CN110518987B - 数能一体化传输系统及信号分割方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数能一体化传输系统及信号分割方法，系包括数据源、调制器、信号发射器、接收器、信号分割电路、能量接收机、信息接收机、电池和调制器；数据源产生的数据通过调制器进行调制之后通过发射器进行发射，接收器对接收到的信号通过信号分割电路进行能量和信息分割，分别输入能量接收机和信息接收机，能量接收机与电池相连，信息接收机连接调节器；分割方法包括功率分割与时间切换。本发明以在收能约束以及发射功率约束下最大化信道吞吐量作为优化目标，建立功率分割与时间切换的优化函数，通过对优化函数求解得到最优分配方案，能够均衡数能一体化传输网络中的能量传输和数据传输，提高网络传输性能，减少资源浪费。

Description

数能一体化传输系统及信号分割方法

技术领域

本发明属于通信领域，特别涉及一种数能一体化传输系统及传输信号分割方法。

背景技术

随着第五代(5G)通信时代以及物联网(IoT)时代的即将到来，越来越多的用户以及各式各样的设备正在接入，因此导致对于数据以及能量的需求也在与日俱增。事实上，电池问题已经称为制约现在电子设备(特别是移动端)发展的一个重要瓶颈，所以能量供应问题不可避免的被关注。不论是采用更换电池还是手动充电的方式对于现代快节奏的生活而言都太繁琐了，因此无限能量传输(WPT)技术正越来越受到学术界以及工业界的关注与研究。当然，无线信息传输(WIT)作为通信的本职，也是基本需要。所以新型的数能一体化无线通信网络(DEINs)技术将传统的无线信息传输与无线能量传输结合起来，实现数据与能量的同时传输，打破了传统的供能方式，因而正发展的越来越快。

近些年，无线能量传输的研究风生水起，引发了一系列关于数能一体化网络技术的研究热潮。从数能一体化网络技术最早的研究论文发表以来，大量的研究资源被投入于此。

论文

随着第五代(5G)蜂窝系统和物联网(IoT)的推出即将到来，人们对超高数据传输率、高密度连接和高流动性的确会在很大程度上得到满足。新型的数能一体化无线通信网络(DEINs)将传统的无线网络中相互独立的无线信息传输(WIT)和无线能量传输(WET)融合起来，实现数据和能量的协作同传，打破了传统的能量供应模式，系统设备通过能量收集(EH)模块从自身所处环境获取可能的无限能源供应，有巨大的潜力实现无线通信能效问题的解决。

近年，无线能量传输的相关研究逐渐兴起，引发了国内外一系列关于数能一体化网络的研究热潮。新加坡国立大学的Zhang Rui团队展开了关于将数据与能量协同传输的相关研究。清华大学的牛志升教授团队主要致力于降低通信过程中的能量消耗量，从而提高通信的能量效率。电子科技大学杨鲲教授团队2016年首次提出了数能一体化网络的概念，并对数能一体化网络的具体框架以及网络中的各层进行了阐述。在以前的研究中，主要的数据与能量协同传输方案包括功率分割(Power Splitting,PS)和时隙切换(TimeSwitching,TS)。一些文献研究了多天线的数能同传在三节点多输入多输出(multiple-input multiple-out,MIMO)广播系统的性能表现。在能量受限的中继网络中，中继节点从源射频(RF)信号中获取能量。物联网(IoT)发展迅速，与数能一体化网络相适应，这对延长传感器和其他设备的使用寿命是有益的。然而，大部分的数能一体化网络研究都是停留在资源分配层面，很少的研究深入到物理底层。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种以在收能约束以及发射功率约束下最大化信道吞吐量作为优化目标，建立功率分割(PS)与时间切换(TS)的优化函数，通过对优化函数求解得到最优分配方案，能够均衡数能一体化传输网络中的能量传输和数据传输，提高网络传输性能的数能一体化传输系统及传输信号分割方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：数能一体化传输系统，包括数据源、调制器、信号发射器、信号接收器、信号分割电路、能量接收机、信息接收机、电池和调制器；数据源产生的数据信号通过调制器进行调制之后通过发射器进行发射，信号接收器对接收到的信号通过信号分割电路进行能量和信息分割，分别输入能量接收机和信息接收机，能量接收机与电池相连，信息接收机连接调节器。

