基于超声波的无线携能通信研究

时锦程，曹自平，邢莉颖

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)

基于超声波的无线携能通信研究

时锦程，曹自平，邢莉颖

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)

无线携能通信是将无线能量传输与无线信息传输相结合的产物。近年来，以无线电波作为媒介的携能通信研究十分火热，而以超声波作为媒介的方式却没有得到足够关注。从超声波的传能机制出发，提出超声波换能器的设计要求；从超声波的通信机制出发，研究超声波通信的调制方式及信道特性；从功率分配角度出发，建立了速率-能量折衷模型，提出了适用于不同应用场景的动态功率分配算法，建立了基于超声波的无线携能通信系统模型。

无线携能通信；超声波；能量调制；动态功率分配；换能器

0 引言

超声波是频率超过20 kHz的声波，方向性好，穿透力强，能量集中，且较低功率的超声波对人体无害[1]。此外，超声波通信在空气、水下、井下、输油管道、金属密闭容器壁[2]等复杂信道中通信都有巨大的应用价值。值得一提的是，在体域网(BSN)通信中，传统的无线电波虽然具有延时低、速率高、抗干扰性强、传播距离远等适宜通信的特性，但电磁辐射是其不可避免的缺憾。而作为需要长时间接触人体的BSN，采用无线电通信的方式势必会对人体造成潜在的损害。超声波作为一种广泛研究的、可以替代无线电的介质，其作为一种新型的信息传递介质，到目前为止未发现其负面作用[3]。

目前无线电能传输主要有电磁感应、电磁共振、激光和微波三种方式，而对超声波传能的研究相对较少。日本学者ISHIYAMA T等人论述了利用超声波为低功率移动设备无线充电的方法[4]，国内学者研究在密闭环境下利用超声波给电子设备定期充电[5]。2011年，东南大学也进行了基于超声波的无线电能传输的研究，通过理论和实验证明了其可行性[6]。

无线携能通信机制是通信技术与输电技术交叉融合的一个前沿方向。VARSHNEY LR最先提出了携能通信的概念[7]。由于无线电波可以同时承载信息和能量，利用相同的频谱并行传输信息与能量，从而充分利用宝贵的能量资源和频谱资源。2015年，南京邮电大学公开了一种高速无线携能通信系统，该发明提高了无线携能通信装置的可靠性，容易在全范围内实现零电压开关，电磁干扰也较低[8]。超声波无线携能通信技术就是将传统的基于电磁波的无线携能通信技术运用到超声通信中，即以超声波为媒介实现信息和能量的并行传输。

1 系统架构

1.1 声波方程

与电磁波作为横波不同，声波在各种弹性介质中属于机械波，是一种纵波，质点振动方向同轴于传播方向。声场中一点的声压是随时间变化的，在许多情况下声压在一段时间内按照时间的正弦函数变化，作稳态的简谐振荡：

p=pAcos(2πft+φ0)

(1)

式中p称为瞬时声压，幅度pA称为峰值声压。

声波随着传播距离增加，其携带的能量逐渐衰减，衰减程度与扩散、散射及吸收等因素有密切相关。在理想均匀介质中，声能衰减因素仅考虑扩散，即能量随传播距离增加而减弱。质点的声压、声强随其离声源的距离呈指数衰减：

Ps=P0e-αs

(2)

Is=I0e-2αs

(3)

式中：Ps、Is分别表示距声源s处介质的声压和声强，则Ps、Is分别表示声源处介质的声压和声强；s表示声波与声源间的距离；α表示衰减系数。

1.2 系统模型

超声波无线携能通信系统由两大部分组成：控制主机和感应节点。控制主机主要由信令输入端、编码调制器、超声波发生器以及扬声器组成，输入的信令通过编码调制器转换为幅度、相位、频率等电信号参数，继而转换成对应的超声波通过扬声器向外辐射；感应节点主要由麦克风、功率分配器、解调解码器、能量转换电路、接口电路、可充电电池(电容)、电源监测控制模块以及传感器组成，麦克风接收到声波后，功率分配器将其按特定比例分割成信号部分和能量部分，能量部分经过收集处理作为感应节点的电源，信号部分经过解调解码变为信令传递给传感器，进而进行数据采集、数据处理、数据发送等工作。图1为超声波无线携能通信系统的系统架构图。

