一种无线数能同传调制方案与性能分析方法

1.本发明属于无线数能同传调制技术领域，尤其涉及一种基于多时隙时间索引的无线数能同传调制方案与性能分析方法。


背景技术：

2.目前，随着移动通信技术的发展与变革，无线网络中的接入设备正在呈数以亿计趋势的增长，由此带来了一系列的严峻问题。例如，有限的无线网络资源逐渐难以满足海量接入设备的通信需求，而海量接入设备的能量供应问题也将成为一大挑战，如何在提升频谱效率的同时为网络接入设备提供能量也将是未来的重要研究工作之一。
3.无线数能同传(simultaneous wireless information and power transfer，swipt)技术在近年来被学术界广泛的研究，其凭借可以在为接入设备进行数据通信的同时向其提供射频能量的优势，较为灵活的满足了海量接入设备的数据与能量需求，也必将成为未来无线网络中的关键技术之一。目前，针对无线数能同传的研究多数集中在介质访问控制(mac)层或网络层，而其中均假设采用经典的香农信道容量来衡量数据传输性能。在实际系统中，通常无法达到香农容量对应的理论上界。因此，为了更为实际的对无线数能同传进行评估与优化，就需要基于物理层调制进行较为深入的研究，而针对无线数能同传技术的调制方案设计也就成为了一个关键点。为了提高数据通信的频谱效率，可以在原始传统调制概念的基础上，额外引入其他索引维度，例如频率、时间、空间等，通过将额外的数据信息调制为相应的索引信息，提升信道单次使用的信息发送量。因此，多维索引调制可以较为有效的提升频谱效率，缓解未来海量设备连接带来的资源短缺问题。同时，采用索引调制还可以有效的缓和原始数据与能量传输之间的相互制约关系，从而并行的提升二者的传输性能。
4.目前基于无线数能同传的研究中有两种较为常见的方式，分别是时隙切换方式以及功率分割方式。在功率分割方式中，接收机通过功分器将接收到的信号按特定的功率比例分为两部分，一部分用于信息解调，另一部分用于能量收集。而在时隙切换方式中，整个传输周期可以分为若干个时隙，收发机选择若干个时隙进行数据的收发，而在其余时隙则进行能量的收发，通过控制不同时隙的数量的比例，可以动态的在数据传输与能量传输性能之间做出一定的权衡。在时隙切换方案中，具体进行数据传输与能量传输的时隙在传输之前需要通过控制信令交互的方式在收发机双方进行确定。如果采用索引调制的概念，通过将具体数据发送时隙的索引作为额外的索引信息进行交互，那么既可以免除了时隙控制信令信息的交互，又可以提高数据传输速率以及相应的频谱效率。但是，由于接收机对数据传输与能量传输的时隙信息是未知的，就需要额外增加具体时间索引的检测，从而提升解调的误符号率性能。而通过一定的功率分配与优化方案，可以使得相应的误符号率性能得到一定的保证。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6.现有的无线数能同传中存在频谱稀缺的问题。
7.传统的功率分割方案中，一般不对信号本身进行优化设计。用于能量收集的信号本质上仍是具备通信功能的数据信号，对于能量收集电路而言并非最优。
8.传统的时隙切换方案中，具体进行数据传输与能量传输的时隙在传输之前需通过控制信令交互的方式在收发机双方进行确定，进而增加了开销。
9.现有技术均假设采用经典的香农信道容量来衡量数据传输性能，但是在实际系统中，通常无法达到香农容量对应的理论上界。
10.由于接收机对数据传输与能量传输的时隙信息是未知的，就需要额外增加具体时间索引的检测，从而提升解调的误符号率性能。


技术实现要素：

11.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于多时隙时间索引的无线数能同传调制方案与性能分析方法。
12.本发明是这样实现的，一种无线数能同传性能分析方法，包括：构建基于时间索引调制的无线数能同传系统模型；分别计算能量信号被误检测为数据信号的概率、能量信号被成功识别的概率，以及数据信号被成功识别的概率、数据信号被误检测为能量信号的概率；在时间索引调制系统中激活多个时隙传输数据信息，并通过理论推导分析相应的无线数能同传数据传输与无线数能同传能量传输性能。
13.进一步，无线数能同传性能分析方法包括以下步骤：
14.步骤一，构建系统模型；
15.步骤二，信号误检测概率分析；
16.步骤三，无线数能同传数据传输性能理论分析；
17.步骤四，无线数能同传能量传输性能理论分析。
18.进一步，步骤一中的系统模型的构建包括：