本发明的数能一体化传输系统信号分割采用功率分割方式，包括以下步骤：

S11、初始化系统参数：设发射机发射的射频信号为x(t)，且E[|x(t)|²]＝1，E[·]和|·|分别表示数学期望和绝对值；设接收机接收的射频信号为y(t)，发射机与接收机之间距离为d，且路径损耗因子为λ；设信道为Nakagami衰落信道，信道系数表示为h，信道功率系数表示为v＝|h|²，概率密度函数表示为：

其中m表示信道衰落因子，m越小，信道衰落越严重；Γ(m)表示m的阶乘；

S12、计算功率分割后的射频信号和能量信号；

经功率分割后，数能接收机接收的用于数据获取的射频信号表示为：

其中h(t)表示信道增益；n_a(t)表示数能接收机天线从无线空口获得的加性高斯白噪声，其噪声功率表示为

n_ID(t)表示由于信息解调器件非完美特性引入的加性高斯白噪声，其噪声功率为

ρ_PS表示功率分割因子；P_t表示数能发射机平均发射功率；计算时，n_ID(t)远远大于n_a(t)，所以护忽略n_a(t)；

经过采样后，射频信号表示：

h[l]、x[l]、n_a[l]、n_ID[l]表示离散的采样信号，l表示采样点；

方便起见，将上式写为：

进入能量收集电路的信号为：

S13、计算数能接收机获取的能量；

数能接收机获取的能量表示为：

其中，P_i表示第i个调制符号的发射功率，η表示整流器的固定转换效率，P_th表示射频信号接收机的整流激活门限；

若数能发射机采用M阶调制方式，则各调制符号发射功率和平均发射功率之间的关系为：

M-PSK、M-QAM和M-PAM中各个调制符号对应的功率表示为：

其中：

表示向上取整，x mod y表示：如果x是y的整数倍，则x mod y＝y；否则xmod y等于x除以y的余数；

得到数能接收机获取能量的平均功率为：

根据信息论中最大离散熵定理，为使数能发射机发射的调制符号携带有最大的信息量，假设所有调制符号等概率发出，即：

因此数能接收机获取能量的平均功率进一步化简为：

S14、求解信息解码性能：采用数能发射机和数能接收机信息解调电路之间的吞吐量来表示信息解码性能；在给出信息吞吐量之前，首先需要衡量数能发射机和数能接收机信息解调电路之间的信噪比，将信噪比γ(v)表示为信道功率系数v的函数：

给定某一信噪比γ，数能收发机之间的数据吞吐量表示为：

其中：χ表示该种调制方式中所有合法的调制符号，x表示该种调制方式中的某一具体调制符号；

衰落信道模型的信噪比γ是随机变量，则在衰落信道中的平均吞吐量通过如下公式进行积分计算：

S15、建立优化目标：根据公式(9)和公式(13)中分别给出的数能接收机一侧的平均能量获取性能和平均数据吞吐量，将数能收发策略的最优化设计建模为在保证最低收能需求的前提下，平均数据吞吐量的最大化问题：

其中

表示最低收能需求；该优化问题的目标是找到满足条件的数能发射机平均发射功率P_t和数能接收机的功率分割因子ρ_PS；

S16、求解优化目标，当P_peak/P_ave≥3成立时，

自然成立；由公式(11)和(13)得出，

和

均是关于P_t的单调递增的函数；而

是关于ρ_PS的单调递增函数，

则是关于ρ_PS单调递减的函数；针对优化问题(15)，令P_t＝P_ave，

即可以实现平均数据吞吐量的最大化；使得数能接收机一侧，进入能量获取电路的射频信号刚刚满足接收机收能需求，而使得更多的射频信号进入信息解调电路，以实现数据吞吐量的最大化；为了获得满足

时的最佳功率分割因子ρ_PS ^*，采用线性二分法求得最优功率分割因子ρ_PS ^*，再将ρ_PS ^*代入公式(13)，即可求得最大数据吞吐量；线性二分法具体包括以下步骤：