图1 一种超声波无线携能通信系统的系统架构图

1.3 换能器的设计要求

1.3.1 对频率特性的要求

一方面，换能器的频带宽度与其谐振频率成正比，谐振频率越高，频带越宽。另一方面，谐振频率越高，超声吸收和衰减越厉害，能量转换效率越低。保证频带够宽要求谐振频率够越高越好；保证效率要求谐振频率越低越好。两者折衷，选用40 kHz左右的声波较为合适。

1.3.2 对阻抗特性的要求

超声波换能器的声辐射阻抗特性直接影响着换能器的效率[9]。当换能器振膜辐射声音时，振膜会收到介质声压的反作用，会对振膜的震动产生抑制作用。反作用力与振动速度之比称为辐射阻抗，代表抑制程度，用于设计换能器的压电材料声阻抗越小越好(如PVDF膜)，或者加入声阻抗匹配层。

1.3.3 对指向特性的要求

指向性用来描述换能器将声波辐射到空间中不同方向的性质。在换能器阵列中，指向角决定了单个换能器之间的最小间距，是阵列设计中的重要参数。

1.3.4 对其他特性的要求

换能器特性要求还包括：较高的电声转换效率，强大的信号输出能力，传播距离较长的能力。

2 通信模型

2.1 调制方式的优劣性比较[10]

幅移键控：把频率、相位作为常量，把振幅作为变量，信息比特通过载波的幅度来传递，接收端使用包络检波器解调。对超声波来说，由于幅度衰落远小于电磁波，衰减率大约是电磁波的千分之一，可以使用该方式解调。考虑到接收端容易受介质(空气、水流)的噪声扰动，距离较远时可能出现误码。

频移键控：用数字信号去调制载波的频率，具有良好的抗噪、抗衰减性能。对声波来说，由于发射端和接收端有着固定的共振频率，考虑到能量的接收频率，只能在共振频率附近调制，信道带宽受限，数据传输速率也将受到影响。

相移键控：用数字信号去调制载波的相位，具有较好的误码率性能。但由于声波传播速度慢，接收端容易产生相位模糊，只能使用相干法解调，解调成本较高。

在超声波数字通信中，考虑到系统的复杂度及所获得收益，目前使用较多的是开关键控(OOK)调制和的二进制差分相移键控(2DPSK)调制[11]。OOK通过码元周期内超声波幅度的大小变化传递信息，原理简单，性能优越；2DPSK利用前后相邻码元的相对相位值传递比特信息，用差分相干解调法解调。

能量调制是针对超声波无线携能传输而提出的新型调制方式。如果传输到接收机的平均功率高于一个特定目标值，可以通过信号功率级变化进行信息编码，从而在不降低能量传输效率前提下完成不间断的信息传输。为了使接收机解码能量调制的信息，需要通过运用诸如能量检测等技术在接收端进行特定精度的功率变化检测。

2.2 信道模型

2.2.1 加性高斯白噪声信道

由式(1)可知，单频率声波的瞬时声压随时间呈正弦变化，假设其频率f=40 kHz,初始相位φ0=0，归一化pA，则p=cos(2π*40 000*t)，假设在此信号商叠加功率为-20 dBW的高斯白噪声，仿真结果如图2所示。

图2 频率40 kHz超声波的加性高斯白噪声信道模型

由式(2)、式(3)可知，声压及声强随其离声源的距离成指数衰减。假设衰减指数α=0.1，归一化声源处质点声压及声强，仿真结果如图3、图4所示。

图3 声压/声强随离声源距离的衰减规律(α=0.1)

图4 声波信号随离声源距离的衰减规律(α=0.1)

