CN114465629B - 一种基于时间索引调制的无线数能同传收发机设计与分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于时间索引调制的无线数能同传收发机设计与分析方法，包括以下步骤：S1、构建系统模型；S2、无线数能同传发射机设计；S3、无线数能同传接收机设计；S4、无线数能同传能量传输性能理论分析；S5、无线数能同传数据传输性能理论分析。本发明应用于无线数能同传调制技术领域，针对现有技术存在的无线数能同传中频谱稀缺的问题；本发明针对时间索引调制提出一种新型的无线数能同传收发机架构，以便保证无线数据与能量的协同传输；同时提出一种平均数据与能量传输性能的分析方法以对具体的调制方案进行性能评估。

Description

一种基于时间索引调制的无线数能同传收发机设计与分析 方法

技术领域

本发明属于无线数能同传调制技术领域，特别涉及一种基于时间索引调制的无线数能同传收发机设计与分析方法。

背景技术

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。

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。

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隙索引的检测，从而提升解调的误符号率。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。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于时间索引调制的无线数能同传收发机设计与分析方法，针对时间索引调制进行相应的收发机架构设计，并且通过理论分析的方法评估数据与能量的传输性能。

本发明采用的技术方案为：一种基于时间索引调制的无线数能同传收发机设计与分析方法，包括以下步骤：

S1、构建系统模型；

S2、无线数能同传发射机设计；

S3、无线数能同传接收机设计；

S4、无线数能同传能量传输性能理论分析；

S5、无线数能同传数据传输性能理论分析。

进一步的，步骤S1所述构建系统模型的方法包括如下：

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，还体现在激活的符号传输时隙索引上；

传统信息：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，例如包括BPSK、QPSK，M-QAM，调制阶数越高，单符号携带的数据信息量越多；

时间索引信息：此维度上的数据信息通过控制激活的符号传输时隙索引来传输，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中的一个时隙来传输数据，因此总共有L种传输可能，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。

进一步的，步骤S2所述无线数能同传发射机设计，包括以下分步骤：

S21、比特分割器设计；

S22、传统调制器设计；

S23、时间索引调制器设计；

S24、能量信号生成器设计；

S25、信号合成器设计；

S26、基带-射频转换器设计。

进一步的，步骤S23所述时间索引调制器设计，包括：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

进一步的，步骤S24所述能量信号生成器设计，包括：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＝u_I+ju_Q，其中u_I和u_Q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，使得能量信号功率大于数据信号功率，以便同时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＝P_e。

进一步的，步骤S3所述无线数能同传接收机设计，包括以下分步骤：

S31、功率分割器设计；

S32、包络检波器设计；

S33、时间索引解调器设计；

S34、射频-基带转换器设计；

S35、传统解调器设计；

S36、比特合成器；

S37、能量采集模块设计。

进一步的，步骤S31所述功率分割器设计，包括：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

用于实际数据或能量接收的信号分量表示为

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，z_a代表接收端天线的加性高斯白噪声，均值为0，方差为

进一步的，步骤S32所述包络检波器设计，包括：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。

进一步的，步骤S33所述时间索引解调器设计，包括：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隙索引对应的长为k_t的比特序列作为时间索引解调信息。

进一步的，步骤S34所述射频-基带转换器设计，包括：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

其中x_l代表向量x的第l个元素，z_a,l代表向量z_a的第l个元素，z_cov代表射频-基带转换器额外的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为而z_cov,l代表z_cov的第l个元素。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种基于时间索引调制的无线数能同传收发机设计与分析方法，在时间索引维度额外的发送数据信息，从而提升了单次传输的信息量，提高了频谱效率，并且能量传输性能也可以得到一定的保证，更加适合于未来海量连接、资源稀缺的低功耗物联网场景；此外，本发明的方法还具备以下优点：