S161、设置

范围，执行循环：

S162、初始化ρ_PS,max＝1,ρ_PS,min＝0，且初始化

S163、判断

是否小于预设的阈值，若是则结束循环，否则执行步骤S164；

S164、令

求出相对应的

返回步骤S163；

S165、利用得到的ρ_PS ^*，求出最大

结束循环。

本发明的数能一体化传输系统信号分割采用时隙切换的方式，包括以下步骤：

所述信号分割电路采用时隙切换的方式实现信号分割，包括以下步骤：

S21、计算时隙切换后的射频信号和能量信号；

发射机采用时隙切换的方案分别以功率P_t,1传输无线能量信号，以功率P_t,2发射无线数据信号；在射频信号被数能接收机接收后，在给定时间片内，到达其信息解码电路的射频信号表示为：

其中n_a表示数能接收机天线从无线空口获得的采样后的加性高斯白噪声，其噪声功率表示为

n_ID表示由于信息解调器件非完美特性引入的加性高斯白噪声，其噪声功率表示为

在给定时间片内，到达数能接收机能量获取电路的射频信号表示为：

S22、能量获取性能，专用能量信号传输的最优方式是在能量传输阶段的

时间里以峰值功率P_peak传输，在剩余的时间内不发射专用能量信号，数能接收机不能获取能量；假设能量传输时间为τ，能量信号为采用M阶调制的射频信号，其中P_i,i＝1,,2,...,M，P_i为第i个调制符号的发射功率，且该调制符号被发射的概率为p_i，有

现在给定功率的情况下，总能找到某一个m值，使得{P_i≤P_th|i＝1,...,m-1}成立，并且使得{P_i≥P_th|i＝m,…,M}成立；建立如下优化问题：

其中

上述优化问题的目标函数是关于p_high与P_high的单增函数；令p_lowP_low＝0，即p_highP_high＝P_t,1；得到：

P_high ^*＝P_peak,p_high ^*＝P_t,1/P_peak,P_low ^*＝0,p_high ^*＝1-P_t,1/P_peak

因此数能接收机获取的平均能量

为：

进一步完成公式(19)中的积分，得到：

其中m表示信道衰落因子；令ρ_TS＝1，此时，数能发射机将一直发射专用能量信号，数能接收机获得的最大平均能量为：

其中：

S23、求解信息解码性能；

在基于时间切换的数能一体化传输系统中，数能接收机只有在发射机发送专用数据信号时才会进行信息解码；因此，在给定信道瞬时信噪比γ时，数能收发机之间的吞吐量为信道容量计算公式为：

