导读

无线信息与电力同时传输(SWIPT)技术一直受到人们的广泛关注。SWIPT利用常用于通信的环境射频(RF)波为低功耗物联网设备供电或延长其电池寿命，从而无需频繁更换电池。与许多已报道的无线电力传输(WPT)相比，SWIPT的一个主要优势是它能够利用现有的RF基础设施。然而，SWIPT面临着能量转换效率低和接收器设计复杂的挑战。相比之下，新兴的光波和信息的同时传输(SLIPT)是SWIPT的光学对应技术。此项技术受益于广泛的免授权光谱以及低成本和现成组件的使用。SLIPT作为光无线通信的一项附加功能，使其在包括室内、室外和水下等各种应用中具有很高的价值。

与光学无线通信共存的光波信息和电力同步传输 (SLIPT) 具有巨大的潜力，将SLIPT与全向接收器相结合，我们可以利用更高的功率，同时保持稳定的连接，但这仍是光学无线通信系统面临的主要挑战。此外，空间分割有望实现全向光无线通信 (OWC) 接收器的创建。使用空间分离的接收器还可以实现到达角和位置估计。光束跟踪可以缓解其他常见的OWC问题，例如发射器和接收器错位。一些研究已经解决了如何缓解OWC链路的精确对准约束的问题，特别是通过使用机械光束控制、接收器阵列、平面发光太阳能聚光器或闪烁光纤以及具有角度分集的接收器。在光通信系统中使用MIMO实现空间分集的理论研究已经出现。然而，OWC MIMO配置用于各种应用的全部潜力仍有待证明。

近日，阿卜杜拉国王科技大学的Jose Ilton De Oliveira Filho等人提出了一个结合空间和时间域SLIPT的系统，从而创建了一个能量收集MIMO-SLIPT系统。设计的系统可以通过基于波长的SLIPT方法的概念进行编程，使其根据接收到的波长运行。本研究的概念验证设备可以自供电，无需外部电源。开发的系统包括一个3×3硅光电探测器(PD)矩阵，其中的PD可以独立控制以解码信息或收集能量。本研究所提出的设备为OWC链路的光束漂移、抖动和错位问题提供了缓解解决方案，报告了使用正交频分复用(OFDM)调制方案的通信测试，其净数据速率超过85 Mbps。同时，该设备收集足够的能量进行自供电，并支持其他传感器的运行。此外，本研究将单平面称为二维(2D)空间接收器，将多平面称为三维(3D)空间接收器。这两个系统都有多个输入并能够提供多个输出。这种MIMO概念允许高速连接或各种来源的中断数据流。本研究的方法还为SLIPT系统引入了象限解码的概念。每个平面总共可以设置10个象限配置，从而使该设备成为一个可重构的2D接收器，类似于用于分集方案的可编程天线阵列。

该成果发表在《Light: Science & Applications》上，题为“Reconfigurable MIMO-based Self-powered Battery-less Light Communication System”。阿卜杜拉国王科技大学的Jose Ilton De Oliveira Filho为论文第一作者和通讯作者。

创新研究

1、多平面复用系统设计

电子开关矩阵易于小型化，从而有机会集成具有独立控制的多个接收器。这项工作，利用这一优势集成了多个带宽高于太阳能电池板的小型PD。创建了一个类似于太阳能电池板的大型接收器平面，可以将每个PD单元切换到光电导和光伏模式。通过拥有多个独立接口的PD，单元接收器可以分组到象限中以实现分集方案。此概念允许解码各种来源的独立数据信号或收集重复信号以进行最大比率合并(MRC)。使用PD阵列可以实现MIMO通信，类似于之前研究中通过有机双功能光伏电池提出的MIMO通信。例如，每个PD都可以解码一个特定来源的数据，从而提高整体数据速率。

图1. 一种具有多路接收平面的立方形接收器

2、单 PD 通信性能

当系统设置为接收通信信号时，STM32会向PD选择器和偏置控制块发送控制信号，以逐个反向偏置所有PD。随后，STM32利用其模拟数字转换器(ADC)对来自每个PD的接收信号进行采样。通过比较每个PD获得的信噪比(SNR)，STM32识别出提供最高SNR的PD。完整SNR扫描的总时间最多需要43 ms，该持续时间包括每个PD的稳定时间以及STM32执行必要的计算和比较所需的时间。在多输入单接收机操作中，PD之间的切换时间长达22 µs。使用具有比特和功率负载的OFDM调制方案来最佳地利用信道，获得了大面积PD的总数据速率为5.3 Mbps，净数据速率为4 Mbps，小型PD的总数据速率为25.7 Mbps，净数据速率为21.3Mbps。对于大PD，平均测量误码率(BER)为3.3×10^-3，低于前向纠错(FEC)限制3.8×10^-3。对于小PD，BER为3.4×10^-3。

