了得網工業技術_綠色移動設備和網絡：能量優化和收集技術

編輯推薦

雖然電池容量不能滿足新移動設備的功率需求，但為了無線設備的功能性發展供電，需要對電池的壽命和再充電能力的概念進行一場革命。未來的手持設備和無線網絡應能夠從環境中自動充電並對能量消耗進行優化。
本書描述了從可替代的環境能源中收集能量並進行自動優化這兩方面背後的原理和技術挑戰，詳細地介紹了各種供電技術的基本背景、動機和原理，綜合地涵蓋了不同的優化和能量收集技術。特別是：
•檢查了動態實時場景中能量消耗的自動優化背後的技術挑戰；
•考慮了不同類型的能量收集技術；
•描述了通過不同能源，包括太陽能、聲學、動力學、機械振動和電磁波收集能量背後的各種技術。
為了在理論和實踐之間取得平衡，本書將不同的概念與相應方案的應用聯繫起來，並將它們與不同的標準建立聯繫。它討論了電池壽命的持續監測以及不同功能的自動調整，包括數據接收、處理和顯示、軟件模塊的復雜性和感知的視頻量，為讀者提供技術挑戰、能量增益測量、限制和未來機會方面的清晰理解。

內容簡介

本書關注了移動設備和網絡的能量管理，詳細地介紹了從可替代的環境能源（包括太陽能、聲學、動力學、機械振動和電磁波）中收集能量並進行自動優化的各種技術背景、動機和原理，描述了動態實時場景中能量消耗的自動優化的技術挑戰，具體而又全面地包含不同專家提出的能量優化和收集技術。為了在理論和實踐之間取得平衡，本書將不同的概念與相應方案的應用聯繫起來，通過對電池壽命的持續監測以及不同功能的自動調整（包括數據接收、處理和顯示、軟件模塊的復雜性），將它們與不同的標準建立聯繫，有助於讀者對移動設備能量收集和優化技術的清晰理解。

作者簡介

Hrishikesh Venkataraman博士是愛爾蘭國家研究中心性能工程實驗室—愛爾蘭都柏林城市大學（DCU）RINCE研究所的高級研究員和愛爾蘭企業署（EI）的首席研究員。於2007年在德國不來梅雅各布大學獲得博士學位，從事的研究是無線蜂窩網絡。2004年獲得坎普爾印度理工學院（IIT）碩士學位，從擔任德累斯頓工業大學的沃達豐移動通信部門主席期間開始他的碩士研究論文，並獲得2003~2004年度德意志學術交流中心（DAAD）獎學金。他的主要研究方向包括移動多媒體，無線通信和無線能源。Venkataraman博士已經在期刊、國際會議以及書籍上發表了30多篇論文，並且在2009年10月加利福尼亞伯克利大學的國際會議上贏得佳論文獎。目前，Venkataraman博士是European Transactions on Telecommunications（ETT）期刊的一名執行編輯以及電子工程學會（IEEE）車輛技術學會的UKRI（英國/愛爾蘭共和國）的創始成員。
Gabriel-Miro Muntean博士在異構無線環境的面向質量和性能感知自適應多媒體流以及數據通信領域取得了良好的業績。自2003年以來，Muntean博士一直擔任著由10個人組成的研究實驗室的主管，這個實驗室位於都柏林城市大學先進的工程大樓，並且其設施齊全，可用於多媒體交付研究。他已經成功地培養了三個博士生和三個碩士研究生，目前正在指導七個在讀碩士研究生和一個博士後研究員。Muntean博士已經爭取到100的資金，他曾經是兩個EI（愛爾蘭企業署）、一個SPI（愛爾蘭科學基金會）和五個IRCSET（愛爾蘭科學，工程和技術研究理事會）基金的主要研究員，以及其他兩個愛爾蘭基金的合伙人。此外，他一直是三星和微軟提供贊助的研究項目的負責人。Muntean博士是一本書的作者和兩本書的合著人，並且在雜志上發表了25篇文章以及60多篇會議論文。他的論文獲得過四個佳論文獎，而且他是IEEE Transactions on Broadcasting的副編輯。

