工业无线通信射频采集信道模型及性能分析
徐 解
（洛阳职业技术学院机电工程学院， 河南 洛阳 471000）
摘 要：为了进一步丰富工业网络运行质量，开展无线通信射频采集信道模型及性能分析。在发送天线选择方案中
引入源节点，避免非可信中继窃听信息等情况采取人为干扰方式。研究结果表明：系统可靠性随发送功率不断提高
而增强，促进中继转发功率及中继节点能量的提升，有利于改善中继信息接收到传输源数据效率。分集增益在天线
数不断增大的情况下而提高，连接中断概率表现更优。功率参数增加后，安全吞吐量显著提升随后逐步减少。该研究
有助于提供工业网络运行效率，具有很好的节能效果。
关键词：无线通信；射频采集；信道模型；安全吞吐量
中图分类号：TP13
文献标识码：A
0 引言
现阶段，多数无线网络设备的供电方式均以电池
为主，然而由于容量有限，显著影响系统性能的发
挥[1]。很多研究学者为解决上述问题，针对节能运行
方式展开研究设计，从已有研究来看最为广泛应用的
便是射频采集技术，因性能优异被领域内许多学者关
注。随着标签价格的下降和供应链物流需求的增长，
射频识别技术已经走向全面部署阶段。射频信号作为
目前无线通信技术的主要传输载体，为保证实现无线
数据传输[2]。
分析无线网络设备发展趋势，发现目前得到广泛
应用的一项关键技术就是综合应用协同中继方法与
无线携能通信方法，有利于促进能量采集效率的提升，
同时还能对无线通信系统数据传输效率进行优化[3-4]。
张凯等[5]基于队列数据包的传输紧迫性对次用户时
限约束频谱接入马尔可夫决策过程（MDP）建模，有效
降低最优策略求解复杂度，在不同网络参数配置下验
证策略相较于贪婪策略的吞吐率性能优势。邵军虎
等[6]基于无线紫外射频无线衰落信道，建立述双链路
并行传输中继与协作模型，在不同信道参数下对系统
性能分析，相比于无线紫外光单链路传输，混合链路
的中继协作策略在不同参量下获得更低的系统中断
概率。谢鑫等[7]设计基于多层感知机的数量估计方
法，通过融合多样化的数量估计特征来提高估计的精
度，以确保标签数目位于数量估计网络区间，所提基
于多层感知机的数量估计协议比现有方法提升20%
以上精度。
文章编号：2095-0748（2025）06-0254-03
信道模型及性能分析。
1 系统信道模型
无线信号数据采集通道是利用射频捕获技术进
行收集的无线电波参数。该技术能够从位于远端的无
线网络接入点和移动通信基站吸收电磁波能量，之后
进一步转化为电力能源，以此增加物联网设备供电时
间。射频能量采集通道能够通过无线数据形式进行传
输，同时会显示移动设备运行状态，从而对手机等各
类设备实施侧信道侵袭，威胁用户的个人隐私。根据
采集获得的附近区域无线电波，射频能量采集通道能
够辨识出传输信息内容以及设备的动特征。采用此项
技术进行处理时无需开发专门的软件程序，无需对目
标设备进行近距离物理接触或干扰网络通讯，因此具
备较强隐秘性与良好的适应能力。
为减轻受限制状态下的无线设备因电池容量消
耗对系统运行过程带来的影响，本文提出了为源节点
设置发送天线的策略，以此提升中继节点对能量收集
的效率。构建三节点中继网络模型，将N根天线安装
在源节点S处，并将单天线安装在目的节点D与中
继节点R中，假设因障碍物遮挡或S与D存在深衰
落导致通信受阻，S处的保密信息则需R采用放大转
发方法传输至D[8]。最佳发射天线采取发送天线选择
方案完成，天线序号为：
i=arg max
hSR
2.
1≤i≤N
（1）
式中：i为天线序号；hSR
为源节点S到中继节点R的
信道增益。
但是针对非可信中继节点安全传输性能的提升
却未在上述研究中谈及，该内容在射频采集中继网络
中十分重要。本文针对物理层安全传输技术从时间切
换传输协议条件方面展开重点研究，为确保能量受限
中继节点收集效率提升，开展工业无线通信射频采集
收稿日期：2024-08-06
能量采集如下：
[
Ea
=ηt βP hSR
2+（1-β）P hRD
2 .
]
（2）
式中：Ea
为天线传输能量；t为传输时长；η为物理层
抗干扰系数；β为信道发射调节系数；P为发射功率；
hSD
为源节点S到节点D的信道增益
分析上述得出，多天线分集增益效果可通过最佳
发射天线传输能量源节点参数有效发挥。
为确保保密信息安全编码，S选择安全编码模式
保持速率恒定，S先采取符号映射处理方式处理编码
信息，然后在传输信息时应用最优发射天线实现该功
能。除此之外，干扰信息经D传输至R，为保证系统物
理层安全等级更高，按照以下形式表示中继节点获得
信号yR
：
yR
=hSR
xS
+hRD
z+nE
.