19.基于时间索引调制的无线数能同传系统包含一个发射机与一个接收机；其中，发射机配置n
t
根天线，而接收机则仅配置单根天线，在收发机之间组成多输入单输出无线信道。当收发机之间的信道信息已知，信道质量在周期t内保持稳定，表示为单个调制符号传输时隙表示为t0，故在单个周期内总共传输l＝t/t0个调制符号。
20.传统调制维度：维度上的数据信息通过控制调制符号的幅度与相位，利用传统调制方式进行传输，调制阶数越高，单符号携带的数据信息量越多；
21.时间索引维度：维度上的数据信息被编码为数据信息符号的时间索引。对于一个基础的时间索引调制系统，在一个传输周期内，选择l中n个时隙用于传输数据，故共有种可能，相应的时间索引信息量也为比特，其中表示不大于x的最大整数；剩余的l-n个时隙用于传输能量。
22.在无线数能同传系统中，发射机发送额外的能量信号用于能量传输性能的提升。搭建基于时间索引调制的无线数能同传系统，通过在单周期内的所有时隙内选择单个时隙进行数据传输，利用其它时隙进行能量传输，同时通过数据传输与能量传输的时间索引来
携带额外的数据信息。
23.发射机的比特分割器负责将原始传输的比特信息分别根据传统维度与时间索引维度分为两部分，对于每次发送，传统维度比特序列长度为kc＝log2m，时间索引维度比特序列长度为在经过比特分割器后，传统维度与时间索引维度的数据信息会通过单独的数据信号处理模块。
24.传统调制器采用m阶正交幅度调制m-qam的方式。发射机的m-qam调制器负责将kc长度的比特信息映射为相应的调制符号bm(m＝1,
…
,m)，并且满足kc＝log2m，所有调制符号的基带平均传输功率表示为ps。
25.时间索引调制去负责将长度为k
t
时间索引比特序列映射为相应的时间索引调制向量a，如果选择l个时隙中的第l个用于传输数据，那么向量的第l个元素值为1，而其他元素值为0；对于时间索引调制，有
26.能量信号生成器负责生成用于射频能量传输的额外能量信号。能量信号表示为u＝ui juq，其中ui和uq分别代表能量信号的同相与正交维度分量；能量信号功率大于数据信号功率，能量信号采用确定性信号，相应的基带发射功率为|u|2＝pe。
27.将相应的数据信号与能量信号进行有机的整合，经过整合后的基带信号x表示为：
28.x＝bm·
a u
·
(1-a)
29.在经过数据与能量信号的整合叠加后，将相应的基带信号转换为射频符号进而通过天线发射出去。对于多天线发射机，采用最大比合并的方式，发射机的波束成形向量表示为w＝h
*
/||h||。发射机天线发射的最终信号表示为：
30.x＝w
·
x；
31.接收端包含以下模块：
32.功率分割器负责将接收射频信号分离出较小一部分比例用于检测能量区分数据与能量信号，当分离出的检测信号比例为μ，那么用于信号类型检测的信号分量表示为：
[0033][0034]
用于实际数据或能量接收的信号分量表示为：
[0035][0036]
其中，y
(test)
与y
(main)
均为长度为l的向量，表示整个传输周期内的所有时隙接收信号；za代表接收端天线的加性高斯白噪声，均值为0，方差为zh表示信道估计误差。在系统中，功率分割因子μ为一个较小的固定数值。
[0037]
包络检波器负责对信号y
(test)
进行包络检测，以确定主信号y
(main)
的数据或能量成分。考虑功率分割因子μ，包络检波器的功率检测门限表示为μp
th
。根据能量信号的设计，基带传输功率要大于数据信号的基带传输功率。因此，对于某一个时隙接收到的检测信号如果功率值高于此门限，则对应的主信号进入能量采集模块；反之，对应的主信号进入传统数据解调模块进行数据信息的解调。能量采集电路与数据解调
模块之间的通阻由时隙开关进行控制，通过包络检波器的结果进行动态的切换。
[0038]
包络检波器的检测结果进入时间索引解调器，对于每个周期生成一个长度为l的检测标识向量。对于每周期中的第l个时隙，如果对应的检测信号检测为能量信号，则检测标识向量中的第l个元素设置为0，否则设置为1；向量与时间索引调制向量a呈对应关系。如果时间索引解调后发现仅有一个时隙传输数据信号，则输出与数据传输时间索引对应的长为k
t
的比特序列作为时间索引解调信息。
[0039]
对于检测为数据信号的主信号经过射频-基带转换器转换为基带信号，再进行基带解调，相应的基带信号表示为：
[0040][0041]
其中，x
l
代表向量x的第l个元素，z
a,l
为向量z
a,l
的第l个元素，z
h,l
为向量z
h,l
的第l个元素；z
cov
代表射频-基带转换器的加性高斯白噪声，均值为0，方差为而z