由图4可知，当衰减系数α=0.1时，距离声源约7 m处为超声波信号传递的-3 dB点，此时声压降为声源处的1/2，能量降为声源处的1/4。

2.2.2 多径衰落信道

在无线信道中，发射机和接收天线之间往往存在多条信号传播路径。多径是由建筑物等物体的反射、绕射、散射等引起的。当信号在无线信道传播时，由于多径反射和衰减，信号将经历随机波动。

假设一个模拟多径信道的场景(两径)，如图5所示。

图5 多径信道的模拟

假设在平坦空地的一端安装了一个固定的超声波基站，在另一端有一面完全反射声波的岩壁，基站距反射壁的距离为d。移动台距离基站初始距离为r。基站发射一个频率为f的单色声波信号，另一径是从反射壁反射过来的信号。

(4)

假定pA=1，r=3，d=10，c=340，α=0.1，仿真结果如图6所示。可知，即便移动台静止，由于存在反射径，接收到的合成信号峰值要小于直射径的信号。

图6 α=0.1，r=3时的直射信号、反射信号与合成信号

根据计算[12]，在r=3，d=10时，超声波的相干带宽仅为24 Hz，而用于通信的声波信号带宽必然远大于这一数值，因此会发生频率选择性衰落。

3 功率分配

3.1 无线携能通信vs无线能量通信

无线能量传输可以分为两种传输机制：一种是无线携能通信机制和无线能量通信机制。无线携能通信机制利用动态功率分配(DPS)方式将接收到的超声波承载的能量按照一定比例分配成两部分：用于能量收集的部分和用于信息解调的部分，从而实现在接收端同时接收信息和能量。另一种是无线能量通信机制，首先处于非激活状态的终端接收无线信号，将其中的功率全部作为无线能量存储在电池中，然后利用无线能量存储的电能发送信息[13]。

3.2 速率-能量折衷

3.3 功率分配原则

超声波传输能量的效率可在低频窄带链路上发生频率共振时最大化，而数据通信则需要较大的带宽以及较高的工作频率。在无线携能通信系统中，需要根据不同的应用场景使用不同的功率分配方案，以便获得传能和通信性能的最佳折衷[14]。在能量高需求但对数据传输速率低需求的应用场景中，功率分配应尽量向能量供给倾斜，但需要保证数据通信的可靠性和安全性；在间歇性突发高速数据流应用场景中，如定时发送数据的水下温度感知节点，可根据其数据发送周期、单次发送耗电量等参数精确计算其维持系统正常运行所需要的能量，功率分配应向通信倾斜，以获得数据速率最大化。

4 结论

本文提出了超声波无线携能通信的系统架构，结合声波特性论述了超声波换能器的设计要求，对超声波携能通信进行了信道分析，针对传输信息速率和传输能量间的折衷问题建立了数学模型，最后根据不同的应用场景提出了相应的动态功率分配方案。超声波无线携能通信可以满足一些特殊场合的供电和通信需求，例如植入式医疗器械以及水下传感器等。在以后的科研工作中会展开更深入的工作，如电路设计及制作，以解决其实际应用问题。

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Study of ultrasonic simultaneous wireless information and power transfer

Shi Jincheng, Cao Ziping, Xing Liying

(School of Communication and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

Simultaneous wireless information and power transfer is the combination product of wireless power transfer and wireless information transfer. The RF-based SWIPT system has been extensively researched by the scholars both home and abroad in recent years. By contrast, the ultrasonic SWIPT system does not get enough attention. In terms of the working mechanism of ultrasonic WPT, several hardware design requirements are put forward; according to the working mechanism of ultrasonic WIT, modulation modes and channel characteristics are researched; from the aspect of power splitting, rate-energy trade-off is modeled and the Dynamic Power Splitting (DPS) algorithm is proposed to adapt to different application scenarios.

simultaneous wireless information and power transfer; ultrasonic wave; energy modulation; dynamic power splitting; transducer

TN914

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.16.022

时锦程，曹自平，邢莉颖.基于超声波的无线携能通信研究[J].微型机与应用，2017,36(16)：78-81.

2017-02-22)

时锦程(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向：超声波携能通信、无线能量采集技术。

曹自平(1974-)，男，博士，教授，主要研究方向：环境能量采集、绿色通信。