譯者序
原書前言
關於作者
第1部分優化技術
第1章具有定位服務的移動設備能量管理3
1.1簡介3
1.2能耗和定位服務3
1.3移動設備的功率損耗分析和建模5
1.4設備模型6
1.4.1舉例：諾基亞N95手機建模8
1.5降低功率損耗的方法10
1.5.1傳感器管理策略11
1.5.2位置更新協議13
1.6舉例：EnTracked14譯者序
原書前言
關於作者
第1部分優化技術
第1章具有定位服務的移動設備能量管理3
1.1簡介3
1.2能耗和定位服務3
1.3移動設備的功率損耗分析和建模5
1.4設備模型6
1.4.1舉例：諾基亞N95手機建模8
1.5降低功率損耗的方法10
1.5.1傳感器管理策略11
1.5.2位置更新協議13
1.6舉例：EnTracked14
1.6.1繫統描述15
1.6.2結果17
1.7小結19
致謝20
參考文獻20
第2章移動設備的高效供電機制22
2.1簡介22
2.2相關工作22
2.3ESS的層模型24
2.3.1設備層25
2.3.2測量層25
2.3.3功率控制調節層26
2.3.4存儲訪問層26
2.3.5能量存儲層26
ⅩⅨ2.4移動設備能源的高效供應27
2.4.1電壓轉換技術27
目錄2.4.2多重電源電壓28
2.4.3感知組件型動態電壓調節28
2.5移動設備的軟件影響29
2.5.1層模型的影響29
2.5.2CADVS的影響30
2.6CADVS舉例31
2.6.1場景31
2.6.2測量裝置34
2.6.3測量結果35
2.7小結41
參考文獻41
第3章便攜式無線設備上軟件應用的能耗44
3.1簡介44
3.2便攜式無線設備44
3.3相關工作47
3.3.1智能電池檢測47
3.3.2能量管理的軟件策略48
3.3.3軟件應用的分析工具48
3.3.4繫統級能量管理49
3.3.5綜合性研究49
3.4能耗模型51
3.5模型參數的確定54
3.5.1狀態停留時間估計54
3.5.2能耗估計54
3.5.3處理和通信的能耗55
3.5.4其他方法57
3.6小結58
參考文獻58
第4章打破WiMAX繫統的節能和QoS之間的平衡61
4.1簡介61
ⅩⅩ4.2WiMAX：對消費者而言低成本高帶寬61
4.3人類語音模型和混合機制64
4.3.1場景1：單工語音通信64
4.3.2場景2：雙工語音通信64
4.3.3混合機制65
4.4性能分析66
4.4.1場景1：單工通信67
4.4.2場景2：雙工通信70
4.5數值結果與性能分析75
4.5.1場景1：單工通信76
4.5.2場景2：雙工通信80
4.6小結89
致謝89
參考文獻89
第5章WLAN中針對VoIP應用的基於QoE的節能91
5.1簡介91
5.2關於WLAN節能的背景和相關工作92
5.2.1背景92
5.2.2相關工作93
5.3QoE和PSQA95
5.4ECVA：針對VoIP應用的一種基於QoE的節能機制96
5.5性能評估97
5.6小結101
參考文獻101
第6章移動Ad Hoc網絡小能量多標準中繼選擇103
6.1簡介103
6.2背景105
6.2.1基於位置轉發105
6.2.2機會型轉發和分布式方案106
6.3單一標準接收端中繼選擇107
6.3.1分布式選擇過程107
6.3.2分析模型109
ⅩⅩⅠ6.3.3評估113
6.4多標準接收端中繼選擇116
6.4.1在多標準情況下的概念116
6.4.2多標準映射函數117
6.4.3貪婪算法與鏈路質量之間的平衡119
6.5說明：小能量鏈路感知轉發方案120
6.5.1仿真模型120
6.5.2性能度量120
6.6小結123
參考文獻124
第7章WSN的能量優化技術126
7.1簡介126
7.2無線傳感器節點和網絡127
7.3能量模型129
7.3.1無線電能量模型129
7.3.2處理器能量估計131
7.4組件級能量優化技術133
7.5繫統級能量優化技術134
7.5.1計算通信能量平衡134
7.5.2動態功率管理135
7.5.3動態電壓—頻率調節136
7.5.4網絡級能量優化137
7.6小結138
參考文獻138
第2部分收集技術
第8章EM能量收集繫統的設計問題145
8.1能量收集：技術和應用145
8.2RF能量收集方法的設計問題146
8.2.1電壓倍增器147
8.2.2阻抗匹配148
8.2.3功率提升閾值150
ⅩⅩⅡ8.3天線和匹配的注意事項152
8.3.1輻射和耦合153
