一种基于磁谐振的MIMO充电并行通信方法技术

一种基于磁谐振的MIMO充电并行通信方法，所述该方法包括发射端TX部署和接收端RX部署，其中发射端TX部署包括：TX线圈、TX电压控制、TX电流测量、TX控制器，接收端RX部署包括四个部分：RX线圈、整流稳压器、振荡电流、RX控制器，所述发射端TX部署和接收端RX部署之间通过MRC‑WPT系统控制，并且MRC‑WPT系统由N个TXs和Q个RXs组成，且该系统的通信方式为以下步骤：步骤1：充电环境感知。步骤2：自适应充电完通信，本发明专利技术可以对无线充电进行优化充电，对无线磁充电的应用有着积极影响，有利于无线充电的发展。

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁谐振的MIMO充电并行通信方法
本专利技术涉及一种基于磁谐振的MIMO充电并行通信方法，属于无线充电、无线通讯、传输领域。
技术介绍
随着数十亿部智能设备的销售和使用，给这些设备充电成为了一个越来越重要的问题。无线电能传输(Wirelesspowertransfer)技术已经有100多年的历史了，它正在渗透到各个领域，例如医疗保健、汽车和消费设备。该技术应用在智能设备中，极大地扩展了智能设备的应用范围，增强了其可用性和可移动性，从而给这些新设备地使用带来了极大的便利。与传统的有线充电方案相比，无线充电摆脱了繁杂的电线困扰，被充电设备可以更加自由地移动。无线充电避免了接触电线的风险，大大增加了充电的安全性。目前，主要有以下三种方法用于实现无线充电技术，即：射频充电(RadioCharging)，电感耦合充电(InductiveCouplingCharging，或称磁耦合充电)，磁谐振耦合充电(MagneticResonantCouplingCharging)[1]-[3]。射频充电具有很高的灵活性和较长的充电距离(大约10米)，但传输效率较低。电感耦合充电和磁谐振耦合充电的物理原理相同：交变磁场在闭合的导线回路中产生感生电流。基于电感耦合(IC)的无线充电实现仍然需要我们将接收器放在充电板(发射端)上，这是由于电感耦合充电仅有几厘米的操作距离。然而，磁谐振耦合(MRC)无线电能传输系统利用谐振将充电距离提高到几十厘米。磁谐振耦合技术使得无线充电的距离获得了较大的提升，并且提升了能量传输效率，因此，该技术引起了工业界和学术界的广泛关注。在业界，多个无线充电组织已经提出了相应的无线充电系统规范，例如无线充电联盟(WPC)提出的Qi协议，以及无线电力联盟(A4WP)提出的Rezence规范。然而，当前已经商用的无线充电技术普遍是仅有一个电力发送单元，并且仅支持一个接受端获取能量的场景，即通常系统中仅有一个能量发射端(TX)和一个能量接收端(RX)。这种一对一的充电方式的充电距离接近于零距离，即需要接收端贴合发射端。当然，现有的文献中已经研究了具有多个发射端和/或多个接收端的无线电能传输场景。在多输入多输出(MIMO)场景中，最引人注目的是磁波束成形技术(beamforming)，该技术能够实现更为灵活和高效的能量传输。这些相关技术在文献[4]-[6]中有详细的介绍和描述。但是，在多输入多输出场景中，当前的无线充电系统仍然是一个不完善的系统，该系统仍然缺乏一种有效的手段快速获取接收端信息，包括接收端的阻抗大小，接收端的能量需求等。这就限制了多对多磁谐振无线充电系统的能力，使得该系统不能快速感知，高效充电。当前，有研究发现可以使用带外(额外的硬件设备，例如蓝牙)通信的方式获取接收端的信息[7]。但是此种方式会带来额外的能量损耗并且会占用一些频带，不利于未来在智能设备中的扩展。基于此，我们创新地提出了一种带内(不需要额外的硬件支持)并行通信方案。该方案可以高速有效地建立发射端和接收端之间的通信，并获取接收端的相关信息，进而实现高效无线充电。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决多对多无线充电场景下的带内并行通信问题，实现支持多设备，快速，高效的自适应无线充电方案，主要通过执行充电环境感知和自适应充电两个任务来完成。