技术摘要：
本发明公开一种面向无线数能同传的联合调制编码算法，针对无线数能同传中编码器和调制器联合控制信息和能量的技术问题；本发明根据实际应用设计一元编码控制的无线数能同传收发机系统；以平均能量收割功率大小为能量评估标准分析系统无线传能(WPT)性能；以收发机间的互  全部
背景技术：
在过去的十年中，无线功率传输(WPT)在无线通信领域引起了大家广泛的兴趣。通 过在接收机处配备能量收集电路，使得低功率设备随时能够在它们渴求能量时收集无线功 率，并延长其使用寿命。协调无线信息传输(WIT)和WPT引发了无线数能同传(SWIPT)技术的 诞生。一些传统研究已经提出了协调WPT和WIT的方法，比如使无线信息和功率能够通过使 用时间开关(timeswitching(TS))在不同的时隙传输，或者通过配备功率分配电路将接收 到的功率分为两部分分别对应WIT和WPT，即功率分割(PS)。然后，通过分别为WIT和WPT分配 不同的资源(例如功率，时隙，天线或带宽)来获得平衡。 编码和调制是物理层中的两个关键技术，可以通过适当设计和选择编码和调制方 案来提高传统数据通信中的WIT性能。更高阶的调制方案可以传输更多的信息，但同时也可 能导致更高的误码率(BER)。在SWIPT系统中，通过最大程度地增加具有较高发射功率的已 调符号的发射概率来提高WPT性能的同时，也降低了发射机与接收机之间的互信息，从而导 致了WIT性能的下降。因此，通过联合设计编码和调制方案来获得物理层中WIT和WPT之间的 权衡显得尤为重要。 关于SWIPT的编码设计，在“Unary  coding  controlled  simultaneous  wireless  information  and  power  transfer”中，Hu等人研究了一元编码控制的SWIPT系统。一元编 码由于其编码和解码复杂性低而在现代无线通信系统中被广泛采用。它更适合那些渴求能 量并配备SWIPT模块为电池或超级电容供电的低功率设备，其可变长的码字长度在能量传 输方面也有着显著的优势。 目前对WIT性能的大多数分析都是基于经典的Shannon-Hartley信道容量，这无法 揭示实际通信系统的性能。现有的一些论文著作仅限于分别研究编码和调制设计。于是，本 发明提出在瑞利信道下进行编码调制联合控制WIT和WPT，更为实际地解决SWIPT系统的信 息能量控制问题。
技术实现要素：
本发明旨在通过同时考虑一元编码的编码和调制来平衡SWIPT中的WIT和WPT。 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：给出系统的结构，在该结构下讨论后 续问题；分析WPT性能；分析WIT性能；提出联合编码调制设计的优化问题；解决优化问题；进 行数据仿真，验证理论分析，同时展现WPT和WIT性能之间的平衡。具体包括以下实现步骤： S1.首先，给出系统的结构，采用一元编码在瑞利信道下传输信息和能量。 S2.在采用M-QAM的调制方式下，分析WPT性能，即平均能量收割(EH)功率。 S3.分析WIT性能，根据马尔可夫建模分析得到发射机和接收机间的互信息。 5 CN 111585937 A 说　明　书 2/12 页 S4.提出联合编码调制设计的优化问题，使得信息和能量相互制约，平衡WPT和WIT 性能。 S5.解决优化问题。借助于二分查找算法，获得最佳功率分割比；借助于遗传算法， 解决优化问题，获得信源输入的最优分布。 二分查找算法具体包括以下步骤： A1、初始化功率分割比的上限和下限ρupper＝1,ρlower＝0；互信息I＝0； A2、如果满足|I-Ith|＞φ(φ为收敛阈值)，则继续下述步骤，否则直接跳到步骤 A6； A3、ρ＝(ρupper ρlower)/2，通过步骤S3的互信息公式得到互信息下界 A4、如果I＞Ith，那么ρlower＝ρ，否则ρupper＝ρ； A5、返回步骤A2； A6、ρ*＝(ρupper ρlower)/2。 遗传算法具体包括以下步骤： B1、初始化。初始化具有ind_num个个体的初代G，每个个体都是一个随机的输入分 布Pr_xj＝{pj(X1) ,…,pj(XK)}(j＝1,…,ind_num)，满足 生成变量i＝1；最 佳适应度fitness*＝0； B2、如果满足i＜max_gen，则继续下述步骤，否则直接结束； B3、i＝i 1，对于G中的每个个体Pr_xj，根据A1～6提出的二分查找搜索算法获得 最佳功率分割比ρj； B4、对于每个个体，求得平均收割能量Pr和互信息下界 B5、根据优化问题获得每个个体的适应度(fitness)，而第j个个体的适应度表示 为： 如果max{fitnessj}＞fitness*，则fitness*＝max{fitnessj}，根据最优个体更新 最佳功率分割比ρ*和最优输入分布Pr_x*； B6、每个个体的选择概率为： 通过根据概率probj选择新 的个体来更新G； B7、杂交：在每个自然选择之后进行杂交，然后通过一代又一代地产生两个父代个 体的后代来更新G。给定父代的两个个体Pr_x(father)和Pr_x(mother)，他们的后代Pr_x(of  f  spring)表示为： Pr_x(of  f  spring)＝a·p(father)(Xk) (1-a)·p(mother)(Xk) ,j＝1,…,ind_num ,k＝ 1,…,K 因为有 所以子代Pr_x(of  f  spring)同样也 6 CN 111585937 A 说　明　书 3/12 页 满足 B8、变异：对于每个个体，生成一个符合均匀分布U(0 ,1)的生成值 如果 则按照下列方式进行突变：对于每个单独的Pr_xj，通过在正态分布N (0,ν)之后加上一个统计值Δp来操作变异，该统计值表示为： pj(Xk)＝pj(Xk) Δp,k＝1,…,K 于是更新的个体表示为： B9、返回步骤B2，遍历所有个体后更新G。 最后，分别对WPT和WIT的有效性分析以及编码调制系统的WPT和WIT性能进行数据 仿真，验证理论分析，同时展现WPT和WIT性能之间的平衡。 本发明的有益效果：本发明的一种面向无线数能同传的联合调制编码算法，能够 避免编码器和调制器的割裂，与此同时解决了给定调制条件下信息和能量的平衡问题。本 发明的方法具备以下优点： 1.联合编码和调制控制WIT和WPT，更适用于实际工程问题； 2.在瑞利信道下建模，更符合实际信道特点； 3.调制方式不固定，给出更具普遍性的分析指导； 4.提出信息能量相互制约的优化问题，并给出了具体适用的算法来解决它。 附图说明 图1为本发明的设计流程图； 图2为适用于本发明的SWIPT收发机架构； 图3为WPT的有效性分析； 图4为WIT的有效性分析； 图5为使用16-QAM调制器时的平均能量收割功率与互信息阈值间的关系仿真图； 图6为使用4阶一元编码时，平均能量收割功率与调制阶数的关系仿真图； 图7为平均能量收割功率与一元编码阶数K的关系仿真图。