图2. 单 PD 通信性能

3、基于象限的解码

象限解码是指通过多束或单束（无论是游走光束还是光束扩展）接收并行数据的方法，以确保整体信号质量。对于象限配置，总共需要四个步骤。在第一步和第二步中，将空闲矩阵划分为用于能量收集和信息解码的象限。随后，使用开关矩阵将所有选定用于能量收集的PD进行串联组合，而将选定用于信息解码的PD隔离并进行并联连接。这四条并行通道的最大组合净数据速率可达85.2 Mbps。在这种配置中，PD收集的能量无法为整个系统供电，因为MCU需要以全时钟速度运行并对四个并行信号流进行解码。在此设置中，PD应用锁定在象限中，只需要一次开关重新配置，由于所有开关同时接受命令，最高速度与单个PD配置的速度相同，同样为22 µs。

图3. 基于象限的解码的研究结果

4、波长切换

测试波长检测能力是因为每个激光束频率都可以调整为最适合每个波长的不同功能。测试中使用了三种波长：450 nm（蓝色）、658 nm（红色）和 530 nm（绿色）。所用的PD在 630 nm 处的典型响应度为0.36 A/W，随着波长减小，响应度会降低到接近0 A/W。此特性允许使用红色波长（625-750 nm）进行功率传输。绿色波长（500-565 nm）比蓝色波长（450-485 nm）具有更高的响应，使其更适用于可见光通信。然而，在水下通信场景中，由于水的吸收率更低，蓝色波长更适合。

5、能量收集和无电池操作

在小型PD平面的并行解码中，每个PD通道可以接收比MCU处理速度快得多的数据速率。可以使用直通系统架构来处理从DMA到外部存储器的数据。然而即使在最大时钟速度下，使用超低功耗MCU也无法实现85.2 Mbps的组合并行数据速率。但使用这种低功耗处理单元可以处理较慢的PD平面，同时无需电池，完全由接收器平面自供电。大面积接收器面板使用自然光源和人造光源进行测试，直接暴露在阳光下的能量收集测试，可以收集的最大功率为87.33 mW，足以为所有应用持续供电。尽管如此，典型的传感应用所需的数据速率比我们系统所能实现的要低得多。对于从人造光源收集能量，设备不能始终保持自供电能力，必须使用储能设备。超级电容器在单PD模式下充满电大约需要32.2分钟，在无活动PD模式下则需要31分钟。测试是在黑暗中进行的，环境光为14 lux。与立方体系统相比，大面积接收器的有效面积为900 mm²，而每个立方体平面的有效面积为69.3 mm²。在60 W白炽灯下，每个立方体平面的开路电压为4.66 V，短路电流为2.22 mA。立方体的转换率为0.149 mW/ mm²，而大面积接收器的转换率为0.12 mW/平mm²。然而，在相同照度下，其有效面积较小，产生的功率低于大面积接收器。

图4. (a) 大面积 PD 接收器面板的图片；(b) 颜色检测电路的框图，硬件设计在 PSoC CY8C5888 中实现；(c) 在红色激光、蓝色激光和绿色 LED 照射下，每个颜色检测器的 PGA 输出电压；(d)两位数字输出信号; (e) 户外测试设置；(f) 单 PD 和无活动 PD 配置下接收器面板输出 (橙色)、负载/系统 (蓝色) 和储能设备 (绿色) 的电压。

总结与展望

本项工作设计了一个基于SLIPT的多路复用系统，该系统由3×3配置排列的光电探测器(PD)阵列组成。该系统能够解码来自多个光束的信息，并且与此同时收集能量。PD可以在光电导和光伏模式之间快速切换，以最大限度地提高信息传输速率并提供按需能量收集。另外，该自供电设备可以在单输入单输出(SISO)下实现25.7 Mbps的总数据速率，在多输入多输出(MIMO)配置下实现85.2 Mbps的净数据速率。由于硬件限制，实现的最大数据速率85.2 Mbps只能使用示波器实时显示并离线处理。尽管如此，完全自供电的SLIPT系统的总速率5 Mbps是报告的最高速率，无论是在自由空间还是水下。在标准AMT1.5照明下，该设备可以收集高达87.33 mW的电量，约为维持整个系统所需功率的两倍。本项工作在恶劣环境中部署自主物联网设备及在太空中的应用具有很大潜力。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01566-3