适读人群 ：通信相关专业研究生、未来工程师和设计者，信息类专业的高年级师生和相关人士
虽然电池容量不能满足新移动设备的功率需求，但为了无线设备的功能性发展供电，需要对电池的寿命和再充电能力的概念进行一场革命。未来的手持设备和无线网络应能够从环境中自动充电并对能量消耗进行优化。
《绿色移动设备和网络：能量优化和收集技术》描述了从可替代的环境能源中收集能量并进行自动优化这两方面背后的原理和技术挑战，详细地介绍了各种供电技术的基本背景、动机和原理，综合地涵盖了不同的优化和能量收集技术。特别是：
检查了动态实时场景中能量消耗的自动优化背后的技术挑战；
考虑了不同类型的能量收集技术；
描述了通过不同能源，包括太阳能、声学、动力学、机械振动和电磁波收集能量背后的各种技术。
为了在理论和实践之间取得平衡，本书将不同的概念与相应方案的应用联系起来，并将它们与不同的标准建立联系。它讨论了电池寿命的持续监测以及不同功能的自动调整，包括数据接收、处理和显示、软件模块的复杂性和感知的视频量，为读者提供技术挑战、能量增益测量、限制和未来机会方面的清晰理解。
无线通信正在朝着“超第三代（B3G）和4G移动通信系统”的方向蓬勃发展。同时，多媒体传输、视频点播、游戏等已经受到越来越多的用户欢迎。此外，在过去的几年中，多媒体通信需求，尤其是手持移动设备对视频流的需求更是迅猛增长。截至2013年，手机和其他具有浏览器功能的移动设备将会取代个人计算机成为全球最常见的接入设备。随着技术的不断进步，为用户的无线设备如智能手机、苹果手机、个人数字助理（PDA）等提供了大量的备受欢迎的功能并支持日益复杂的应用。在过去的每一年里，移动设备的功能和计算能力呈指数形式增长，并且越来越多的应用程序和通信技术正在源源不断地添加到用户的手持无线设备中。支持这些服务所需的数据速率也显著增加。这些现象意味着无线设备的传输，特别是无线设备的接收需要更高的能量。然而过去几年每年的功率提升只有6%，显然这样的增长速率尚未与通信的处理技术的发展速度相一致，严重地影响了移动设备的实际使用，特别是当移动设备访问丰富的媒体服务时，需要消耗大量的能量。例如，苹果4S在访问3G网络时，其电池的使用时间仅为5h。
考虑到移动设备电池供电的严格要求和当前的局限性，不仅需要努力提高电池的质量，而且还应在电池寿命的延长方面下功夫。为了移动技术在未来几十年取得更大成功，必须彻底地更新电池可重复充电的概念。当然，这说起来容易做起来难。对于研究人员、手机生产商或者网络运营商而言，需要他们仔细研究和给他们带来挑战的一个重要问题是，如何在不显著影响手机整体性能的情况下对手机电池进行改进？这是一个非常有趣但又非常困难的命题。最近，人们已经着手优化设备和网络的能量损耗。设备通过无线网络接收视频内容，其接收内容的效果可根据当前设备电池的能量状态、内容的比特率、帧速率和颜色深度进行无缝地改变。因此，周期的动态自适应机制将极大地优化电池的功耗。值得深思的一个重要问题是，能量优化方案只能减少设备的能耗，对电池的寿命增加则显得杯水车薪。应该提出或者使用替代机制，以提高设备的自适应性或者至少通过生产或从环境中收集能量显著地延长设备的电池寿命。一个有趣但富有挑战性的方面是查看在无线手机设备和网络中所使用的不同能量收集技术及其适应性。为了满足用户对任务的能量需求，设备的硬件机制和软件策略必须进行重大改革，甚至可以从环境中自动启用充电机制。
重要的是，所有的技术平台和手机的核心是网络和射频通信，基站、路由器、设备通过网络通信支持丰富的媒体服务。无论用户处于哪个物理位置，都可以通过网络获取媒体信息。随着用户对无线网络上高速互联网浏览和多媒体传输的最新需求的不断增加，移动网络的焦点主要集中于提高数据速率和系统的处理能力。然而数据速率的提高和吞吐量的最大化已不再是下一代无线系统的唯一目标，而且这种趋势目前愈来愈明显。未来的网络应该是性能和能量效率方面达到更优。在性能和能量两方面进行优化的网络应该采用与之前完全不同的设计和架构，以满足未来更高数据速率通信所需的可持续发展要求。为了极大地减少目前无线网络的能量消耗，需要启用一种全新的方法。因此，下一代的高效网络不再是单纯地像传统研究那样集中在单一方面，如对物理层的研究，而是需要全面、系统、突破思维地挑战以前的基本假设。
