[發明專利]一種面向無線數能同傳的聯合調制編碼算法

有效

• 申請號: 202010400940.5
• 申請日: 2020-05-13
• 公開（公告）號: CN111585937B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 胡杰;趙毅哲;楊鯤;于秦
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H04L27/36
• 分類號: H04L27/36;H04L1/00;H02J50/00
• 代理公司: 北京天奇智新知識產權代理有限公司 11340
• 代理人: 許馳

本發明公開一種面向無線數能同傳的聯合調制編碼算法，針對無線數能同傳中編碼器和調制器聯合控制信息和能量的技術問題；本發明根據實際應用設計一元編碼控制的無線數能同傳收發機系統；以平均能量收割功率大小為能量評估標準分析系統無線傳能(WPT)性能；以收發機間的互信息大小為信息評估標準分析系統無線傳信(WIT)性能；對信能優化問題進行數學建模；借助二分查找算法和遺傳算法解決優化問題；數據仿真驗證理論分析。

技術領域

本發明屬于無線數能同傳技術領域，具體涉及一種面向無線數能同傳的聯合調制編碼算法。

背景技術

在過去的十年中，無線功率傳輸(WPT)在無線通信領域引起了大家廣泛的興趣。通過在接收機處配備能量收集電路，使得低功率設備隨時能夠在它們渴求能量時收集無線功率，并延長其使用壽命。協調無線信息傳輸(WIT)和WPT引發了無線數能同傳(SWIPT)技術的誕生。一些傳統研究已經提出了協調WPT和WIT的方法，比如使無線信息和功率能夠通過使用時間開關(timeswitching(TS))在不同的時隙傳輸，或者通過配備功率分配電路將接收到的功率分為兩部分分別對應WIT和WPT，即功率分割(PS)。然后，通過分別為WIT和WPT分配不同的資源(例如功率，時隙，天線或帶寬)來獲得平衡。

編碼和調制是物理層中的兩個關鍵技術，可以通過適當設計和選擇編碼和調制方案來提高傳統數據通信中的WIT性能。更高階的調制方案可以傳輸更多的信息，但同時也可能導致更高的誤碼率(BER)。在SWIPT系統中，通過最大程度地增加具有較高發射功率的已調符號的發射概率來提高WPT性能的同時，也降低了發射機與接收機之間的互信息，從而導致了WIT性能的下降。因此，通過聯合設計編碼和調制方案來獲得物理層中WIT和WPT之間的權衡顯得尤為重要。

關于SWIPT的編碼設計，在“Unary coding controlled simultaneous wirelessinformation and power transfer”中，Hu等人研究了一元編碼控制的SWIPT系統。一元編碼由于其編碼和解碼復雜性低而在現代無線通信系統中被廣泛采用。它更適合那些渴求能量并配備SWIPT模塊為電池或超級電容供電的低功率設備，其可變長的碼字長度在能量傳輸方面也有著顯著的優勢。

目前對WIT性能的大多數分析都是基于經典的Shannon-Hartley信道容量，這無法揭示實際通信系統的性能?，F有的一些論文著作僅限于分別研究編碼和調制設計。于是，本發明提出在瑞利信道下進行編碼調制聯合控制WIT和WPT，更為實際地解決SWIPT系統的信息能量控制問題。

發明內容

本發明旨在通過同時考慮一元編碼的編碼和調制來平衡SWIPT中的WIT和WPT。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：給出系統的結構，在該結構下討論后續問題；分析WPT性能；分析WIT性能；提出聯合編碼調制設計的優化問題；解決優化問題；進行數據仿真，驗證理論分析，同時展現WPT和WIT性能之間的平衡。具體包括以下實現步驟：

S1.首先，給出系統的結構，采用一元編碼在瑞利信道下傳輸信息和能量。

S2.在采用M-QAM的調制方式下，分析WPT性能，即平均能量收割(EH)功率。

S3.分析WIT性能，根據馬爾可夫建模分析得到發射機和接收機間的互信息。

S4.提出聯合編碼調制設計的優化問題，使得信息和能量相互制約，平衡WPT和WIT性能。

S5.解決優化問題。借助于二分查找算法，獲得最佳功率分割比；借助于遺傳算法，解決優化問題，獲得信源輸入的最優分布。

二分查找算法具體包括以下步驟：

A1、初始化功率分割比的上限和下限ρ_upper＝1,ρ_lower＝0；互信息I＝0；