通过两个系统的部署，本专利的技术方案如下：一种基于磁谐振的MIMO充电并行通信方法，所述该方法包括发射端(TX)部署和接收端(RX)部署，其中发射端(TX)部署包括：TX线圈、TX电压控制、TX电流测量、TX控制器，接收端(RX)部署包括四个部分：RX线圈、整流稳压器、振荡电流、RX控制器，所述发射端(TX)部署和接收端(RX)部署之间通过MRC-WPT系统控制，并且MRC-WPT系统由N个TXs和Q个RXs组成，且该系统的通信方式为以下步骤：步骤1：充电环境感知。步骤2：自适应充电。作为优选：所述步骤1中充电环境感知由信道估计和并行通信两个阶段组成，其中信道估计主要由三个步骤，分别是：a、低秩状态生成：在这个模块中，我们采取了“Query-Response”机制来实现低秩状态生成。发射端发送“StateGeneration”命令到接收端，此命令包含两个信息，分别是每个RX随机“On”的概率ε和响应的时隙数目Y。RXs在收到命令后，以ε的概率在接下来的Y个时隙中随机“On”。所以在每个时隙中，我们可以得到一组RX组合状态。如果在多个时隙中，都产生了空状态(即没有一个RX“On”)，我们需要加一个固定值到之前的概率上得到新的概率值为：ε+Δε。相反，如果在多个时隙中，RX处于“On”连接的数目过多，我们需要将概率值减小到ε/2。使用这种机制，可以得到只有少数RX处于“On”连接的状态，即低秩状态。初始时，我们需要决定可能的接收端数目为QEST和最大的可接受的秩值K。初始概率ε0可由最大化公式决定，可用二分法求得初始概率ε0。b、信道矩阵恢复：对于一个给定的RX组合状态，如果有|S|个RX处于“On”状态，其信道矩阵的秩是我们需要先获得信道矩阵，再通过信道矩阵的值判断它是否为一个低秩状态。公式(2)可以被重写为：其中ZT可以离线测量的，因此我们设置一组电压就可以得到一组相应的电流将这样的一组电压和电流称为对信道矩阵HS的一个观察。通过一组非线性观察，可以恢复出信道矩阵。具体方法分为以下三步，1.观察生成：我们将一个时隙分割成多个微时隙(MTS)，在每个MTS中施加非线性变化的电压，从而得到多个观察。2.矩阵恢复：通过一个基于核范数最小化的方法解决在K个非线性观察恢复低秩(K)矩阵，该方法能够抵抗一些测量噪声。3.秩判断：恢复出信道矩阵后，需要对信道矩阵的秩进行判断，判断该低秩状态是否是一个可接受的状态，将符合条件的状态送入下一模块进行计算，并将结果反馈给低秩状态生成模块，使得低秩状态生成模块进行相应地调整。c、信道环境计算：信道矩阵恢复所产生的可用状态都被送入信道环境计算模块，这个模块的主要作用是推断出RX的个数和它们对应的信道环境。公式(3)显示出一个状态的信道矩阵可以被分解成与RX相关的项。我们的方法首先需要识别出每个状态对应的RX，由于信道矩阵是可以进行加减运算的，从而能构造出单个RX处于“On”状态的信道矩阵，之后对单个RX“On”连接的信道矩阵进行分解。我们使用一个在线算法来处理RX分配，每当进入一个新状态，执行算法一次。该算法多次执行后，会过滤去掉错误的分配结果，得到唯一正确的分配结果。该算法可能会产生多个同构的分配结果，只需对RX序号进行交换处理。在得到单个RX“On”的信道矩阵后，对这个秩为1的矩阵可以采用特征分解的方法，即其中λ为信道矩阵的非零特征值，为非零特征值对应的特征向量。至此，我们可以得到每个RX到所有发射端的互感向量。作为优选：所述并行通信的方式为：发射端下发“UserCommunication”命令，所有RXs开始进行并行反馈通信，RXs通过OOK调制机制上传它们的信息。上传的信息包括负载电阻，能量需求等。在TX端执行并行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磁谐振的MIMO充电并行通信方法，其特征在于所述该方法包括发射端TX部署和接收端RX部署，其中发射端TX部署包括：TX线圈、TX电压控制、TX电流测量、TX控制器，接收端RX部署包括四个部分：RX线圈、整流稳压器、振荡电流、RX控制器，所述发射端TX部署和接收端RX部署之间通过MRC-WPT系统控制，并且MRC-WPT系统由N个TXs和Q个RXs组成，且该系统的通信方式为以下步骤：/n步骤1：充电环境感知/n步骤2：自适应充电。