无线可充电传感器网络：能源供应技术、充电调度方案及面临的挑战

《IEEE Transactions on Sustainable Computing》：Wireless Rechargeable Sensor Networks: Energy Provisioning Technologies, Charging Scheduling Schemes, and Challenges

无线可充电传感器网络（WRSNs）的能量供给技术及挑战研究。文章系统综述了WRSNs中无线能量传输（WPT）、射频能量收集（RF EH）、后向散射通信等核心技术，对比分析了磁感应、磁共振、电容耦合及定向射频波束赋形等非辐射与辐射型WPT技术，提出混合能量收集方案。同时探讨了静态与移动充电机制、周期与按需充电策略，并指出多充电器协同、动态网络重构、安全威胁等关键挑战，最后展望了人工智能与WRSNs深度融合的未来方向。

　　

摘要：

近期，许多有前景的绿色能源供应技术被提出，旨在延长能源受限设备（例如传感器节点）的寿命。无线可充电传感器网络（WRSNs）是能够从这些技术中获益的领域之一。这种自组织网络由一个或多个基站和多个传感器节点组成，主要部署在恶劣环境中，负责数据的传输、接收、收集和处理。与现有研究不同，本文重点关注WRSNs背景下的能源供应技术，通过回顾两个相互关联的领域来进行探讨。首先，我们介绍了各种能源供应技术及其相关挑战，包括传统的能源收集方法（如太阳能、热能和机械能）。我们特别强调了无线电力传输（WPT）作为WRSNs中最适用的技术之一，涵盖了辐射式和非辐射式WPT。此外，我们还介绍了射频（RF）能源收集技术，包括同时进行无线信息和电力传输（SWIPT）以及无线供电通信网络（WPCNs），还有反向散射通信。另外，我们比较了混合能源收集技术（如太阳能-RF、振动声学、太阳能-热能等）。其次，我们介绍了无线充电的基本原理，包括不同类型的充电器（固定式和移动式）、充电策略（包括完全充电和部分充电）、充电模式（离线和在线）以及充电方案（定期和按需）。我们还讨论了WRSNs面临的几个关键挑战，如能源消耗、多充电器协调、动态网络充电、监控与安全威胁、车对车（V2V）充电以及混合WRSNs。最后，我们指出了整合先进人工智能（AI）技术的趋势和未来发展方向...

显示更多

引言

由于研究人员在处理能源耗尽的传感器节点时遇到困难，WRSN技术应运而生。WPT是最受欢迎的研究领域之一，也是商业化程度最高的技术之一，它有可能解决物联网（IoTs）、5G和6G设备的能源限制问题[1]。特别是，WPT在手机充电器、固定式电动汽车（EV）充电器以及动态电动汽车充电器（也称为道路供电EV充电器RPEVs）中的应用迅速增加[2]。WPT所使用的能量可以通过多种技术进行传输。这些方法可以分为基于辐射的RF充电和基于非辐射耦合的充电。基于非辐射耦合的技术有三种类型[3]：磁感应耦合[4]、磁共振耦合[5]和电容耦合[6]。基于辐射的RF技术既使用非定向RF功率传输[7]，也使用定向RF功率波束成形。由于各种限制，电容耦合和定向RF功率波束成形技术在实践中很少被采用。因此，WPT技术为解决能源限制问题开辟了新的途径。这一技术的发展始于WSN的创建，接着是能源收集，最终发展到WRSN。在WSN中，系统由多个小型传感器节点组成。传感器节点具有以下优势：重量轻、电池容量有限且成本效益高。这些传感器节点通过随机或系统化的分布策略被战略性地放置在预定义区域内。这些传感器节点的主要职责包括数据收集、邻居节点监控、数据传输到中央服务器以及接收数据以供后续处理。