其中γ表示信道的信噪比，根据公式(16)，在时间切换方案中，信道的瞬时信噪比γ由下式计算得到：

其中v表示信道的瞬时功率系数。因此在衰落信道中，数能收发机之间的平均吞吐量可以通过下面的公式进行计算：

S24、建立优化目标；

在满足数能接收机最小收能的情况下，寻找能够使得数能收发机之间的平均吞吐量最大化的最佳传输策略，并建模为如下优化问题：

并且专用能量信号发射功率P_t,1和专用数据信号发射功率P_t,2均需满足峰值功率限制，并且数能发射机平均发射功率也应小于平均功率限制P_ave；

S25、进行优化问题求解；

为解决优化问题(26)需要首先将其中的约束条件

松弛为P_t,2≤P_peak；由公式(23)可知，平均数据吞吐量

是关于数据信号发射功率P_t,2的单调递增函数。同时

又是关于时间切换因子ρ_TS的单调递减函数。由公式(20)知，数能接收机的平均能量获取量

是关于能量信号发射功率P_t,1的单调递增函数，也是关于时间切换因子ρ_TS的单调递增函数。则满足优化问题(26)的最优解，一定满足

ρ_TSP_t,1+(1-ρ_TS)P_t,2＝P_ave；

由公式(20)和公式(21)进一步推导可知：

其中A为由公式(22)给出的中间变量。在给定瞬时信道功率系数v的前提下，将公式(24)和(17)代入公式(23)中，得到数能收发机之间的瞬时吞吐量为：

分析公式(29)所示的瞬时吞吐量的函数性质可知：基于时间切换方案的数能收发机之间的瞬时数据吞吐量C_TS是关于数据信号发射功率的P_t,2的单调递减函数；由公式(28)可知，为使得瞬时吞吐量C_TS最大，需要最小化数据信号发射功率P_t,2；为实现数据信号发射功率P_t,2的最小化，需要最小化时间切换因子ρ_TS；考虑优化问题(26)中的约束条件，令能量信号发射功率满足P_t,1＝P_peak，得到最佳的时间切换因子ρ_TS ^*以及与之对应的最佳数据信号发射功率

根据公式(30)中的结果，由于P_t,2不大于P_ave，因此P_t,2也满足其峰值限制

其中时间切换因子必然满足

本发明的有益效果是：本发明提供了一种数能一体化传输网络，对数据传输网络中的传输信号分别采用功率分割(PS)与时间切换(TS)的方式进行切割，并以在收能约束以及发射功率约束下最大化信道吞吐量作为优化目标，建立功率分割(PS)与时间切换(TS)的优化函数，通过对优化函数求解得到最优分配方案，能够均衡数能一体化传输网络中的能量传输和数据传输，提高网络传输性能，减少资源浪费。

附图说明

图1为本发明的数能一体化传输系统模型图；

图2为考虑数能接收机的整流激活门限时，功率分割(PS)与时间切换(TS)方案下，16-PSK、16-QAM和16-PAM三种调制方式的数能传输性能；

图3为不考虑数能接收机的整流激活门限时，功率分割(PS)与时间切换(TS)方案下，16-PSK、16-QAM和16-PAM三种调制方式的数能传输性能；

图4为功率分割(PS)方案下不同阶数的不同调制数能性能分析；

图5为功率分割(PS)方案下的不同阶数的QAM数能性能分析。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

本发明的系统模型如图1所示，数能一体化传输系统，包括数据源、调制器、信号发射器、信号接收器、信号分割电路、能量接收机、信息接收机、电池和调制器；数据源产生的数据信号通过调制器进行调制之后通过发射器进行发射，信号接收器对接收到的信号通过信号分割电路进行能量和信息分割，分别输入能量接收机和信息接收机，能量接收机与电池相连，信息接收机连接调节器。

在一个点对点数能一体化传输系统中，数能收发机均配置单天线。其中数能接收机，又分别由信息解码电路和能量收集电路组成。接收机获得的调制射频信号经过信号分割器处理分成两部分。这两部分射频信号分别进入信息解码电路和能量收集电路。假设数能发射机平均发射功率为P_t，数能接收机的能量收集电路平均接收功率为P_r。针对能量收集电路，本发明采用考虑整流激活门限的能量获取非线性模型。若射频信号接收功率P_r高于整流激活门限P_th，则整流器以固定转换效率η将射频能量转换为直流能量。该非线性能量获取模型可由下式表示：为了便于分析，本发明采用常用的线性模型，即假设能量收集电路转换效率为η，且假设符号周期T_s＝1，此时能量收集电路的输出功率P_out为：

P_out＝η(P_r-P_th)⁺ (31)

其中：P_out表示整流器输出的直流能量功率，x⁺＝max(0,x)。本文假设存储能量的电池为理想电池，不考虑电池存储上限。

在数能接收机一侧，本发明考虑两种最为常见的信号分割方式，即功率分割(PS)方案和时间切换(TS)方案：

功率分割：假设功率分割因子为ρ_PS，则功率为P_r的射频接收信号经过功率分割后，有功率为ρ_PSP_r的射频信号进入能量收集电路进行整流和能量获取，有功率为

的射频信号进入信息解调电路，用于信息获取。

时隙切换：假设时间切换因子为ρ_TS，则在前ρ_TS时间里，发射机以平均发射功率P_t,1发射能量信号，接收机从这个信号中收集能量。然后在后(1-ρ_TS)时间里，发射机以平均发射功率P_t,2发射信息信号。