cov,l
代表z
cov
的第l个元素。
[0042]
在经过射频-基带转换器后，如果时间索引解调器成功输出时间索引解调信息，则数据基带信号通过传统解调器利用最大似然算法解调为长为kc的比特序列作为传统解调信息。
[0043]
接收机的比特合成器负责将携带时间索引信息的比特序列与携带传统信息的比特序列进行串行整合，并且输出整合后的比特序列。
[0044]
能量采集模块包含能量采集电路以及电池或超级电容，能量采集电路主要由阻抗匹配电路和整流器组成。
[0045]
进一步，步骤二中的信号误检测概率分析包括：
[0046]
当某能量信号位于第l个时隙，则在接收端的检测功率为：
[0047][0048]
其中，z
i,h,l
和z
q,h,l
分别为信道估计误差z
h,l
的同相与正交分量，z
i,a,l
和z
q,a,l
分别为噪声z
a,l
的同相与正交分量。检测功率服从自由度为2的非中心卡方分布，且满足概率密度函数表示为：
[0049][0050]
其中，i0()为第一类修正贝塞尔函数；
[0051][0052]
能量信号被误检测为数据信号的概率为：
[0053][0054]
其中，是马坎q函数。
[0055]
能量信号被成功识别的概率为pr
(e
→
e)
＝1-pr
(e
→
d)
。
[0056]
当某个携带符号的数据信号位于第l个时隙，则在接收端的检测功率为：
[0057][0058]
其中，a
i,m
和a
q,m
分别代表传统调制符号bm的同相与正交幅度分量。在给定传统维度的平均传输功率ps后，采用m-qam调制方式的同相与正交幅度满足：
[0059][0060]
其中m-qam星座图中两个相邻星座点之间的欧式距离表示为在给定传统维度的数据调制符号bm后，服从自由度为2的非中心卡方分布，其中的概率密度函数表示为：
[0061][0062]
故数据信号被成功识别的概率为：
[0063][0064]
数据信号被误检测为能量信号的概率为pr
(d
→
e)
＝1-pr
(d
→
d)
。
[0065]
进一步，步骤三中的无线数能同传数据传输性能理论分析包括：
[0066]
m-qam调制符号被正确解调的概率为：
[0067][0068]
数据信号被正确识别，再进行传统qam解调，解调正确后恢复数据信号携带的比特信息，具体包括以下四种情况：
[0069]
(1)各时隙的信号皆识别正确。接收端正确识别n个数据信号和l-n个能量信号，但
n个数据信号在后续的解调过程仍可能出错，得n个数据信号中有n1个解调出错的概率为：
[0070][0071]
情况(1)对应的误码率为
[0072]
(2)部分时隙的信号识别错误，但最后恰好识别到n个数据信号，有同样个数的数据信号和能量信号被误识别为对方。当n个数据信号中，实际存在n2个能量信号和(n-n2)个数据信号；(n-n2)个数据信号有n2′
个解调错误，概率为：
[0073][0074]
情况(2)对应的误码率为：
[0075][0076]
其中，e1是对能量信号进行解调导致的平均错误比特数，e2(2n2)表示2n2个时隙的信号被误识别导致的时间索引维度的平均错误比特数。
[0077]
(3)部分时隙的信号识别错误，且识别到n
′
《n个数据信号。接收端识别到的数据信号仅有n
′
个，且其中有n3个实为能量信号，(n
′‑
n3)个才是真正的数据信号，概率为：
[0078][0079]
情况(3)对应的误码率为：
[0080][0081]
(4)部分时隙的信号识别错误，且识别到n
′
》n个数据信号。接收端识别到的数据信号多达n
′
个，且仅对前n个数据信号进行qam解调。当n
′
个数据信号中，有n4个实为能量信号和(n
′‑
n4)个为数据信号；n
′
个数据信号的前n个信号中，有n4′
个能量信号和(n-n4′
)个数据信号；(n-n4′
)个数据信号有n4″
个解调错误，概率为：
[0082][0083]
情况(4)对应的误码率为：
[0084][0085]
由于情况(1)至情况(4)相互独立，故总误码率为四种情况误码率之和∈＝∈1 ∈2 ∈3 ∈4。
[0086]
由于∈是关于信号模||h||的函数，平均每时隙的系统可达速率为：
[0087]
r(||h||)＝(nkc k
t
)(1 ∈log∈ (1-∈)log(1-∈))/l.；
[0088]
考虑信道h的统计特性，系统在每时隙的平均传输速率为：
[0089][0090]
进一步，步骤四中的无线数能同传能量传输性能理论分析包括：
[0091]