8.3.2功率傳輸153
8.3.3極化156
8.3.4性能評估156
8.3.5匹配160
8.4RF-DC整流器拓撲160
8.4.1電壓倍增器的工作和設計原理163
8.5穩壓器164
8.6反向散射調制方案167
8.6.1ASK調制167
8.6.2PSK調制168
8.6.3PSK與ASK比較168
8.7小結168
參考文獻169
第9章磁耦合通信設備的能量收集172
9.1簡介172
9.2磁耦合通信設備的能量收集173
9.2.1磁感應原理174
9.3使用磁感應方法將動能轉換為電能176
9.3.1磁發電機的基本原理177
9.3.2微型磁發電機的設計179
9.4太陽能收集183
9.5熱能收集186
9.5.1熱能收集繫統187
9.5.2WSN的熱能收集器188
9.6DC-AC功率轉換191
9.7無線功率傳輸繫統將所收集的能量傳輸至目標繫統194
9.7.1RFID功率傳輸繫統194
9.7.2在醫療植入物中使用磁感應進行無線功率傳輸197
9.7.3多電壓輸出繫統197
9.7.4使用螺旋形線圈為嵌入式醫療設備進行RF能量收集199
9.8小結202
參考文獻202
ⅩⅩⅢ第10章能量收集繫統的混合信號低功耗技術205
10.1簡介205
10.2在能量收集繫統中混合信號環境206
10.2.1微傳感器無線網絡206
10.2.2RFID207
10.3數字設計的低功率技術208
10.3.1降低數字電路的功率209
10.4在模擬設計中的低功率技術210
10.5模擬電路和數字電路的功耗比較211
10.6面向低電壓混合信號設計的技術組合212
10.7模擬和數字低功耗技術的優化組合213
10.7.1瞬時壓擴技術213
10.7.2亞閾值CMOS設計215
10.8面向功率的EDA工具216
10.8.1晶體管級工具217
10.8.2門級或邏輯級工具218
10.8.3寄存器傳輸級工具219
10.8.4行為級功率和功率仿真219
10.9小結220
參考文獻220
第11章面向低功率的無線傳感器能量收集的建模方法和用於智能化能量
感知中間件的現實仿真22411.1簡介224
11.2移動和無線嵌入式繫統的能量約束224
11.2.1本章結構225
11.3能量收集技術的工業工具鏈及相關工作226
11.3.1建模、仿真和實施的工業平臺226
11.3.2WSN的電池模型和應用227
11.4功率分析的精度和概念性考慮229
11.4.1WSN功率分析基於功率狀態模型的表達229
11.4.2可變電池電壓的影響：從功率狀態模型到阻抗模型238
11.4.3電池建模概念238
11.4.4收集建模概念242
ⅩⅩⅣ11.5實現245
11.5.1模型方程的分析推導245
11.6電池感知仿真的應用到負載均衡247
11.6.1使用梯度下降調整電池模型247
11.6.2WSN項目的評估247
11.7小結和未來的工作250
參考文獻251
第12章WSN的能量損耗255
12.1簡介255
12.2能量收集255
12.2.1能量收集的動機256
12.2.2能量收集：一種可行的解決方案257
12.3能量收集：除了太陽能收集器—它是一種可行的選擇嗎258
12.4存儲收集的能量260
12.4.1能量收集繫統261
12.4.2實驗測量263
12.5能量預算：繫統和網絡運營265
12.5.1能量收集應用：挑戰266
12.5.2存儲和繫統狀態檢索269
12.5.3面向分布式智能應用：挑戰270
12.6小結271
參考文獻272
第13章WSN的RF能量收集和管理273
13.1簡介273
13.2RF能量收集273
13.3能量收集繫統以及WSN功率損耗的回顧274
13.3.1環境RF能源和可用功率276
13.4RF能量收集和Powercast收集器的使用276
13.4.1有意的能量收集277
13.4.2Powercast 公司的TX91501型Powercast發送器277
13.4.3Powercast功率收集接收器278
13.4.4接收的RF功率測量和增益278
13.4.5能量存儲280
13.5WSN的能量管理281
13.5.1算法操作284
13.6實驗和仿真結果286
ⅩⅩⅤ13.6.1實驗結果286
13.6.2仿真結果288
13.6.3RF Powercast 能量收集器的實時實現289
13.7小結和未來的工作291
參考文獻292