从环境中收集能量会对目前无线网络的工作模式产生深远的影响。能量收集可以在发送器、接收器、路由器等设备中进行。然而与其他设备的能量收集相比，网络或基站等能量收集仍然处于萌芽阶段，这主要是由以下两个原因导致的。首先，无线网络所需能量的数量是巨大的，不可能在短时间内通过能量收集而获得。其次，网络或基站位于某一个固定的地方，并通过大公司的移动网络运营商对其运维操作。因此，通过现有的电网比从环境中收集能量更容易为基站供电。与此同时，鉴于计算复杂度的增加和基站功率的要求，从环境中收集能量为基站的运行来供电是未来几十年一个极其关键的问题。事实上，在传感器网络领域，考虑到传感器节点的功率要求，已经为此提出了很多的能量收集技术。如何将传感器网络的能量收集技术推广到无线蜂窝网络的能量收集是一项很有意思且极具挑战性的研究。
设备的能量收集是一项相对容易的挑战，这主要是因为无线设备的低功耗要求而造成的。此外，无线设备暴露在不同的能源环境中，如热、光、机械键、电磁波、音频等。因此，整体的方法是首先采用单一机制优化能量收集技术，然后再将这些不同的方面整合起来。
本书关注了移动设备和网络的能量管理。详细地描述了无线设备和网络中不同的能量优化技术和能量收集机制。具体而又全面地包含不同专家提出的能量优化和收集技术是本书的一大特点。本书为读者提供了一个学习能量优化和收集技术的独特平台。全书共分为两部分：第1部分描述了各种能量优化技术；第2部分则介绍了能量收集机制。
第1部分共分为7章，集中介绍了能量优化技术。其中，前3章着重于“设备的能量优化”，后面的4章则专注于“无线网络的能量优化”。第1章讨论了具有定位服务的移动设备能量管理和能量优化。第2章阐述了移动设备的高效供电机制。第3章为无线设备/手机的不同应用建立能量消耗模型，是对同一领域中之前所做研究的进一步扩展。在无线网络情况下，跨越不同无线网络的组件所消耗的能量是相同的，然而能量消耗的模式会随着网络类型的不同而不同。鉴于蜂窝网络语音通信的重要性，第4章利用人类语言的开-关特点，探索基于WiMax（全球微波互联接入）系统的能量优化。此外，考虑到互联网协议电话（VoIP）服务的质量，第5章深入研究了无线局域网中VoIP服务的能量优化技术。值得注意的是，此研究是通过部署的一个分布式Ad Hoc网络场景来实现的。此外，第6章解释了在移动Ad Hoc网络中考虑多重标准（最小能量、多个继电器等）的重要性，并对该领域之前的研究工作进行延伸和扩展。最重要的是，针对无线传感器网络，研究人员已经提出了很多种能量优化技术，因此第7章全面概述了无线传感器网络能量优化技术，并介绍了如何将这些技术推广至无线网络。
本书的第2部分包括6章，集中于描述移动设备的能量收集技术。鉴于开展无线设备能量收集技术研究的重要性，其中前4章致力于研究无线设备的不同能量收集方案因素和机制。最后两章讨论了无线网络中常见的能量收集技术。第8章评估CMOS（互补金属氧化物半导体）射频直流整流器在移动设备电磁能量收集过程中的性能。第9章使用归纳法详细描述了能量收集技术，而第10章则讨论了能量收集系统中混合信号的低功耗技术。在第11章，介绍了由具有感知能量的智能中间件构成无线传感器的设计，以及如何将它们运用到未来的无线设备中。同样地，本书的最后两章，即第12章和第13章分别针对无线传感器网络的能量收集和无线传感器网络中射频能量收集/管理，提出了一种能量消耗方案。
本书可以作为相关专业研究生、未来工程师和设计者在研究能量优化方面的参考用书，同时对未来研究下一代通信系统从环境中收集能量具有更深层次的指导意义。
编者在这里谨祝读者们能够度过愉悦而又美好的阅读时间，并非常乐意收到读者们对有关本书的任何质疑。
Hrishikesh Venkataraman博士是爱尔兰国家研究中心性能工程实验室—爱尔兰都柏林城市大学（DCU）RINCE研究所的高级研究员和爱尔兰企业署（EI）的首席研究员。于2007年在德国不来梅雅各布大学获得博士学位，从事的研究是无线蜂窝网络。2004年获得坎普尔印度理工学院（IIT）硕士学位，从担任德累斯顿工业大学的沃达丰移动通信部门主席期间开始他的硕士研究论文，并获得2003~2004年度德意志学术交流中心（DAAD）奖学金。他的主要研究方向包括移动多媒体，无线通信和无线能源。Venkataraman博士已经在期刊、国际会议以及书籍上发表了30多篇论文，并且在2009年10月加利福尼亚伯克利大学的国际会议上赢得佳论文奖。目前，Venkataraman博士是European Transactions on Telecommunications（ETT）期刊的一名执行编辑以及电子工程学会（IEEE）车辆技术学会的UKRI（英国/爱尔兰共和国）的创始成员。