(1)采用时间索引调制方式在提升频谱效率的同时对数据与能量的传输进行统筹协调；

(2)设计新型无线数能同传收发机以便在采用时间索引调制的情况下满足数据与能量的协同传输；

(3)针对新型收发机分析数据与能量的传输性能。

附图说明

图1为本发明的一种基于时间索引调制的无线数能同传收发机设计与分析方法的流程示意图；

图2为基于时间索引调制的无线数能同传收发机架构。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

图1是本发明的一种基于时间索引调制的无线数能同传收发机设计与分析方法的流程示意图。包括具体以下步骤：

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隙索引上。

传统信息：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等。调制阶数越高，单符号携带的数据信息量越多。

时间索引信息：此维度上的数据信息通过控制激活的符号传输时隙索引来传输。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中的一个时隙来传输数据，因此总共有L种传输可能，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。

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隙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隙索引来携带额外的数据信息。

S2、无线数能同传发射机设计。该步骤具体包括以下分步骤：

S21、比特分割器设计。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k_c，时间索引维度比特序列长度为k_t。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。

S22、传统调制器设计。传统调制器采用M阶正交幅度调制(Quadrature AmplitudeModulation，M-QAM)的方式。发射机的M-QAM调制器负责将k_c长度的比特信息映射为相应的调制符号b_m(m＝1,…,M)，并且满足k_c＝log₂M，所有调制符号的基带平均传输功率表示为P_s。

S23、时间索引调制器设计。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

S24、能量信号生成器设计。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＝u_I+ju_Q，其中u_I和u_Q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＝P_e。

S25、信号合成器设计。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

x＝b_m·a+u·(1-a)

S26、基带-射频转换器设计。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

X＝w·x

S3、无线数能同传接收机设计。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。基于以上考虑，本发明提出一种基于功率门限的检测方式，用于首先区分数据和能量信号。该步骤具体包括以下分步骤：

S31、功率分割器设计。此处的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

用于实际数据或能量接收的信号分量表示为

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，z_a代表接收端天线的加性高斯白噪声，均值为0，方差为在本架构中，功率分割因子μ为一个较小的固定数值。

S32、包络检波器设计。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。

S33、时间索引解调器设计。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隙索引对应的长为k_t的比特序列作为时间索引解调信息。

S34、射频-基带转换器设计。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

其中x_l代表向量x的第l个元素，z_a,l代表向量z_a的第l个元素，z_cov代表射频-基带转换器额外的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为而z_cov,l代表z_cov的第l个元素。

S35、传统解调器设计。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k_c的比特序列作为传统解调信息。

S36、比特合成器。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。

S37、能量采集模块设计。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。

S4、无线数能同传能量传输性能理论分析。根据收发机架构，当某个时隙对应的检测信号高于相应的功率门限时，其主信号则用于能量采集。在第l个时隙内，检测信号y^(test)可以表示为

假设在本周期内，选择第l^*个时隙用于数据信息的传输，那么能量采集性能可以根据以下分析得出。

情况一：能量信号被检测用于能量采集。

在第l(l≠l^*)个时隙内，检测信号中的x_l部分实际上为能量信号x_l＝u，并且满足|u|²＝P_e。进而，信号/>的检测功率/>可以表示为

其中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。由于对于确定性能量信号有(u_I)²＝(u_Q)²＝P_e/2，同时z_I,a,l和z_Q,a,l均为均值为0且方差为的正态分布随机变量，因此检测功率/>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

其中I₀()为第一类修正贝塞尔函数，具体表示为

以及

如果第l(l≠l^*)个时隙的信号用来能量采集，必然有同时对应的主函数功率为/>因此，在第l(l≠l^*)个时隙内的平均能量采集功率可以表示为

情况二：数据信号被检测用于能量采集。

虽然第l^*个时隙被用来传输数据符号，但是在该时隙内接收的数据符号仍然有可能被无检测为能量信号用于能量采集。不失一般性，假设发射机在传输传统调制符号b_m(m＝1,…,M)有着相同的概率。在此情况下，检测信号y_l ^(test)中的x_l部分实际上为数据信号b_m。类似的，检测信号对应的检测功率表示为

