Forskare vid University of Essex, UESTC-Kina och ZTE har nyligen introducerat ett system för distribution av hybridaccesspunkter (H-AP), som samtidigt skulle kunna möjliggöra trådlös informationsöverföring (WIT) och trådlös energiöverföring (WET) i smarta städer. Detta unika schema, presenteras i en förpublicerad tidning på arXiv, använder en mobilitetsmodell av rutnätsbaserade gator i stadsmiljöer för att representera rörelserna för användare som navigerar i en stad.

Med den storskaliga utbyggnaden av 5G och den kontinuerliga utvecklingen av mobila kommunikationssystem, mest energikrävande applikationer, inklusive videoströmningstjänster, AR/VR-sändningar, och mycket mer, körs nu på mobila enheter som drivs av batterier. Detta resulterar i stora energikostnader och snabbt urladdade batterier, orsakar avbrott och dåliga användarupplevelser.

Ett växande antal människor världen över använder nu också små Internet of Things (IoT)-enheter, såsom temperatur/PM2.5-sensorer, smarta klockor, träningsspårare och andra enheter, med en genomsnittlig densitet på en enhet per kvadratmeter. Dessa små enheter kan endast utrustas med batterier som har låg kapacitet och därmed töms mycket snabbare. Det nya systemet som föreslagits av forskarna vid University of Essex, UESTC och ZTE kan hjälpa till att tackla några av dessa utmaningar.

"Att ofta byta batterier för IoT-enheter resulterar i oöverkomliga underhållskostnader för nätverksoperatörer, " Jie Hu från UESTC, en av forskarna som genomförde studien, berättade för TechXplore. "Därför, vi måste hitta kontrollerbara, on-demand laddningsmetoder för att tillhandahålla kontinuerliga serviceupplevelser, minska underhållskostnaderna och förlänga nätverkets livslängd."

Tekniker som skördar energi från lättillgängliga källor (t.ex. solen eller vinden) kan driva kommunikationsenheter på ett sätt som är billigare och mer hållbart. Dock, dessa verktyg är starkt beroende av sin omgivning. Till exempel, enheter som drivs av solenergi kanske inte kan samla tillräckligt med energi under molniga eller regniga dagar.

För att ta itu med utmaningen att kontinuerligt ladda liten elektronik, under de senaste åren, vissa företag har också utvecklat trådlösa laddningstekniker i närområdet baserad på induktiv koppling eller magnetisk resonans, som kan användas för att ladda mobiltelefoner utan kontakt. För att dessa metoder ska fungera, dock, laddaren och laddningsenheten bör befinna sig några centimeter från varandra, som säkerställer effektiv trådlös kraftöverföring.

Detta gör dessa tekniker opraktiska för att kontinuerligt leverera energi till ett stort antal IoT-enheter på avstånd. En mycket mer praktisk och genomförbar lösning, utforskade av forskarna i sin studie, kan vara användningen av radiofrekvensteknik (RF).

"RF-signaler kan transportera energi till enheter på långt håll, Hu förklarade. Dessutom, RF-signalbaserad trådlös kraftöverföring (WPT) är en flexibel, kontrollerbar, on-demand och lågkostnadslösning för att leverera energi till mobila användare och IoT-enheter. Vi kan justera strålbredden för att uppnå punkt-till-punkt WPT eller för att samtidigt tillfredsställa flera enheters önskemål om trådlös laddning."

Schemat som föreslås av Hu och hans kollegor involverar enheter som aktivt begär WPT-tjänster. Infrastrukturen kan sedan svara på sådana förfrågningar genom att överföra den nödvändiga mängden energi, tillåta enheter att använda resurserna i kommunikationsinfrastrukturen utan behov av ytterligare hårdvara.

"Att utnyttja RF-signaler och sändningskaraktären hos trådlösa kanaler kan möjliggöra samtidig realisering av trådlös information och kraftöverföring i samma spektrum, avsevärt förbättra spektrumeffektiviteten, " sa Hu. "I vår forskning, vi föreslår ett optimalt H-AP-distributionssystem för att tillfredsställa mobila enheters begäranden om nedladdning av information och trådlös laddning."

