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[IEEE 2018国际柔性电子技术会议(IFETC) - 加拿大安大略省渥太华(2018年8月7日-2018年8月9日)] 2018国际柔性电子技术会议(IFETC) - 具有OND支持的休眠多传感器自维持6LoWPAN网络
摘要: IPv6低功耗无线个域网(6LoWPAN)是实现无线嵌入式系统的关键技术[2]。该链路具有高丢包率、低功耗、低比特率和短距离通信的特点。在此类约束条件下,许多节点通常通过长时间休眠来节省能耗。本文提出了一种面向IPv6设备自维持网络的新型部署策略,重点优化了支持节点休眠模式的无线传感器网络(WSN)通信协议栈。近期业界为物联网协议栈标准化付出了显著努力[3],该协议栈主要部署于流行的Contiki操作系统上。通过实施优化的邻居发现协议版本[4],协议栈功能得到增强。采用Contiki MAC无线电占空比协议可显著降低并改善网络节点的能耗。在我们的部署原型中,每个节点均配备可充电电池和小型太阳能板,在执行测量任务时同步采集环境光能。初步结果表明:相较于未优化协议栈的基础架构,所提出的节点架构与协议栈优化方案可实现15倍的节能效果。
关键词: Contiki、IEEE 802.15.4、邻居发现、6LoWPAN、能量收集
更新于2025-09-23 15:22:29
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能量收集无线通信 || 点对点能量收集信道的功率分配
摘要: 本章研究发射端与接收端均采用能量收集(EH)供电的点对点EH无线信道。在此设定下,我们首先通过时变自适应功率分配,在满足发射端能量收集约束(即任意时刻累积消耗能量不超过累积收集能量)的前提下,最大化各类系统效用指标(如端到端吞吐量与非中断概率)。针对不同信道状态信息(CSIT)与能量状态信息(ESIT)假设,我们探讨了相应的最优设计方案:例如在非因果CSIT与ESIT条件下,高斯信道的最优离线功率分配呈现非递减分段恒定(阶梯状)模式,而衰落信道的最优发射功率对应阶梯式注水算法分配;在因果ESIT与CSIT条件下,适用的在线优化策略包括基于动态规划及启发式设计的功率分配方法。同时我们指出了不同ESIT/CSIT情形下的若干开放性问题,例如因果CSIT与非因果/因果ESIT组合下的吞吐量最大化问题、无CSIT与非因果/因果ESIT组合下的中断概率最小化问题均未获一般性解决。此外,通过引入电池容量受限与电路非理想性等实际约束,我们将功率分配策略拓展至其他场景:在非因果CSIT/ESIT条件下,高斯信道的阶梯式分配与衰落信道的阶梯注水分配可经修正以适配新约束;存在电路非理想性时,EH发射端应采用开关式功率分配——通过休眠模式节能并在唤醒模式高效传输,从而权衡发射能耗与电路能耗。这些新型离线策略启发了仅依赖因果CSIT/ESIT的在线功率分配方法。最后我们讨论了发射端与接收端均采用EH供电时的功率分配问题,此时接收端能耗同样受EH约束。该场景下发射端与接收端需联合优化发射功率与码率(即控制接收端能耗)以提升端到端效用。值得注意的是,EH接收端情形在现有文献中研究较少,存在诸多值得未来探索的开放性问题(如因果CSIT/ESIT条件下的相关研究)。
关键词: 功率分配、中断概率最小化、电池容量、能量收集接收机、非理想电路、ESIT、无线通信、吞吐量最大化、CSIT、能量收集
更新于2025-09-23 15:22:29
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能量收集无线通信 || 下一代蜂窝网络中的能量收集
摘要: 为应对移动流量的爆炸式增长,下一代蜂窝网络除部署宏基站(MBS)外,还将增设更多小蜂窝基站(SBS)。由此形成的异构网络(HetNet)虽能提升容量,但密集部署的SBS也带来了更高能耗。实际上,由于无线业务负载的动态变化,许多基站因功率放大器等组件几乎始终以峰值功率运行,即便处于轻载状态。这些基站又因覆盖需求难以关闭。针对该问题,本章提出超蜂窝网络(HCN)新架构,其核心思想是将控制信令功能与数据传输功能解耦,使数据覆盖能更灵活地匹配业务动态。在HCN中,SBS仅用于高速率数据传输,而MBS保障网络覆盖并提供低速率服务,因此可放心关闭SBS节能而不影响用户覆盖。为此,其本质是通过可再生能源进一步为SBS供电以减少电网消耗。但由于可再生能源的随机性,管理无线资源及能量收集(EH)基站的开关状态具有挑战性,在HCN中更为复杂:首先,不同类型SBS可能配置各异能源,导致空间上能量到达统计不均;其次,业务负载在不同基站层级间分布不均,且与时空域的能量到达不匹配。