数据信号和能量信号均可能被识别为能量信号，进而被导向能量采集模块进行整流与能量收集。一个能量信号在接收端的收集功率为：
[0092][0093]
其中，
[0094][0095]
其中，p
sen
表示能量采集模块的触发门限，p
max
是能量采集模块的饱和输出功率，α1与α2是与能量采集模块中电路相关的固定参数。
[0096]
数据信号被用于能量采集时，采集功率为：
[0097][0098]
一个传输周期内，两种信号的采集功率分别为：
[0099][0100]
总采集功率为：
[0101][0102]
考虑信道h的统计特性，系统在每时隙的平均能量采集功率为：
[0103][0104]
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的无线数能同传性能分析方法的无线数能同传性能分析系统，无线数能同传性能分析系统包括：
[0105]
模型构建模块，用于构建系统模型；
[0106]
误检测概率分析模块，用于进行信号误检测概率分析；
[0107]
数据传输性能分析模块，用于进行无线数能同传数据传输性能理论分析；
[0108]
能量传输性能分析模块，用于进行无线数能同传能量传输性能理论分析。
[0109]
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的无线数能同传性能分析方法的步骤。
[0110]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的无线数能同传性能分析方法的步骤。
[0111]
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现所述的无线数能同传性能分析系统。
[0112]
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
[0113]
第一，针对现有技术存在的无线数能同传中频谱稀缺的问题，以及传统时隙切换方案用于控制信令交互的额外开销问题。本发明基于时间索引调制方案，构建了一种多时隙下的无线数据与能量一体化传输模型，在时间索引调制系统中激活多个时隙来传输数据信息，既免除了时隙控制信令信息的交互，又可以提高数据传输速率以及相应的频谱效率。通过理论推导分析相应的数据传输与能量传输性能，从而可以为后续的系统优化与设计提供理论基础。
[0114]
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
[0115]
本发明提出的多时隙下的无线数据与能量一体化传输模型，可以为低功耗设备同时进行数据和能量的一体化传输，且相较于传统方案具备更高的传输速率。
[0116]
第三，本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：
[0117]
借助索引调制技术，进一步提升了数据能量一体化传输的频谱效率。借助接收机的功率检测机制，省去了收发机的控制信令交互，进一步节省了通信开销。
附图说明
[0118]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0119]
图1是本发明实施例提供的无线数能同传性能分析方法流程图；
[0120]
图2是本发明实施例提供的无线数能同传性能分析方法原理图。
[0121]
图3是本发明实施例提供的仿真结果。
具体实施方式
[0122]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0123]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于多时隙时间索引的无线数能同传调制方案与性能分析方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0124]
为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
[0125]
如图1所示，本发明实施例提供的无线数能同传性能分析方法包括以下步骤：
[0126]
s1，构建系统模型，即构建基于时间索引调制的无线数能同传系统模型；
[0127]
s2，信号误检测概率分析，即分别计算能量信号被误检测为数据信号的概率、能量信号被成功识别的概率，以及数据信号被成功识别的概率、数据信号被误检测为能量信号的概率；
[0128]