前言

無線通信正在朝著“超第三代（B3G）和4G移動通信繫統”的方向蓬勃發展。同時，多媒體傳輸、視頻點播、遊戲等已經受到越來越多的用戶歡迎。此外，在過去的幾年中，多媒體通信需求，尤其是手持移動設備對視頻流的需求更是迅猛增長。截至2013年，手機和其他具有瀏覽器功能的移動設備將會取代個人計算機成為全球常見的接入設備。隨著技術的不斷進步，為用戶的無線設備如智能手機、蘋果手機、個人數字助理（PDA）等提供了大量的備受歡迎的功能並支持日益復雜的應用。在過去的每一年裡，移動設備的功能和計算能力呈指數形式增長，並且越來越多的應用程序和通信技術正在源源不斷地添加到用戶的手持無線設備中。支持這些服務所需的數據速率也顯著增加。這些現像意味著無線設備的傳輸，特別是無線設備的接收需要更高的能量。然而過去幾年每年的功率提升隻有6%，顯然這樣的增長速率尚未與通信的處理技術的發展速度相一致，嚴重地影響了移動設備的實際使用，特別是當移動設備訪問豐富的媒體服務時，需要消耗大量的能量。例如，蘋果4S在訪問3G網絡時，其電池的使用時間僅為5h。無線通信正在朝著“超第三代（B3G）和4G移動通信繫統”的方向蓬勃發展。同時，多媒體傳輸、視頻點播、遊戲等已經受到越來越多的用戶歡迎。此外，在過去的幾年中，多媒體通信需求，尤其是手持移動設備對視頻流的需求更是迅猛增長。截至2013年，手機和其他具有瀏覽器功能的移動設備將會取代個人計算機成為全球常見的接入設備。隨著技術的不斷進步，為用戶的無線設備如智能手機、蘋果手機、個人數字助理（PDA）等提供了大量的備受歡迎的功能並支持日益復雜的應用。在過去的每一年裡，移動設備的功能和計算能力呈指數形式增長，並且越來越多的應用程序和通信技術正在源源不斷地添加到用戶的手持無線設備中。支持這些服務所需的數據速率也顯著增加。這些現像意味著無線設備的傳輸，特別是無線設備的接收需要更高的能量。然而過去幾年每年的功率提升隻有6%，顯然這樣的增長速率尚未與通信的處理技術的發展速度相一致，嚴重地影響了移動設備的實際使用，特別是當移動設備訪問豐富的媒體服務時，需要消耗大量的能量。例如，蘋果4S在訪問3G網絡時，其電池的使用時間僅為5h。
考慮到移動設備電池供電的嚴格要求和當前的局限性，不僅需要努力提高電池的質量，而且還應在電池壽命的延長方面下功夫。為了移動技術在未來幾十年取得更大成功，必須徹底地更新電池可重復充電的概念。當然，這說起來容易做起來難。對於研究人員、手機生產商或者網絡運營商而言，需要他們仔細研究和給他們帶來挑戰的一個重要問題是，如何在不顯著影響手機整體性能的情況下對手機電池進行改進？這是一個非常有趣但又非常困難的命題。近，人們已經著手優化設備和網絡的能量損耗。設備通過無線網絡接收視頻內容，其接收內容的效果可根據當前設備電池的能量狀態、內容的比特率、幀速率和顏色深度進行無縫地改變。因此，周期的動態自適應機制將極大地優化電池的功耗。值得深思的一個重要問題是，能量優化方案隻能減少設備的能耗，對電池的壽命增加則顯得杯水車薪。應該提出或者使用替代機制，以提高設備的自適應性或者至少通過生產或從環境中收集能量顯著地延長設備的電池壽命。一個有趣但富有挑戰性的方面是查看在無線手機設備和網絡中所使用的不同能量收集技術及其適應性。為了滿足用戶對任務的能量需求，設備的硬件機制和軟件策略必須進行重大改革，甚至可以從環境中自動啟用充電機制。
重要的是，所有的技術平臺和手機的核心是網絡和射頻通信，基站、路由器、設備通過網絡通信支持豐富的媒體服務。無論用戶處於哪個物理位置，都可以通過網絡獲取媒體信息。隨著用戶對無線網絡上高速互聯網瀏覽和多媒體傳輸的需求的不斷增加，移動網絡的焦點主要集中於提高數據速率和繫統的處理能力。然而數據速率的提高和吞吐量的化已不再是下一代無線繫統的目標，而且這種趨勢目前愈來愈明顯。未來的網絡應該是性能和能量效率方面達到更優。在性能和能量兩方面進行優化的網絡應該采用與之前完全不同的設計和架構，以滿足未來更高數據速率通信所需的可持續發展要求。為了極大地減少目前無線網絡的能量消耗，需要啟用一種全新的方法。因此，下一代的高效網絡不再是單純地像傳統研究那樣集中在單一方面，如對物理層的研究，而是需要全面、繫統、突破思維地挑戰以前的基本假設。