Gabriel-Miro Muntean博士在异构无线环境的面向质量和性能感知自适应多媒体流以及数据通信领域取得了良好的业绩。自2003年以来，Muntean博士一直担任着由10个人组成的研究实验室的主管，这个实验室位于都柏林城市大学先进的工程大楼，并且其设施齐全，可用于多媒体交付研究。他已经成功地培养了三个博士生和三个硕士研究生，目前正在指导七个在读硕士研究生和一个博士后研究员。Muntean博士已经争取到100多万欧元的资金，他曾经是两个EI（爱尔兰企业署）、一个SPI（爱尔兰科学基金会）和五个IRCSET（爱尔兰科学，工程和技术研究理事会）基金的主要研究员，以及其他两个爱尔兰基金的合伙人。此外，他一直是三星和微软提供赞助的研究项目的负责人。Muntean博士是一本书的作者和两本书的合著人，并且在杂志上发表了25篇文章以及60多篇会议论文。他的论文获得过四个佳论文奖，而且他是IEEE Transactions on Broadcasting的副编辑。
译者序
原书前言
关于作者
第1部分优化技术
第1章具有定位服务的移动设备能量管理3
1.1简介3
1.2能耗和定位服务3
1.3移动设备的功率损耗分析和建模5
1.4设备模型6
1.4.1举例：诺基亚N95手机建模8
1.5降低功率损耗的方法10
1.5.1传感器管理策略11
1.5.2位置更新协议13
1.6举例：EnTracked14
1.6.1系统描述15
1.6.2结果17
1.7小结19
致谢20
参考文献20
第2章移动设备的高效供电机制22
2.1简介22
2.2相关工作22
2.3ESS的层模型24
2.3.1设备层25
2.3.2测量层25
2.3.3功率控制调节层26
2.3.4存储访问层26
2.3.5能量存储层26
ⅩⅨ2.4移动设备能源的高效供应27
2.4.1电压转换技术27
目录2.4.2多重电源电压28
2.4.3感知组件型动态电压调节28
2.5移动设备的软件影响29
2.5.1层模型的影响29
2.5.2CADVS的影响30
2.6CADVS举例31
2.6.1场景31
2.6.2测量装置34
2.6.3测量结果35
2.7小结41
参考文献41
第3章便携式无线设备上软件应用的能耗44
3.1简介44
3.2便携式无线设备44
3.3相关工作47
3.3.1智能电池检测47
3.3.2能量管理的软件策略48
3.3.3软件应用的分析工具48
3.3.4系统级能量管理49
3.3.5综合性研究49
3.4能耗模型51
3.5模型参数的确定54
3.5.1状态停留时间估计54
3.5.2能耗估计54
3.5.3处理和通信的能耗55
3.5.4其他方法57
3.6小结58
参考文献58
第4章打破WiMAX系统的节能和QoS之间的平衡61
4.1简介61
ⅩⅩ4.2WiMAX：对消费者而言低成本高带宽61
4.3人类语音模型和混合机制64
4.3.1场景1：单工语音通信64
4.3.2场景2：双工语音通信64
4.3.3混合机制65
4.4性能分析66
4.4.1场景1：单工通信67
4.4.2场景2：双工通信70
4.5数值结果与性能分析75
4.5.1场景1：单工通信76
4.5.2场景2：双工通信80
4.6小结89
致谢89
参考文献89
第5章WLAN中针对VoIP应用的基于QoE的节能91
5.1简介91
5.2关于WLAN节能的背景和相关工作92
5.2.1背景92
5.2.2相关工作93
5.3QoE和PSQA95
5.4ECVA：针对VoIP应用的一种基于QoE的节能机制96
5.5性能评估97
5.6小结101
参考文献101
第6章移动Ad Hoc网络最小能量多标准中继选择103
6.1简介103
6.2背景105
6.2.1基于位置转发105
6.2.2机会型转发和分布式方案106
6.3单一标准接收端中继选择107
6.3.1分布式选择过程107
6.3.2分析模型109
ⅩⅩⅠ6.3.3评估113
6.4多标准接收端中继选择116
6.4.1在多标准情况下最优的概念116
6.4.2多标准映射函数117
6.4.3贪婪算法与链路质量之间的平衡119
6.5说明：最小能量链路感知转发方案120
6.5.1仿真模型120
6.5.2性能度量120
6.6小结123
参考文献124
第7章WSN的能量优化技术126
7.1简介126
7.2无线传感器节点和网络127
7.3能量模型129
7.3.1无线电能量模型129
7.3.2处理器能量估计131
7.4组件级能量优化技术133
7.5系统级能量优化技术134
7.5.1计算通信能量平衡134
7.5.2动态功率管理135
7.5.3动态电压—频率调节136
7.5.4网络级能量优化137
7.6小结138
参考文献138
第2部分收集技术
第8章EM能量收集系统的设计问题145
8.1能量收集：技术和应用145
8.2RF能量收集方法的设计问题146
8.2.1电压倍增器147