任何数能一体化传输系统都是功率受限的。因此在收发策略设计中必需要考虑发射功率限制。在本发明中，除了考虑平均发射功率P_ave限制外，还要考虑峰值发射功率P_peak限制，来确保数能发射机中功率放大器在线性区域正常工作，以避免任何可能的信号失真或者限幅。本文假设P_peak/P_ave≥3，并主要考虑三种数字调制方式，即M-PSK、M-QAM和M-PAM。

功率分割：数能一体化发射机的平均功率限制可以表示为：

P_t≤P_ave (32)

对于上述数字调制方式，其峰均功率比(Peak-to-Average-Power-Ratio,PAPR)表示如下：

数能一体化发射机的峰值功率限制可以表示为：

其中：j表示M-PSK、M-QAM和M-PAM调制方式。根据(33)可知，这三种数字调制的峰均功率比均满足

在假设P_peak/P_ave≥3成立的前提下，(34)必然成立。

时隙切换：数能一体化发射机的平均功率限制可以表示为:

ρ_TSP_t,1+(1-ρ_TS)P_t,2≤P_ave (35)

当数能发射机传输非调制能量信号时，其发射功率峰值也不应超过P_peak，表示为：

P_t,1≤P_peak (36)

当数能发射机传输调制数据信号时，其发射功率需满足如下峰值限制：

实施例1

本发明的数能一体化传输系统信号分割采用功率分割方式实现信号分割，包括以下步骤：

所述信号分割电路采用功率分割方式实现信号分割，包括以下步骤：

S11、初始化系统参数：设发射机发射的射频信号为x(t)，且

E[·]和|·|分别表示数学期望和绝对值；设接收机接收的射频信号为y(t)，发射机与接收机之间距离为d，且路径损耗因子为λ；设信道为Nakagami衰落信道，信道系数表示为h，信道功率系数表示为v＝|h|²，概率密度函数表示为：

其中m表示信道衰落因子，m越小，信道衰落越严重；Γ(m)表示m的阶乘；

S12、计算功率分割后的射频信号和能量信号；

经功率分割后，数能接收机接收的用于数据获取的射频信号表示为：

其中h(t)表示信道增益；n_a(t)表示数能接收机天线从无线空口获得的加性高斯白噪声，其噪声功率表示为

n_ID(t)表示由于信息解调器件非完美特性引入的加性高斯白噪声，其噪声功率为

ρ_PS表示功率分割因子；P_t表示数能发射机平均发射功率；计算时，n_ID(t)远远大于n_a(t)，所以护忽略n_a(t)；

经过采样后，射频信号表示：

h[l]、x[l]、n_a[l]、n_ID[l]表示离散的采样信号，l表示采样点；

方便起见，将上式写为：

进入能量收集电路的信号为：

S13、计算数能接收机获取的能量；

数能接收机获取的能量表示为：

其中，P_i表示第i个调制符号的发射功率，η表示整流器的固定转换效率，P_th表示射频信号接收机的整流激活门限；

若数能发射机采用M阶调制方式，则各调制符号发射功率和平均发射功率之间的关系为：

M-PSK、M-QAM和M-PAM中各个调制符号对应的功率表示为：

其中：

表示向上取整，x mod y表示：如果x是y的整数倍，则x mod y＝y；否则xmod y等于x除以y的余数；

根据公式(43)，得到数能接收机获取能量的平均功率为：

根据信息论中最大离散熵定理，为使数能发射机发射的调制符号携带有最大的信息量，假设所有调制符号等概率发出，即：

因此数能接收机获取能量的平均功率进一步化简为：

S14、求解信息解码性能：采用数能发射机和数能接收机信息解调电路之间的吞吐量来表示信息解码性能；在给出信息吞吐量之前，首先需要衡量数能发射机和数能接收机信息解调电路之间的信噪比，将信噪比γ(v)表示为信道功率系数v的函数：