因此,在第四章技术基础上,HCN通过联合优化SBS工作状态与用户业务分流,实现随机能量到达与时空业务负载变化的动态匹配。虽然业务分流在电网供电蜂窝网络中已有研究,但传统方法未考虑基站能量状态故不可直接应用,需设计能量感知的分流方案——现有方案分别针对单层同构网络和含单个可再生能源SBS的两层HCN。本章第一部分将阐述:在多类型SBS(由不同能源供电)场景下,如何协调层级间业务分流与SBS开关切换,以最小化全网电网功耗同时满足用户服务质量(QoS)要求。下一代蜂窝网络的新兴技术还包括采用主动服务(如推送)的边缘缓存。主动缓存与推送最初旨在减少重复内容传输以降低核心网负载和内容交付时延,对解决可再生能源SBS中的能量-业务失配同样有益:当收集到足够能量时,可将内容提前缓存在SBS存储中并推送给用户,即使实际需求时刻SBS无传输能量,用户仍能成功获取内容,从而避免电池溢出造成的能源浪费,实现能量沿时间轴向未来的有效转移以匹配业务需求。本章第二部分将展示主动服务与EH-HCN的融合概念,并详细研究基于能量收集SBS的内容推送最优策略设计。
关键词: 推送、蜂窝网络、可再生能源、主动缓存、流量卸载、服务质量、小型基站、马尔可夫决策过程、能量收集、超蜂窝网络
更新于2025-09-23 15:22:29
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[IEEE 2018年第十届无线通信与信号处理国际会议(WCSP)- 中国杭州(2018.10.18-2018.10.20)] 2018年第十届无线通信与信号处理国际会议(WCSP)- 能量收集无线通信中的能量沉积
摘要: 能量借用(EB)技术近期被提出以提升无线通信性能,同时减轻智能电网(SG)的负担。为进一步降低智能电网负荷,本文提出能量存储(ED)策略:能量收集(EH)设备可将未用能源存入智能电网以缓解其压力,并能提取存储能源且获得额外能源作为激励。研究还提出了EB与ED协同架构以构建更高能效的无线系统。本文聚焦ED过程,建立了ED策略与功率调度的联合优化模型以实现系统吞吐量最大化?;谡媸堤舴帐莸姆抡嫜橹ち怂酔D策略的有效性。
关键词: 能量沉积、能量收集、吞吐量
更新于2025-09-23 15:22:29
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基于PVDF的轻量级与压力传感器,采用喷涂透明电极技术,适用于自供电无线传感器节点
摘要: 本工作报道了基于压电与热释电材料聚偏氟乙烯(PVDF)的轻质压力传感器制备。除传感器功能外,所研制器件还具备能量收集特性。为连接39微米厚的PVDF薄膜,我们采用银纳米线(AgNWs)和聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)等溶液法透明电极(TE)材料,并与聚合物衬底商用铝电极进行对比。结果表明:TE-PVDF器件的灵敏度与输出功率性能均优于铝箔器件。测得其压电/热释电效应对应的压力灵敏度为3.6 mV/Pa,光照灵敏度为42 V·cm?2/W。当有效PVDF面积为8 cm2时,压电与热释电效应最大均方根输出功率分别达到1 μW和0.42 μW。最后证实该功率足以驱动自供能无线传感器节点(WSN),该节点采用超低功耗元件实现模拟传感信号测量与传输。该应用通过整合无线技术、嵌入式电子、环境传感数据及超低功耗管理,显著推动了物联网(IoT)发展。
关键词: 无线传感器节点、PEDOT:PSS、无线传感器网络、物联网、喷涂沉积、能量收集、银纳米线、透明电极
更新于2025-09-23 15:21:21
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采用纤维拉制技术由热塑性纳米复合材料制备的压电微纳结构纤维:对比研究与潜在应用
摘要: 我们报道了一种全聚合物柔性压电纤维,该纤维通过精心设计的几何结构和先进材料来增强压电响应。该纤维以柔软的中空微/纳结构聚碳酸酯芯为核心,外层包裹由压电纳米复合材料与导电聚合物交替层构成的螺旋形多层包层。通过热拉制工艺,可从宏观预制棒制备出直径亚毫米、长度达千米的压电纤维。这些纤维在中等弯曲条件下可产生高达6V的输出电压,并在循环测试中展现出优异的耐久性。微米/纳米级多层结构因夹在压电复合层两侧的导电电极间距极小,从而提升了纤维内部的极化效率。此外,螺旋结构大幅增加了压电复合材料的有效作用面积,不仅产生更高电压,其发电效率更达到现有压电电缆的10-100倍。最后,我们将压电纤维编织成功能纺织品,展示了其在发电领域的应用潜力。
关键词: 纳米复合材料、纺织品、纤维、能量收集、压电