其中和/>分别代表传统调制符号b_m的同相与正交幅度分量。在给定传统维度的平均传输功率P_s后，采用M-QAM调制方式对应的同相与正交幅度应满足

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b_m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

进而，在第l^*个时隙内的平均能量采集功率可以表示为

类似的，假设激活用来传输数据符号的时间索引也是等概均匀分布，综合考虑上述两种情况，单个时隙内的平均能量采集功率表示为

当采用非线性能量接收机时，能量收集电路单个时隙内可以采集的平均能量为

其中Ξ＝1/(1+exp(α₁α₂))，P_sat表示最大可以采集的信号功率，α₁与α₂分别代表与阻抗和电容相关的固定参数。

S5、无线数能同传数据传输性能理论分析。记每个时隙传输的整合调制符号为s_m,l，代表传统调制符号b_m在第l个时隙进行传输。进而，在接收机解调时总共会有如下三种情况。

情况一：经过时间索引解调后，可以恢复出正确的时间索引值l。在此情况下，可以保证时间索引维度传输的数据信息时正确的，而传统维度的数据信息则有可能由于噪声的干扰出错。此时，源传输调制符号s_m,l可能会被解调为s_m,l或s_m',l，其中有m≠m′。

情况二：经过时间索引解调后，得到了错误的时间索引值l'。在此情况下，时间索引维度传输的数据信息传输出错，但是，虽然概率极低，传统维度携带的数据信息仍然可能由于噪声的干扰正确解调。此时，源传输调制符号s_m,l可能会被解调为s_m,l'或s_m',l'，其中有m≠m′以及l≠l′。

情况三：时间索引解调器生成的检测标识向量中没有或者有多于一个的元素‘1’。在此情况下，时间索引解调器并不能得到一个时间索引的确定，因此导致传统维度的解调不能正常进行。此时，时间索引维度和传统维度的解调均认为发生失败，接收机的联合解调器随机输出一个长度为k_c+k_t的比特序列。

首先分别基于能量检测信号与数据检测信号给出以下概率分布函数的定义：

其中M(x,y)代表马坎Q函数，具体定义为

其中，代表能量信号被误检测为数据信号的概率，而/>代表数据符号b_m被误检测为能量信号的概率。

进一步的，可以根据上述提出的三种情况分析相应的误码率性能。

对于情况一，时间索引信息能够正确解调的概率可以表示为

对于一般情况，为了更好地区分数据与能量信号，功率门限P_th需要比数据符号的最大传输功率要高。因此，如果在仅考虑传统维度时的数据解调能够成功，那么该信号必然会被检测为数据信号。因此对于情况一，时间索引信息以及传统信息全部能够正确解调的概率Pr(s_m,l→s_m,l)可以求得为

进一步的，仅仅时间索引信息解调正确而传统信息解调错误的概率∑_m′≠mPr(s_m,l→s_m′,l)可以表示为

在传统数据信息的解调时，如果噪声干扰不大的话，解调错误基本上发生在相邻两个星座点之间。根据格雷码比特符号映射准则，相邻两个星座点对应的比特序列之间仅仅有一个比特的差异。进而，情况一对应的误码率可以近似为

对于情况二，时间索引解调恢复出错误的索引信息对应的概率可以表示为

但是，如果情况二发生，必然会有传输的数据符号被误检测为能量信号，并且某个时隙的能量信号被误检测为数据信号。一般来说，通过选取合适的功率门限，此概率基本上可以控制近似为0。基于此考虑，情况二对应的误码率便直接近似为ò_(Case2)≈0。

情况三发生的概率可以进一步的表示为

Pr_(Case3)＝1-Pr_(Case1)-Pr_(Case2)