從環境中收集能量會對目前無線網絡的工作模式產生深遠的影響。能量收集可以在發送器、接收器、路由器等設備中進行。然而與其他設備的能量收集相比，網絡或基站等能量收集仍然處於萌芽階段，這主要是由以下兩個原因導致的。首先，無線網絡所需能量的數量是巨大的，不可能在短時間內通過能量收集而獲得。其次，網絡或基站位於某一個固定的地方，並通過大公司的移動網絡運營商對其運維操作。因此，通過現有的電網比從環境中收集能量更容易為基站供電。與此同時，鋻於計算復雜度的增加和基站功率的要求，從環境中收集能量為基站的運行來供電是未來幾十年一個極其關鍵的問題。事實上，在傳感器網絡領域，考慮到傳感器節點的功率要求，已經為此提出了很多的能量收集技術。如何將傳感器網絡的能量收集技術推廣到無線蜂窩網絡的能量收集是一項很有意思且極具挑戰性的研究。
設備的能量收集是一項相對容易的挑戰，這主要是因為無線設備的低功耗要求而造成的。此外，無線設備暴露在不同的能源環境中，如熱、光、機械鍵、電磁波、音頻等。因此，整體的方法是首先采用單一機制優化能量收集技術，然後再將這些不同的方面整合起來。
本書關注了移動設備和網絡的能量管理。詳細地描述了無線設備和網絡中不同的能量優化技術和能量收集機制。具體而又全面地包含不同專家提出的能量優化和收集技術是本書的一大特點。本書為讀者提供了一個學習能量優化和收集技術的獨特平臺。全書共分為兩部分：第1部分描述了各種能量優化技術；第2部分則介紹了能量收集機制。
第1部分共分為7章，集中介紹了能量優化技術。其中，前3章著重於“設備的能量優化”，後面的4章則專注於“無線網絡的能量優化”。第1章討論了具有定位服務的移動設備能量管理和能量優化。第2章闡述了移動設備的高效供電機制。第3章為無線設備/手機的不同應用建立能量消耗模型，是對同一領域中之前所做研究的進一步擴展。在無線網絡情況下，跨越不同無線網絡的組件所消耗的能量是相同的，然而能量消耗的模式會隨著網絡類型的不同而不同。鋻於蜂窩網絡語音通信的重要性，第4章利用人類語言的開-關特點，探索基於WiMax（全球微波互聯接入）繫統的能量優化。此外，考慮到互聯網協議電話（VoIP）服務的質量，第5章深入研究了無線局域網中VoIP服務的能量優化技術。值得注意的是，此研究是通過部署的一個分布式Ad Hoc網絡場景來實現的。此外，第6章解釋了在移動Ad Hoc網絡中考慮多重標準（小能量、多個繼電器等）的重要性，並對該領域之前的研究工作進行延伸和擴展。重要的是，針對無線傳感器網絡，研究人員已經提出了很多種能量優化技術，因此第7章全面概述了無線傳感器網絡能量優化技術，並介紹了如何將這些技術推廣至無線網絡。
本書的第2部分包括6章，集中於描述移動設備的能量收集技術。鋻於開展無線設備能量收集技術研究的重要性，其中前4章致力於研究無線設備的不同能量收集方案因素和機制。後兩章討論了無線網絡中常見的能量收集技術。第8章評估CMOS（互補金屬氧化物半導體）射頻直流整流器在移動設備電磁能量收集過程中的性能。第9章使用歸納法詳細描述了能量收集技術，而第10章則討論了能量收集繫統中混合信號的低功耗技術。在第11章，介紹了由具有感知能量的智能中間件構成無線傳感器的設計，以及如何將它們運用到未來的無線設備中。同樣地，本書的後兩章，即第12章和第13章分別針對無線傳感器網絡的能量收集和無線傳感器網絡中射頻能量收集/管理，提出了一種能量消耗方案。
本書可以作為相關專業研究生、未來工程師和設計者在研究能量優化方面的參考用書，同時對未來研究下一代通信繫統從環境中收集能量具有更深層次的指導意義。
編者在這裡謹祝讀者們能夠度過愉悅而又美好的閱讀時間，並非常樂意收到讀者們對有關本書的任何質疑。

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