结 构不会影响其传能性能。如果采用脉冲振幅调制或正 交振幅调制等变包络调制方案，那么不同比特串形成 携带不同能量的符号。因此控制编码器产生的码字结 构，或者控制编码器发出某一具体码字的概率，即可 实现对无线能量传输的控制。如果采用最简单的二进
制启闭键控（OOK ）调制方式，码字中的二进制比特
1携带能量而比特0不携带能量。因此调整码字中比
特1和比特0的数量即可以改变该码字的携能性能， 如图2所示。 在传统信息论研究中，通过优化
信源一侧码字的发射概率可以实现信源和信宿之间的 平均互信息量的最大化，从而得到某一具体信道的信 息传输极限性能；但为了满足码字传输能量的约束， 编码器必需调整信源发出码字的概率。如果码字概率 的最优性被破坏，必然使得信息的传输性能下降。当 信源编码器只产生全
1码字时如采用启闭键控调制， 码字会携带最多的能量，但相对应的信息传输能力为 0。因此，从信息论角度出发，可以看到码字的信息传 输能力和能量传输能力之间存在制约关系。
通常情况下，传统的信息编码器产生等概率的二 进制比特，从而最大化码字的信息传输能力。但是单
一的码字结构极大地制约了码字的能量传输能力，并 不能满足接收机多样化的能量需求。如下的编码器可 以实现对码字结构的灵活调整［10］：
（1） 补偿性能量编码。不携带任何信息的伪比特 可以直接链接在信息比特之后使得生成的码字具备能 满足某一具体能量需求的结构。这种编码器的编解码 方案具备最低的复杂度；但不携带任何信息的伪比特 只起到能量补充的作用，会显著降低信息传输的有效 性。
（2） 逆信源编码。典型的信源编码器将不等概率 发送的原始信源消息编成0/1比特等概率出现的二进 制比特序列。相反，逆信源编码可将等概率发出的原 始信源消息编成0/1比特非等概率出现的二进制比特 序列，从而满足序列的无线能量传输需求。但是编码 器和解码器之间的异步情形极大地影响接收端解码的
有效性。
(3 )约束编码。一些约束编码技术具备改变码字 结构的自由度，可以实现对无线能量传输的灵活控制。 由于该种编码技术并不引入不携带信息的伪比特，因 此其信息传输的有效性并不会受到影响。另外，高效 的符号级别网格算法可以用于约束编码的相关解码过 程，使得其可以在数能编码领域进行广泛应用。典型 的约束编码技术包括游程编码以及一元编码。
在无线数能编码方案的设计中，还可进一步以接 收机电池的能量存储状态作为设计依据［11］。在无线 充能的过程中，一方面为了防止能量的浪费，需要尽 可能减小电池中能量的溢出概率；另一方面为了保证 接收机的正常工作，需要保证电池中保留的能量要高 于最低需求，并尽可能减小电池中能量不足的概率。