更新于2025-09-23 15:21:21
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利用Pb(Zr,Ti)O<sub>3</sub>-Pb(Ni,Nb)O<sub>3</sub>陶瓷通过奥尔森循环实现热释电废热能量收集
摘要: 本文研究通过在铅镍铌锆钛酸盐(PNNZT)热释电陶瓷上执行奥尔森循环,利用其弛豫铁电相变过程实现废热直接转化为电能。首先测量了不同温度和电场范围内的等温双极位移-电场迟滞回线,发现当电场从零增至3 MV/m时,居里温度在150°C至240°C之间变化。通过在不同温度、电场强度和频率范围内循环测试样品,测得PNNZT材料奥尔森循环的能量密度与功率密度。实验记录到最大能量密度为1417 J/L/循环(采用200微米厚PNNZT材料,在20°C至240°C温度范围及0.3 MV/m至9.0 MV/m电场条件下以0.033 Hz频率循环),据我们所知这是热释电材料迄今实验获得的最高能量密度值。此外,在20°C至220°C温度范围及0.3 MV/m至9.0 MV/m电场条件下以0.09 Hz频率循环时,测得最大功率密度为78 W/L。
关键词: 废热、热释电、奥尔森循环、能量收集、PNNZT
更新于2025-09-23 15:21:21
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[IEEE 2019国际智能信号处理与通信系统研讨会(ISPACS) - 台北, 台湾 (2019.12.3-2019.12.6)] 2019年国际智能信号处理与通信系统研讨会(ISPACS) - 基于DC/DC转换器PWM系统的太阳能电池能量收集研究与探索
摘要: 能量收集通常定义为收集光、热、振动及电磁波等能源,并将其转化为电能,为设备本身提供维持正常运行所需的足够能量。本研究利用阳光转化为能量输出,通过控制PWM技术的占空比来调节输出电压。该系统需要DC/DC设计,且输出具有较大电容,同时DC/DC后级滤波必须良好。CIGS太阳能电池(效率约20%)由铜、铟、镓和硒按特定比例组成,相比钽材料具有更宽的波长范围和吸收系数。
关键词: 脉宽调制系统,能量收集,铜铟镓硒,太阳能电池,直流/直流转换器
更新于2025-09-23 15:21:01
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三阱CMOS工艺中光伏电池堆叠的设计优化
摘要: 各类自供电设备采用能量收集技术来捕获和存储环境能量。光伏电池因其具备片上集成潜力而成为最受青睐的方案之一。虽然通常需要串联多个光伏电池以获得足够的电路工作电压,但在标准体CMOS工艺中,由于所有光伏电池本质上都连接至公共衬底,通过串联堆叠实现升压存在局限。虽然通过增大级间面积比来堆叠多级光伏电池可提升输出电压,但非优化设计会导致转换效率低下或开路电压受限,难以满足实际应用需求。本文提出了一种适用于三阱CMOS工艺的光伏电池堆叠结构及其最优设计方法,该方案利用附加的电流源光电二极管和光学滤波器,在不明显降低效率的情况下实现高压输出。采用0.25微米标准三阱CMOS工艺制备的四级堆叠光伏测试芯片实验表明:在96微瓦/平方毫米入射光照下,输出电压达1.6伏,电功率为263纳瓦/平方毫米,响应度为1.91毫安/瓦,转换效率为0.27%。
关键词: 片上太阳能电池、光伏电池堆叠、能量收集、电压升压
更新于2025-09-23 15:21:01
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[2019年IEEE电气工程与光子学国际会议(EExPolytech)- 俄罗斯圣彼得堡(2019.10.17-2019.10.18)] 2019年IEEE电气工程与光子学国际会议(EExPolytech)- 激光相关光谱仪中噪声成分的测定及其信噪比评估
摘要: 本文研究了一种支持无线能量传输(WET)且采用叠加导频(SP)辅助信道估计的大规模多输入多输出(MIMO)系统。与传统WET帧传输方案不同,在SP辅助下,上行链路(UL)信道估计与由下行链路(DL)WET供电的无线信息传输(WIT)可同步进行,从而提升UL可达吞吐量。通过数学建模分析了SP对该WET大规模MIMO系统性能的影响,并推导出以最大化UL可达吞吐量为目标的最优解,包括SP功率分配以及UL WIT与DL WET时段的时间分配比例。数值结果表明,所提SP辅助WET技术相比传统纯导频方案具有更优性能。
关键词: 无线信息与能量传输、能量收集、大规模MIMO、吞吐量最大化、信道估计
更新于2025-09-23 15:21:01