s3，无线数能同传数据传输性能理论分析，即在时间索引调制系统中激活多个时隙传输数据信息，并通过理论推导分析相应的无线数能同传的数据传输传输性能。
[0129]
s4，无线数能同传能量传输性能理论分析，即在时间索引调制系统中激活多个时隙传输数据信息，并通过理论推导分析相应的无线数能同传的能量传输性能。
[0130]
作为优选实施例，如图2所示，本发明实施例提供的无线数能同传性能分析方法具体包括以下步骤：
[0131]
s1、构建系统模型。基于时间索引调制的无线数能同传系统包含一个发射机与一个接收机，如图2所示。其中发射机配置n
t
根天线，而对于接收机，由于多为低功耗设备，仅仅配置单根天线，因此在收发机之间组成了多输入单输出(miso)无线信道。假设收发机之间的信道信息已知，信道质量在周期t内保持稳定，表示为单个调制符号传输时隙表示为t0，因此，在单个周期内，总共可以传输l＝t/t0个调制符号。在时间索引调制系统中，数据信息不仅仅在传统调制维度上传输，还可以体现在激活的符号传输时间索引上。
[0132]
传统调制维度：此维度上的数据信息通过控制调制符号的幅度与相位，利用传统的调制方式进行传输(例如bpsk、qpsk，m-qam)，调制阶数越高，单符号携带的数据信息量越多；
[0133]
时间索引维度：此维度上的数据信息被编码为数据信息符号的时间索引。对于一个基础的时间索引调制系统，在一个传输周期内，选择l中n个时隙用于传输数据，因此共有可能，相应的时间索引信息量也为特，其中表示不大于x的最大整数。剩余的l-n个时隙用于传输能量。
[0134]
在无线数能同传系统中，发射机也会发送额外的能量信号用于能量传输性能的提升。在传统的时隙切换方式中，通过在接收机配置一个时隙切换开关，可以动态的选择进行数据接收与能量接收的时隙。而传输数据与能量信号的时间索引又可以额外的携带数据信息。受此启发，可以搭建基于时间索引调制的无线数能同传系统，通过在单周期内的所有时隙内选择单个时隙进行数据传输，利用其它时隙进行能量传输，同时通过数据传输与能量传输的时间索引来携带额外的数据信息。
[0135]
发射机的比特分割器负责将原始传输的比特信息分别根据传统维度与时间索引维度分为两部分，对于每次发送，传统维度比特序列长度为kc＝log2m，时间索引维度比特序
列长度为在经过比特分割器之后，传统维度与时间索引维度的数据信息会通过单独的数据信号处理模块。
[0136]
传统调制器采用m阶正交幅度调制(quadrature amplitude modulation，m-qam)的方式。发射机的m-qam调制器负责将kc长度的比特信息映射为相应的调制符号bm(m＝1,
…
,m)，并且满足kc＝log2m，所有调制符号的基带平均传输功率表示为ps。
[0137]
时间索引调制去负责将长度为k
t
时间索引比特序列映射为相应的时间索引调制向量a，如果选择l个时隙中的第l个用来传输数据，那么该向量的第l个元素值为1，而其他元素值为0。对于时间索引调制，有
[0138]
能量信号生成器负责生成用于射频能量传输的额外能量信号。能量信号表示为u＝ui juq，其中ui和uq分别代表能量信号的同相与正交维度分量。由于能量信号与数据信号在不同的时隙上进行传输，因此二者之间不会有直接的相互干扰。为了提高能量的传输量，可以使得能量信号功率大于数据信号功率，以便同时可以更好的区分数据与能量信号。此时，采用确定性能量信号相比于随机能量信号可以得到更低的时间索引解调错误概率，因此能量信号采用确定性信号，相应的基带发射功率为|u|2＝pe。
[0139]
该模块负责将相应的数据信号与能量信号进行有机的整合，经过整合后的基带信号x表示为：
[0140]
x＝bm·
a u
·
(1-a)
[0141]
在经过数据与能量信号的整合叠加之后，需要将相应的基带信号转换为射频符号进而通过天线发射出去。对于多天线发射机，采用最大比合并的方式，即发射机的波束成形向量表示为w＝h
*
/||h||。进一步的，发射机天线发射的最终信号可以表示为：
[0142]
x＝w
·
x
[0143]
在传统纯数据通信的时间索引调制系统中，接收机可以采用最大似然解调算法，即整个周期内每个时隙接收到的符号可以事先转换为基带信号并且存储在缓存中，每过一个周期将存储的信号提出，通过对比所有时隙基带接收信号的总欧式距离来同时确定接收的传统维度数据信息以及时间索引携带的数据信息。但是，在基于时间索引调制的无线数能同传系统中，对于传输能量信号的时隙，需要直接将接收到的射频信号接入至能量采集电路，而无法事先将接收到的射频信号存储起来。因此，由于硬件的限制，最大似然解调算法在此系统中不再适用。接收端主要包含以下模块：