给定某一信噪比γ，数能收发机之间的数据吞吐量表示为：

其中：χ表示该种调制方式中所有合法的调制符号，x表示该种调制方式中的某一具体调制符号；

衰落信道模型的信噪比γ是随机变量，则在衰落信道中的平均吞吐量通过如下公式进行积分计算：

S15、建立优化目标：根据公式(46)和公式(50)中分别给出的数能接收机一侧的平均能量获取性能和平均数据吞吐量，将数能收发策略的最优化设计建模为在保证最低收能需求的前提下，平均数据吞吐量的最大化问题：

其中

表示最低收能需求；但该收能要求不宜过高，若

的具体取值超过可能获得的最大平均能量

则该收能要求不可能被系统满足。将ρ_PS＝1带入(48)即可得到最大可能的平均能量获取

除数能接收机的最低收能要求外，如公式(52)所示，数能发射机的发射功率P_t还需满足平均值要求和峰值要求。该优化问题的目标是找到满足条件的数能发射机平均发射功率P_t和数能接收机的功率分割因子ρ_PS；

S16、求解优化目标，当P_peak/P_ave≥3成立时，

自然成立；由公式(48)和(50)得出，

和

均是关于P_t的单调递增的函数；而

是关于ρ_PS的单调递增函数，

则是关于ρ_PS单调递减的函数；针对优化问题(52)，令P_t＝P_ave，

即可以实现平均数据吞吐量的最大化；使得数能接收机一侧，进入能量获取电路的射频信号刚刚满足接收机收能需求，而使得更多的射频信号进入信息解调电路，以实现数据吞吐量的最大化；为了获得满足

时的最佳功率分割因子ρ_PS ^*，采用线性二分法求得最优功率分割因子ρ_PS ^*，再将ρ_PS ^*代入公式(50)，即可求得最大数据吞吐量；线性二分法具体包括以下步骤：

S161、设置

范围，执行循环：

S162、初始化ρ_PS,max＝1,ρ_PS,min＝0，且初始化

S163、判断

是否小于预设的阈值，若是则结束循环，否则执行步骤S164；阈值一般设置在10的负10次方以上，随着循环迭代的进行，两个变量的差值将越来越小，因为是二分查找，最后肯定会小于这个预设的阈值，然后跳出循环；

S164、令

求出相对应的

返回步骤S163；

S165、利用得到的ρ_PS ^*，求出最大

结束循环。

实施例2

本发明的数能一体化传输系统信号分割采用时隙切换的方式实现，包括以下步骤：

S21、计算时隙切换后的射频信号和能量信号；

发射机采用时隙切换的方案分别以功率P_t,1传输无线能量信号，以功率P_t,2发射无线数据信号；在射频信号被数能接收机接收后，在给定时间片内，到达其信息解码电路的射频信号表示为：

其中n_a表示数能接收机天线从无线空口获得的采样后的加性高斯白噪声，其噪声功率表示为

n_ID表示由于信息解调器件非完美特性引入的加性高斯白噪声，其噪声功率表示为

在给定时间片内，到达数能接收机能量获取电路的射频信号表示为：

S22、能量获取性能，专用能量信号传输的最优方式是在能量传输阶段的

时间里以峰值功率P_peak传输，在剩余的时间内不发射专用能量信号，数能接收机不能获取能量；假设能量传输时间为τ，能量信号为采用M阶调制的射频信号，其中P_i,i＝1,,2,...,M，P_i为第i个调制符号的发射功率，且该调制符号被发射的概率为p_i，有

现在给定功率的情况下，总能找到某一个m值，使得{P_i≤P_th|i＝1,…,m-1}成立，并且使得{P_i≥P_th|i＝m,…,M}成立；建立如下优化问题：

其中

上述优化问题的目标函数是关于p_high与P_high的单增函数；令p_lowP_low＝0，即p_highP_high＝P_t,1；得到：

P_high ^*＝P_peak,p_high ^*＝P_t,1/P_peak,P_low ^*＝0,p_high ^*＝1-P_t,1/P_peak

因此数能接收机获取的平均能量

为：

进一步完成公式(56)中的积分，得到：

其中m表示信道衰落因子；令ρ_TS＝1，此时，数能发射机将一直发射专用能量信号，数能接收机获得的最大平均能量为：

其中：

S23、求解信息解码性能；

在基于时间切换的数能一体化传输系统中，数能接收机只有在发射机发送专用数据信号时才会进行信息解码；因此，在给定信道瞬时信噪比γ时，数能收发机之间的吞吐量为信道容量计算公式为：