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于磁谐振的MIMO充电并行通信方法，其特征在于所述该方法包括发射端TX部署和接收端RX部署，其中发射端TX部署包括：TX线圈、TX电压控制、TX电流测量、TX控制器，接收端RX部署包括四个部分：RX线圈、整流稳压器、振荡电流、RX控制器，所述发射端TX部署和接收端RX部署之间通过MRC-WPT系统控制，并且MRC-WPT系统由N个TXs和Q个RXs组成，且该系统的通信方式为以下步骤：
步骤1：充电环境感知
步骤2：自适应充电。


2.根据权利要求1基于磁谐振的MIMO充电并行通信方法，其特征在于所述步骤1中充电环境感知由信道估计和并行通信两个阶段组成，其中信道估计主要由三个步骤，分别是：
a、低秩状态生成：在这个模块中，我们采取了“Query-Response”机制来实现低秩状态生成。发射端发送“StateGeneration”命令到接收端，此命令包含两个信息，分别是每个RX随机“On”的概率ε和响应的时隙数目Y。RXs在收到命令后，以ε的概率在接下来的Y个时隙中随机“On”。所以在每个时隙中，我们可以得到一组RX组合状态。如果在多个时隙中，都产生了空状态即没有一个RX“On”，我们需要加一个固定值到之前的概率上得到新的概率值为：ε+Δε。相反，如果在多个时隙中，RX处于“On”连接的数目过多，我们需要将概率值减小到ε/2。使用这种机制，可以得到只有少数RX处于“On”连接的状态，即低秩状态。初始时，我们需要决定可能的接收端数目为QEST和最大的可接受的秩值K。初始概率ε0可由最大化公式决定，可用二分法求得初始概率ε0。
b、信道矩阵恢复：对于一个给定的RX组合状态，如果有|S|个RX处于“On”状态，其信道矩阵的秩是我们需要先获得信道矩阵，再通过信道矩阵的值判断它是否为一个低秩状态。公式(2)可以被重写为：其中ZT可以离线测量的，因此我们设置一组电压就可以得到一组相应的电流将这样的一组电压和电流称为对信道矩阵HS的一个观察。通过一组非线性观察，可以恢复出信道矩阵。具体方法分为以下三步，1.观察生成：我们将一个时隙分割成多个微时隙(MTS)，在每个MTS中施加非线性变化的电压，从而得到多个观察。2.矩阵恢复：通过一个基于核范数最小化的方法解决在K个非线性观察恢复低秩(K)矩阵，该方法能够抵抗一些测量噪声。3.秩判断：恢复出信道矩阵后，需要对信道矩阵的秩进行判断，判断该低秩状态是否是一个可接受的状态，将符合条件的状态送入下一模块进行计算，并将结果反馈给低秩状态生成模块，使得低秩状态生成模块进行相应地调整。
c、信道环境计算：信道矩阵恢复所产生的可用状态都被送入信道环境计算模块，这个模块的主要作用是推断出RX的个数和它们对应的信道环境。公式3显示出一个状态的信道矩阵可以被分解成与RX相关的项。我们的方法首先需要识别出每个状态对应的RX，由于信道矩阵是可以进行加减运算的，从而能构造出单个RX处于“On”状态的信道矩阵，之后对单个RX“On”连接的信道矩阵进行分解。我们使用一个在线算法来处理RX分配，每当进入一个新状态，执行算法一次。该算法多次执行后，会过滤去掉错误的分配结果，得到唯一正确的分配结果。该算法可能会产生多个同构的分配结果，只需对RX序号进行交换处理。在得到单个RX“On”的信道矩阵后，对这个秩为1的矩阵可以采用特征分解的方法，即其中λ为信道矩阵的非零特征值，为非零特征值对应的特征向量。至此，我们可以得到每个RX到所有发射端的互感向量。

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【专利技术属性】
技术研发人员：周颢，李向阳，陈钊，
申请(专利权)人：德清阿尔法创新研究院，
类型：发明
国别省市：浙江;33