8.2.2阻抗匹配148
8.2.3功率提升阈值150
ⅩⅩⅡ8.3天线和匹配的注意事项152
8.3.1辐射和耦合153
8.3.2功率传输153
8.3.3极化156
8.3.4性能评估156
8.3.5匹配160
8.4RF-DC整流器拓扑160
8.4.1电压倍增器的工作和设计原理163
8.5稳压器164
8.6反向散射调制方案167
8.6.1ASK调制167
8.6.2PSK调制168
8.6.3PSK与ASK比较168
8.7小结168
参考文献169
第9章磁耦合通信设备的能量收集172
9.1简介172
9.2磁耦合通信设备的能量收集173
9.2.1磁感应原理174
9.3使用磁感应方法将动能转换为电能176
9.3.1磁发电机的基本原理177
9.3.2微型磁发电机的设计179
9.4太阳能收集183
9.5热能收集186
9.5.1热能收集系统187
9.5.2WSN的热能收集器188
9.6DC-AC功率转换191
9.7无线功率传输系统将所收集的能量传输至目标系统194
9.7.1RFID功率传输系统194
9.7.2在医疗植入物中使用磁感应进行无线功率传输197
9.7.3多电压输出系统197
9.7.4使用螺旋形线圈为嵌入式医疗设备进行RF能量收集199
9.8小结202
参考文献202
ⅩⅩⅢ第10章能量收集系统的混合信号低功耗技术205
10.1简介205
10.2在能量收集系统中混合信号环境206
10.2.1微传感器无线网络206
10.2.2RFID207
10.3数字设计的低功率技术208
10.3.1降低数字电路的功率209
10.4在模拟设计中的低功率技术210
10.5模拟电路和数字电路的功耗比较211
10.6面向低电压混合信号设计的技术组合212
10.7模拟和数字低功耗技术的优化组合213
10.7.1瞬时压扩技术213
10.7.2亚阈值CMOS设计215
10.8面向功率的EDA工具216
10.8.1晶体管级工具217
10.8.2门级或逻辑级工具218
10.8.3寄存器传输级工具219
10.8.4行为级功率和功率仿真219
10.9小结220
参考文献220
第11章面向低功率的无线传感器能量收集的建模方法和用于智能化能量
感知中间件的现实仿真22411.1简介224
11.2移动和无线嵌入式系统的能量约束224
11.2.1本章结构225
11.3能量收集技术的工业工具链及相关工作226
11.3.1建模、仿真和实施的工业平台226
11.3.2WSN的电池模型和应用227
11.4功率分析的精度和概念性考虑229
11.4.1WSN功率分析基于功率状态模型的表达229
11.4.2可变电池电压的影响：从功率状态模型到阻抗模型238
11.4.3电池建模概念238
11.4.4收集建模概念242
ⅩⅩⅣ11.5实现245
11.5.1模型方程的分析推导245
11.6电池感知仿真的应用到负载均衡247
11.6.1使用梯度下降调整电池模型247
11.6.2WSN项目的评估247
11.7小结和未来的工作250
参考文献251
第12章WSN的能量损耗255
12.1简介255
12.2能量收集255
12.2.1能量收集的动机256
12.2.2能量收集：一种可行的解决方案257
12.3能量收集：除了太阳能收集器—它是一种可行的选择吗258
12.4存储收集的能量260
12.4.1能量收集系统261
12.4.2实验测量263
12.5能量预算：系统和网络运营265
12.5.1能量收集应用：挑战266
12.5.2存储和系统状态检索269
12.5.3面向分布式智能应用：挑战270
12.6小结271
参考文献272
第13章WSN的RF能量收集和管理273
13.1简介273
13.2RF能量收集273
13.3能量收集系统以及WSN功率损耗的回顾274
13.3.1环境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发送器277
13.4.3Powercast功率收集接收器278
13.4.4接收的RF功率测量和增益278
13.4.5能量存储280
13.5WSN的能量管理281
13.5.1算法操作284
13.6实验和仿真结果286
ⅩⅩⅤ13.6.1实验结果286
13.6.2仿真结果288
13.6.3RF Powercast 能量收集器的实时实现289
13.7小结和未来的工作291
参考文献292
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