因为在情况三中，时间索引解调器无法输出一个确定的时间索引信息，导致传统维度的数据信息无法解调，所以接收机会等概随机输出一串比特序列，相应的误码率也可以表示为

最终，结合三种不同情况，接收端的总体误码率可以表示为

∈＝∈_(Case1)+∈_(Case2)+∈_(Case3)

由于在传统维度调制时采用最大似然检测器，传统星座图中任意两个星座点符号之间的成对误差概率总是对称的，进而，发射机和接收机之间的数据信息传输可以建模为无记忆二进制对称信道(BSC)，相应的错误交叉概率得出的误码率ò。因此，发射端的传输比特信息x∈{0,1}与接收端解调估计得到的比特信息之间的互信息量/>表示为：

其中，H()代表熵函数。在给定比特‘0’的生成概率p_x0以及比特‘1’的生成概率p_x1后，估计的输出信息的熵可以表示为

其中，是估计输出位为/>的概率，/>是将输入位x＝i解码为估计输出位/>的概率。在二进制对称信道中，通常有/>进一步的，以上公式可改写为

通过将p_x0＝p_x1＝0.5代入上式，可以得到信道估计的输出信息的熵为此外，噪声熵/>可以表示为：

最终，每传输一次调制符号的最高可达速率为：

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。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种基于时间索引调制的无线数能同传收发机设计与分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构建系统模型；

S2、无线数能同传发射机设计；

所述无线数能同传发射机设计，包括以下分步骤：

S21、比特分割器设计；

S22、传统调制器设计；

S23、时间索引调制器设计；

S24、能量信号生成器设计；

S25、信号合成器设计；

S26、基带-射频转换器设计；

步骤S23所述时间索引调制器设计，包括：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

S3、无线数能同传接收机设计；

所述无线数能同传接收机设计，包括以下分步骤：

S31、功率分割器设计；

S32、包络检波器设计；

S33、时间索引解调器设计；

S34、射频-基带转换器设计；

S35、传统解调器设计；

S36、比特合成器；

S37、能量采集模块设计；

步骤S33所述时间索引解调器设计，包括：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y_l ^(test)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隙索引对应的长为k_t的比特序列作为时间索引解调信息；

S4、无线数能同传能量传输性能理论分析；

S5、无线数能同传数据传输性能理论分析。

2.根据权利要求1所述的基于时间索引调制的无线数能同传收发机设计与分析方法，其特征在于，步骤S1所述构建系统模型的方法包括如下：

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，还体现在激活的符号传输时隙索引上；

传统信息：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，包括BPSK、QPSK、M-QAM中的一种，调制阶数越高，单符号携带的数据信息量越多；

时间索引信息：此维度上的数据信息通过控制激活的符号传输时隙索引来传输，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中的一个时隙来传输数据，因此总共有L种传输可能，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。

3.根据权利要求1所述的基于时间索引调制的无线数能同传收发机设计与分析方法，其特征在于，步骤S24所述能量信号生成器设计，包括：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＝u_I+ju_Q，其中u_I和u_Q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，能量信号功率要大于数据信号功率，此时，采用确定性能量信号相比于随机能量信号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＝P_e。

4.根据权利要求1所述的基于时间索引调制的无线数能同传收发机设计与分析方法，其特征在于，步骤S31所述功率分割器设计，包括：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

用于实际数据或能量接收的信号分量表示为

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，z_a代表接收端天线的加性高斯白噪声，均值为0，方差为

5.根据权利要求1所述的基于时间索引调制的无线数能同传收发机设计与分析方法，其特征在于，步骤S32所述包络检波器设计，包括：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。

6.根据权利要求1所述的基于时间索引调制的无线数能同传收发机设计与分析方法，其特征在于，步骤S34所述射频-基带转换器设计，包括：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

其中x_l代表向量x的第l个元素，z_a,l代表向量z_a的第l个元素，z_cov代表射频-基带转换器额外的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为而z_cov,l代表z_cov的第l个元素。