其中γ表示信道的信噪比，根据公式(16)，在时间切换方案中，信道的瞬时信噪比γ由下式计算得到：

其中v表示信道的瞬时功率系数。因此在衰落信道中，数能收发机之间的平均吞吐量可以通过下面的公式进行计算：

S24、建立优化目标；

在满足数能接收机最小收能的情况下，寻找能够使得数能收发机之间的平均吞吐量最大化的最佳传输策略，并建模为如下优化问题：

并且专用能量信号发射功率P_t,1和专用数据信号发射功率P_t,2均需满足峰值功率限制，并且数能发射机平均发射功率也应小于平均功率限制P_ave；

S25、进行优化问题求解；

为解决优化问题(63)需要首先将其中的约束条件

松弛为P_t,2≤P_peak；由公式(60)可知，平均数据吞吐量

是关于数据信号发射功率P_t,2的单调递增函数。同时

又是关于时间切换因子ρ_TS的单调递减函数。由公式(57)知，数能接收机的平均能量获取量

是关于能量信号发射功率P_t,1的单调递增函数，也是关于时间切换因子ρ_TS的单调递增函数。则满足优化问题(60)的最优解，一定满足

ρ_TSP_t,1+(1-ρ_TS)P_t,2＝P_ave；

由公式(57)和公式(58)进一步推导可知：

其中A为由公式(59)给出的中间变量。在给定瞬时信道功率系数v的前提下，将公式(61)和(65)代入公式(60)中，得到数能收发机之间的瞬时吞吐量为：

分析公式(66)所示的瞬时吞吐量的函数性质可知：基于时间切换方案的数能收发机之间的瞬时数据吞吐量C_TS是关于数据信号发射功率的P_t,2的单调递减函数；由公式(65)可知，为使得瞬时吞吐量C_TS最大，需要最小化数据信号发射功率P_t,2；为实现数据信号发射功率P_t,2的最小化，需要最小化时间切换因子ρ_TS；考虑优化问题(63)中的约束条件，令能量信号发射功率满足P_t,1＝P_peak，得到最佳的时间切换因子ρ_TS ^*以及与之对应的最佳数据信号发射功率

根据公式(67)中的结果，由于P_t,2不大于P_ave，因此P_t,2也满足其峰值限制

其中时间切换因子必然满足

下面通过仿真进一步对本发明的信号分割方法的性能进行验证。

在仿真中，非特殊情况下，仿真参数设置如表一所示。

表一

图2和图3绘制了功率分割(PS)与时间切换(TS)方案下，16-PSK、16-QAM和16-PAM三种调制方式的数能传输性能。其中图2考虑了数能接收机的整流激活门限，而图3则没有考虑整流激活门限。在这两幅图中所有曲线的趋势都是随着横坐标(最低平均收能限制)的增加而纵坐标(平均数据吞吐量)逐渐降低。这也验证了在数能一体化传输系统中，数据传输和能量传输竞争同样的空口射频资源，因此二者的性能之间存在显著的折衷效果。

图2探究不同的调制技术的数能传输性能。在考虑整流激活门限的情况下，采用基于功率分割的数能传输方案时，16-PAM的数能传输性能要好于16-QAM；而16-QAM的数能传输性能又要好于16-PSK。而当采用基于时间切换的数能传输方案时，上述三种调制方式也存在同样的性能优劣趋势。但与功率分割方案对比，16-QAM与16-PAM之间性能差距显著减小。这是因为当发射信号的峰均功率比越大时，能量传输性能越好。数能收发机只需分割较少的射频信号用于能量获取，即可满足最低收能需求。而更多的射频信号可用于传输数据，从而得到更搞的数据吞吐量。在这三种调制方式中，16-PAM具备最高的峰均比，因此在给定最低收能需求的情况下，这种调制方式可以实现最高的数据吞吐量。图2也进一步比较了相同调制方式下，功率分割方案和时间切换方案的数能传输性能。对于PSK和PAM两种调制方式，到当收能要求较低的时候，功率分割方案的吞吐量性能优于时间切换方案；而当收能需求超过某一个特定值后，时间切换方案的数据吞吐量性能开始优于功率分割方案。并且时间切换方案所能达到的最大收能量要远高于功率分割方案。对与PSK调制方式，时间切换方案是全程优于功率分割方案的。说明时间切换方案在考虑整流激活门限的前提下，具备更高的能量传输性能。因为该方案不会人为降低射频信号的功率，从而有更高的概率激活整流器进行能量转换操作。