Den viktigaste skillnaden mellan en hybrid accesspunkt (H-AP) och en traditionell accesspunkt (AP) är att den förra möjliggör både WIT- och WPT-tjänster. I sin studie, forskarna fokuserade på mobilitetsmönster för enheter som rör sig längs gatorna i stadsmiljöer och tar godtyckliga svängar vid korsningar. Deras plan för H-AP-utbyggnad tar hänsyn till populariteten för vägkorsningar, eftersom nätverksanslutningar tenderar att sakta ner när användare når särskilt trånga korsningar.

"Ett mycket meningsfullt problem står nätoperatörer inför:Med tanke på ett begränsat antal H-AP, hur kan vi distribuera dem i staden så att WIT- och WPT-prestandan kan optimeras?" sa Hu. "För att lösa det här problemet, vi har utformat tre distributionsscheman, nämligen WIT-orienterad distribution, WPT-orienterad utplacering och ett balanserat utbyggnadssystem."

H-AP-utbyggnadsschemat som utvecklats av forskarna använder en mobilitetsmodell av gator i en stadsmiljö för att karakterisera rörelserna för användare av kommunikationsenheter. För det första, den analyserar effekten av populariteten för en viss vägkorsning eller plats i staden på WIT och WET effektivitet. Senare, den implementerar en balans mellan effektiviteten hos WIT- och WET-tjänster, som en del av det som forskarna kallar "B-deployment"-systemet.

"Rörligheten och distributionen av WIT-enheter och WPT-enheter samt populariteten för vägkorsningar, har stor inverkan på vår design, " sa Hu. "Vårt schema tillåter oss att uppnå en balans mellan WIT och WPT."

Den största fördelen med schemat designat av Hu och hans kollegor är att det är mycket flexibelt och kan tillfredsställa det breda utbudet av tjänstekvaliteter (QoS) för WIT- och WPT-tjänster. Fynd som samlats in i en serie experiment som testar det nya schemat tyder på att implementering av H-AP på särskilt trånga stadsplatser kan möjliggöra bättre WIT- och WPT-prestanda.

Studien är den första som föreslår ett system för storskalig utbyggnad av H-AP i smarta städer. I framtiden, detta system skulle kunna bidra till att optimera information och energitäckning för kommunikationsnätverk i livliga stadsmiljöer.

"I vårt framtida arbete, vi planerar att genomföra en informationsteoretisk analys för integrerad WIT och WPT för att identifiera prestandagränsen, " Prof. Kun Yang vid University of Essex, en annan forskare involverad i studien, berättade för TechXplore. "Vi skulle också vilja sträva efter transceiverdesign i det fysiska lagret, inklusive kodning, modulation, MIMO beamformer och combiner design som syftar till att förbättra en användares eller flera användares prestanda för integrerad WIT och WPT."

I sina nästa studier, Hu, Yang och deras kollegor planerar att ta sig an flera andra forskningsriktningar, till exempel, undersöker användningen av resursallokering och åtkomstkontroll för att stödja stora mängder enheter i kommunikationsnätverk. Dessutom, de vill studera rymd-markbundna nätverk för integration av WIT och WPT, som skulle kunna bidra till att förbättra prestanda för WIT och WPT i UAV:er som navigerar i landsbygdsmiljöer eller områden som drabbats av naturkatastrofer.

"Ett annat mål för vidare forskning kommer att vara att undersöka möjligheten av 6G-stödd WIT och WPT, "Yang sa. "Vi kommer att undersöka integrerad WIT och WPT i TeraHz, med holografisk radio och med AI-stödd intelligent kontroll. Vårt slutgiltiga forskningsmål är att skapa ett nytt data- och energiintegrerat kommunikationsnätverk (DEIN) för att förverkliga energisjälvhållbarhet."

© 2020 Science X Network