（3）
式中：xs
为源节点向中继发送信号；z为人工干扰信
号；nE
为中继节点处加性高斯白噪声。
然而需要强调的是，优化分析能量采集及数据传
输效率为上述研究内容的重点，系统性能可有效提
升，但同时会导致安全威胁问题产生。在信息安全性
提高研究层面，传统加解密方式主要以增强数据复杂
度为目的，系统物理安全等级在这些信息处理技术的
支撑下得到提升，这些技术包括人工干扰、预编码等。
进行无线通信的过程中，发射装置产生电磁波并
通过无线信道传输至周边区域。射频能量搜集器天线
负责捕捉射频波动，并通过适配网络进行传输，由此
提升搜集效能。随后，通过整流与电压放大装置构建
射频转直流电路，使射频波动转化为直流电压，该电
压可以对电池进行充电或成为电子设备的驱动源。
2 性能分析
2.1 测试方案
当收集到各受害对象电压变化数据后，再以低通
保形滤波器方法进行滤波，实现对信号的降噪处理，
同时形成更平滑过渡的曲线。以S-G滤波技术进行
处理的原因是该技术能在保留信号时间与频率特性
的基础上，提供较高的信号噪声比。进行特征筛选与
抽取时，经过信号预处理后，再设定4s时间的周期滑
动窗口对电压信号进行分析，相邻窗口存在50%重合
部分。从各滑动窗口中时域与频域分析结果中采集31
个特征值，这些特征值被用于机器学习分类器训练。
通过设置不同分类样本，由此设置应用软件所属
类型。接着利用初步分类结果从微观层面进行应用分
类。当确定应用程序类型之后，动作识别模块将分析
用户在使用过程中作出的具体行为。在众多分类算法
中，本研究采用随机森林算法进行处理，其在测试分
类算法中展现了理想的精确度控制性能。
位于射频能量搜集器与目标装置间的空间距离
对于搜集效率有着显著影响，本研究将搜集器置于目
标Wi-Fi路由器上特定间距的位置，将间距从0.3m
逐步增加到2.4m，同时设定0.3m的间隔排列测试
点。在多种用户场景下，对移动行为进行识别的准确
度随着距离的延伸而降低，但在1.5m范围内，距离
对识别准确度的负面影响并不显著。
2.2 中断概率分析
分析中断概率在不同功率因子β和时间因子α
条件下的变化情况，依次按照2、4、6源节点天线数完
成测试，功率因子与时间因子两者均为0.5。
中断概率随时间因子的变化结果见图1所示。通
过观察图1得出，中断概率降低现象随着时间因子不
断增大而频繁出现，因此在能量采集方面中继节点获
取较高效率，系统可靠性随着其发送功率不断提高而
增强。当天线数不断增大条件下，重点概率相应减少，
但是天线数不断增多情况下，中断概率相应降低，主
要原因在于发送天线在能量采集子时隙阶段传输获
取的分集增益随着天线数增大而增大，从而促进中继
转发功率及中继节点能量的提升。
100
10-1
中断概率
10-2
10-3
10-4
0.0
天线数2
天线数4
天线数6
0.2
0.4
0.6
时间因子α
0.8
图1 中断概率随时间因子的变化
1.0
中断概率随时功率因子的变化结果见图2所示。
通过观察图2发现，中断概率随β不断增大而持续减
少，在传输保密信息的过程中，更多功率随着β的提
高被应用，传输状态的稳定性更强。
100
10-1
中断概率
10-2
10-3
10-4
天线数2
天线数4
天线数6
0.0
0.2
0.4
0.6
功率因子β
0.8
图2 中断概率随时功率因子的变化
2.3 安全吞吐量分析
1.0
安全吞吐量在不同功率因子β和时间因子α条
件下变化波动较大，功率因子与时间因子两者数值均
为0.5。
安全吞吐量随时间因子的变化见图3所示。观察
图3结果，可以发现在不同时间参数和功率条件下得
到的安全吞吐量变化趋势。进行仿真实验时，源节点
天线数量被设定在固定值4。从图3分析结果中还可
以得到，随着时间参数的增加，安全吞吐量随之上升，
但在后期又逐步减少。而当时间参数过大的情况下，
又会导致有效通信时间缩短，进而降低安全吞吐量。
安全吞吐量随功率因子的变化结果见图4所示。
通过图4分析可以看到，功率因子β增加后，在初期
阶段会造成安全吞吐量发生显著提升，但随后则进入
逐步减少的阶段，说明存在一个最佳功率参数能够
安全吞吐量达到最高。这一现象是由于在功率参数较
低的时候，源节点发射功率不足，导致安全吞吐量较
小，安全吞吐量反而会降低。
0.4
安全吞吐量
0.3
0.2
0.1
0.0
0.0
功率因子0.3
功率因子0.5
功率因子0.7
0.2
0.4
0.6
时间因子α
0.8
图3 安全吞吐量随时间因子的变化
0.4
安全吞吐量
0.3
0.2
功率因子0.3
功率因子0.5
功率因子0.7
1.0
0.1
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
功率因子β
0.8
图4 安全吞吐量随功率因子的变化
1.0
本研究采用特定高灵敏度天线阵来监测具有较
低分辨率且对时延反应敏感的宽带信号，从而估算出
传播路径具体参数。通过优化时间与功率的调节系数
实现最高的安全数据传输速率。根据天线技术构建的
无线射频模型能够显著增强传输系统可靠性，对于提
升无线通信效率具备极大理论价值。
3 结语
1）随时间因子不断增大，中断概率降低，促进中
继转发功率及中继节点能量的提升。中断概率随β不
断增大而持续减少，分集增益在天线数不断增大，连
接中断概率表现更优。
2）随时间参数增加，安全吞吐量随之上升，但在
后期逐步减少。功率参数增加后，初期阶段安全吞吐
量显著提升随后逐步减少。
该研究有助于提高无线通信射频采集能力，但是
在面对异常情况的时候存在收敛不足的问题，期待后
续引入深度学习方法进行加强，以提高应对恶略环境
的能力。
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（编辑：白龙）