然而如图3所示，如果不考虑整流器的整流激活门限，功率分割方案的数能传输性能始终优于时间切换方案。并且图3展示的数能传输性能要好于考虑整流激活门限的图2中所展示的数能传输性能。并且如图3所示，在不考虑整流激活门限的前提下，不同调制方式的最大能量传输量相同，这是因为此时，影响最大能量传输量的参数只有数能发射机的射频信号发射功率，而在仿真中本报告设置各调制方式具备相同的平均发射功率。

图4和图5进一步展示了调制阶数对数能传输性能的影响。在这两张图中，数能传输系统均采用功率分割方案。图5分别给出了QAM、PSK和PAM三种调制方式采用4阶和16阶时的数能传输性能曲线。从图中可以看到，对于QAM和PAM两种调制方式，调制阶数越高，数能性能越好。进一步展示不同阶QAM调制方式的数能传输性能，并与高斯分布信号的数能传输性能进行对比。从图5可以看到，随着调制阶数的增加，数能一体化收发系统所能达到的最大数据吞吐量和最大平均获取能量开始相应增加，并且向高斯信号提供的性能门限靠近。不过在4阶变化到16阶的情况下，最大平均获取能量提升明显，而从16阶变化到64阶和256阶的情况下，最大平均获取能量提升不明显。这与仿真设置中的整流激活门限有关。从4阶到16阶的变化过程中，能够传递能量的星座点显著增加。而在16阶变化到256阶的情况下，能够传递能量的星座点具备的平均功率增长并不明显。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.数能一体化传输系统，其特征在于，包括数据源、调制器、信号发射机、信号接收机、信号分割电路、能量接收机、信息接收机、电池和调节器；数据源产生的数据信号通过调制器进行调制之后通过信号发射机进行发射，信号接收机对接收到的信号通过信号分割电路进行能量和信息分割，分别输入能量接收机和信息接收机，能量接收机与电池相连，信息接收机连接调节器；

所述信号分割电路采用功率分割方式实现信号分割，包括以下步骤：

S11、初始化系统参数：设信号发射机发射的射频信号为x(t)，且E[|x(t)|²]＝1，E[·]和|·|分别表示数学期望和绝对值；设信号接收机接收的射频信号为y(t)，信号发射机与信号接收机之间距离为d，且路径损耗因子为λ；设信道为Nakagami衰落信道，信道系数表示为h，信道功率系数表示为v＝|h|²，概率密度函数表示为：

其中m表示信道衰落因子，m越小，信道衰落越严重；Γ(m)表示m的阶乘；

S12、计算功率分割后的射频信号和能量信号；

经功率分割后，信息接收机接收的用于数据获取的射频信号表示为：

其中h(t)表示信道增益；n_a(t)表示信号接收机天线从无线空口获得的加性高斯白噪声，其噪声功率表示为

n_ID(t)表示由于信息解调器件非完美特性引入的加性高斯白噪声，其噪声功率为

ρ_PS表示功率分割因子；P_t表示信号发射机平均发射功率；计算时，n_ID(t)远远大于n_a(t)，所以忽略n_a(t)；

经过采样后，射频信号表示：

h[l]、x[l]、n_a[l]、n_ID[l]表示离散的采样信号，l表示采样点；

方便起见，将上式

写为：

进入能量接收机的信号为：

S13、计算能量接收机获取的能量；

S14、求解信息解码性能：采用信号发射机和信号接收机信息解调电路之间的吞吐量来表示信息解码性能；

S15、建立优化目标；

S16、求解优化目标。

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