[0144]
功率分割器负责将接收射频信号分离出较小一部分比例用于检测能量来区分数据与能量信号，假设分离出的检测信号比例为μ，那么用于信号类型检测的信号分量表示为：
[0145][0146]
用于实际数据或能量接收的信号分量表示为：
[0147][0148]
其中，y
(test)
与y
(main)
均为长度为l的向量，表示整个传输周期内的所有时隙接收信
号，za代表接收端天线的加性高斯白噪声，均值为0，方差为zh表示信道估计误差。在本系统中，功率分割因子μ为一个较小的固定数值。
[0149]
包络检波器负责对信号y
(test)
进行包络检测，以确定主信号y
(main)
的数据或能量成分。考虑功率分割因子μ，包络检波器的功率检测门限表示为μp
th
。根据能量信号的设计，其基带传输功率要大于数据信号的基带传输功率。因此，对于某一个时隙接收到的检测信号如果其功率值高于此门限，则对应的主信号进入能量采集模块。反之，对应的主信号进入传统数据解调模块进行数据信息的解调。能量采集电路与数据解调模块之间的通阻由时隙开关进行控制，通过包络检波器的结果进行动态的切换。
[0150]
包络检波器的检测结果会进一步的进入时间索引解调器，并且进而对于每个周期，生成一个长度为l的检测标识向量。对于每周期中的第l个时隙，如果对应的检测信号检测为能量信号，那么该检测标识向量中的第l个元素设置为0，否则设置为1。该向量与时间索引调制向量a呈对应关系。如果时间索引解调后发现仅有一个时隙传输数据信号，便输出与该数据传输时间索引对应的长为k
t
的比特序列作为时间索引解调信息。
[0151]
对于检测为数据信号的主信号其首先经过射频-基带转换器转换为基带信号，然后再进行进一步的基带解调，相应的基带信号表示为：
[0152][0153]
其中，x
l
代表向量x的第l个元素，z
a,l
为向量z
a,l
的第l个元素，z
h,l
为向量z
h,l
的第l个元素，z
cov
代表射频-基带转换器的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为而z
cov,l
代表z
cov
的第l个元素。
[0154]
在经过射频-基带转换器之后，如果时间索引解调器成功输出了时间索引解调信息，那么数据基带信号进一步通过传统解调器利用最大似然算法解调为长为kc的比特序列作为传统解调信息。
[0155]
接收机的比特合成器负责将携带时间索引信息的比特序列与携带传统信息的比特序列进行串行整合，并且输出整合后的比特序列。
[0156]
能量采集模块包含能量采集电路以及电池或超级电容，能量采集电路主要由阻抗匹配电路和整流器组成。
[0157]
s2、信号误检测概率分析。
[0158]
假设某能量信号位于第l个时隙，其在接收端的检测功率为：
[0159][0160]
其中，z
i,h,l
和z
q,h,l
分别为信道估计误差z
h,l
的同相与正交分量，z
i,a,l
和z
q,a,l
分别为噪声z
a,l
的同相与正交分量。该检测功率服从自由度为2的非中心卡方分布，且满足概率密度函数表示为：
[0161][0162]
其中，i0()为第一类修正贝塞尔函数，为：
[0163][0164]
由此可得，一个能量信号被误检测为数据信号的概率为：
[0165][0166]
其中是马坎q函数。
[0167]
进一步地，一个能量信号被成功识别的概率为pr
(e
→
e)
＝1-pr
(e
→
d)
。
[0168]
假设某个数据信号(携带符号)位于第l个时隙，其在接收端的检测功率为：
[0169][0170]
其中，a
i,m
和a
q,m
分别代表传统调制符号bm的同相与正交幅度分量。在给定传统维度的平均传输功率ps后，采用m-qam调制方式对应的同相与正交幅度应满足：
[0171][0172]
其中m-qam星座图中两个相邻星座点之间的欧式距离表示为在给定传统维度的数据调制符号bm后，服从自由度为2的非中心卡方分布，其中的概率密度函数表示为：
[0173][0174]
因此，一个数据信号被成功识别的概率为：
[0175][0176]
一个数据信号被误检测为能量信号的概率为pr
(d
→
e)
＝1-pr
(d
→
d)
。
[0177]
s3、无线数能同传数据传输性能理论分析。
[0178]
首先，一个m-qam调制符号被正确解调的概率为：
[0179][0180]
数据信号首先需被正确识别，再进行传统qam解调，解调正确后才能恢复该数据信号携带的比特信息。由此，需要讨论以下四种情况。
[0181]
情况一
[0182]
各时隙的信号皆识别正确。此时，接收端正确识别了n个数据信号和l-n个能量信号。然而，这n个数据信号在后续的解调过程仍可能出错。可得n个数据信号中有n1个解调出错的概率为：
[0183][0184]
情况一对应的误码率为
[0185]
情况二
[0186]
部分时隙的信号识别错误，但最后恰好识别到n个“数据信号”。此时，恰好有同样个数的数据信号和能量信号被误识别为对方。假设n个“数据信号”中，实际存在n2个能量信号和(n-n2)个数据信号；随后，(n-n2)个数据信号有n2′
个解调错误，此概率为：
[0187][0188]
情况二对应的误码率为：
[0189][0190]
其中e1是对能量信号进行解调导致的平均错误比特数，e2(2n2)表示2n2个时隙的信号被误识别导致的时间索引维度的平均错误比特数。
[0191]
情况三
[0192]
部分时隙的信号识别错误，且识别到n
′
《n个“数据信号”。此时，接收端识别到的“数据信号”仅有n
′
个，且其中有n3个实为能量信号，(n
′‑
n3)个才是真正的数据信号。此种情况的概率为：
[0193][0194]
对应的误码率为：
[0195][0196]
情况四
[0197]
部分时隙的信号识别错误，且识别到n
′
》n个“数据信号”。此时，接收端识别到的“数据信号”多达n
′
个，且仅对前n个“数据信号”进行qam解调。首先，假设n
′
个“数据信号”中，有n4个实为能量信号和(n
′‑
n4)个为数据信号；n
′
个“数据信号”的前n个信号中，有n4′
个能量信号和(n-n4′
)个数据信号；进一步地，这(n-n4′
)个数据信号有n4″
个解调错误。此情况的概率为：
[0198][0199]
对应的误码率为：
[0200][0201]
由于情况一至情况四相互独立，所以总误码率为四种情况误码率之和∈＝∈1 ∈2 ∈3 ∈4。
[0202]
进一步地，由于∈是关于信号模||h||的函数，平均每时隙的系统可达速率为：
[0203]
r(||h||)＝(nkc k
t
)(1 ∈log∈ (1-∈)log(1-∈))/l.
[0204]
考虑信道h的统计特性，系统在每时隙的平均传输速率为：
[0205][0206]
s4、无线数能同传能量传输性能理论分析。
[0207]
数据信号和能量信号都可能被识别为“能量信号”，进而被导向能量采集模块进行整流与能量收集。首先，一个能量信号在接收端的收集功率为：
[0208][0209]
其中，
[0210][0211]
其中，p
sen
表示能量采集模块的触发门限，p
max
是能量采集模块的饱和输出功率，α1与α2是与能量采集模块中电路相关的固定参数。
[0212]
类似地，一个数据信号被用于能量采集时，其采集功率为：
[0213]
[0214]
进一步地，一个传输周期内，两种信号的采集功率分别为：
[0215][0216][0217]
总采集功率为：
[0218][0219]
考虑信道h的统计特性，系统在每时隙的平均能量采集功率为：
[0220][0221]
本发明实施例提供的无线数能同传性能分析系统包括：
[0222]
模型构建模块，用于构建系统模型；
[0223]
误检测概率分析模块，用于进行信号误检测概率分析；
[0224]
数据传输性能分析模块，用于进行无线数能同传数据传输性能理论分析；
[0225]
能量传输性能分析模块，用于进行无线数能同传能量传输性能理论分析。
[0226]
为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
[0227]
针对低功耗物联网设备，本发明的技术方案能利用微基站对网络中的目标节点同时进行数据和能量传输。该技术方案下，收发机可以节省信令交互开销，且取得优于传统方案的传输速率。
[0228]
本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
[0229]
仿真结果如图3所示，当平均发射功率和激活的数据时隙数量(n)一致时，得益于本发明的技术方案(tim)采用的时间索引调制技术，其平均传输速率优于传统方案(ts、ps)。
[0230]
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
[0231]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。