CN109165537A - 一种基于无比特率码的反向散射标签分布式速率自适应算法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于无比特率码的反向散射标签分布式速率自适应算法，属于反向散射标签分布式速率自适应算法技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种基于无比特率码的反向散射标签分布式速率自适应算法；解决该技术问题采用的技术方案为：包括如下步骤：步骤一：确定协议：控制阅读器向所有反向散射标签发送命令，安排时隙，启动数据传输阶段；每个反向散射标签利用一个随机二进制数发生器返回一个随机位，在每个时隙中，若生成的随机位是“1”，则标签将传输其消息，否则标签保持沉默；重复步骤1.2，直到阅读器发出停止命令；阅读器通过不发送信号来表示时隙的开始或结束，标签自动移动到下一时隙；本发明应用于反向散射标签。

Description

一种基于无比特率码的反向散射标签分布式速率自适应算法

技术领域

本发明一种基于无比特率码的反向散射标签分布式速率自适应算法，属于反向散射标签分布式速率自适应算法技术领域。

背景技术

新一代的反向散射标签具有各种传感和计算功能，这些功能使其被广泛应用和研究，而将RFID等反向散射标签嵌入日常物体进行信号传输成为研究超低功率网络的关键，而在部署可靠有效的反向散射网络时面临两个主要问题：一方面，由于反向散射标签不能彼此感知，多标签同时传输信号时易受碰撞冲突的影响，另一方面，传统的反向散射***中，标签通过顺序传输的方式进行通信，传输比特率没有适配于信道条件，错过了增加吞吐量的机会，或传输超过信道容量导致数据传输出错；因此，设计一种应用于反向散射标签通信的速率适配方案对于反向散射***的使用至关重要。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于无比特率码的反向散射标签分布式速率自适应算法；为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于无比特率码的反向散射标签分布式速率自适应算法，包括如下步骤：

步骤一：确定协议：

1.1：控制阅读器向所有反向散射标签发送命令，安排时隙，启动数据传输阶段；

1.2：每个反向散射标签利用一个随机二进制数发生器返回一个随机位，在每个时隙中，若生成的随机位是“1”，则标签将传输其消息，否则标签保持沉默；

1.3：重复步骤1.2，直到阅读器发出停止命令；阅读器通过不发送信号来表示时隙的开始或结束，标签自动移动到下一时隙；

1.4：控制阅读器接收冲突消息，使用步骤三置信传播算法进行解码；一旦解码完所有标签的消息并且解码后的消息通过CRC校验，则停止发送射频信号，标签停止传输转移到下一时隙；

步骤二：进行编码：

2.1：对阅读器接收消息的向量值进行计算：所述步骤1.4得到的消息是无比率的，进行传输时，各传输信息将在信道上随机碰撞，阅读器的接收消息的向量值y可表示为：

y_L×1＝D_L×KH_K×Kb_K×1；

其中：需要传输信息的标签个数为K，每个标签传输1位消息，向量b表示K个标签传输的K位消息，其中b_i∈(0，1)是标签i所对应的传输位；

H是对角线矩阵，其对角线元素h_i,i表示反向散射标签i所对应的信道，D是二元矩阵，元素d_j,i是标签i的第j个随机数，L为总时隙数；

若每个标签传输P位消息，则阅读器端接收到的向量Y可表示为：

Y_L×P＝D_L×KH_K×KB_K×P；

步骤三：进行置信传播解码：

3.1：将K个独立标签随机位初始化为一个随机二进制向量，找到中的一位使其误差最小；为中的每个位i保持一个变量G_i，找到最大G_i所对应的位i，使误差减小；

所述增益变量G_i的计算公式如下：

3.2：开始第一次迭代，基于随机初始化的值对G_i进行计算；

3.3：找到i使得G_i满足G_i＝maxG₁,G₂,…,G_K；

3.4：找到i之后，计算

3.5：更新G_i以及与位i发生冲突的所有标签的增益，如D的第i列和第l列在至少一个相同行中传输数据都为“1”，则更新G_i；

3.6：一旦所有增益都为负值，该算法就会完成对消息中第j位的解码，然后移动到j+ 1位置解码下一位；

3.7：在解码所有位置之后，算法检测所得消息是否通过了CRC校验；

如果此位消息通过了CRC校验，则该位值将被固定，以便后续解码，且阅读器不断收集冲突，直到所有消息被正确解码。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明涉及反向散射通信***中多标签传输时出现的碰撞冲突问题以及信道利用率问题，引入一种新的信道编码方式进行数据传输并处理冲突，属于一种无源感知网络物理层优化方案，可以最大化信道利用率，有效提高吞吐量。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明置信传播解码的示意图；

图2为本发明的实验效果图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明一种基于无比特率码的反向散射标签分布式速率自适应算法，包括如下步骤：

步骤一：确定协议：

1.1：控制阅读器向所有反向散射标签发送命令，安排时隙，启动数据传输阶段；

1.2：每个反向散射标签利用一个随机二进制数发生器返回一个随机位，在每个时隙中，若生成的随机位是“1”，则标签将传输其消息，否则标签保持沉默；

1.3：重复步骤1.2，直到阅读器发出停止命令；阅读器通过不发送信号来表示时隙的开始或结束，标签自动移动到下一时隙；

1.4：控制阅读器接收冲突消息，使用步骤三置信传播算法进行解码；一旦解码完所有标签的消息并且解码后的消息通过CRC校验，则停止发送射频信号，标签停止传输转移到下一时隙；

步骤二：进行编码：

2.1：对阅读器接收消息的向量值进行计算：所述步骤1.4得到的消息是无比率的，进行传输时，各传输信息将在信道上随机碰撞，阅读器的接收消息的向量值y可表示为：

y_L×1＝D_L×KH_K×Kb_K×1；

其中：需要传输信息的标签个数为K，每个标签传输1位消息，向量b表示K个标签传输的K位消息，其中b_i∈(0，1)是标签i所对应的传输位；

H是对角线矩阵，其对角线元素h_i,i表示反向散射标签i所对应的信道，D是二元矩阵，元素d_j,i是标签i的第j个随机数，L为总时隙数；

若每个标签传输P位消息，则阅读器端接收到的向量Y可表示为：

Y_L×P＝D_L×KH_K×KB_K×P；

步骤三：进行置信传播解码：

3.1：将K个独立标签随机位初始化为一个随机二进制向量，找到中的一位使其误差最小；为中的每个位i保持一个变量G_i，找到最大G_i所对应的位i，使误差减小；

所述增益变量G_i的计算公式如下：

3.2：开始第一次迭代，基于随机初始化的值对G_i进行计算；

3.3：找到i使得G_i满足G_i＝maxG₁,G₂,…,G_K；

3.4：找到i之后，计算

3.5：更新G_i以及与位i发生冲突的所有标签的增益，如D的第i列和第l列在至少一个相同行中传输数据都为“1”，则更新G_i；

3.6：一旦所有增益都为负值，该算法就会完成对消息中第j位的解码，然后移动到j+ 1位置解码下一位；

3.7：在解码所有位置之后，算法检测所得消息是否通过了CRC校验；

如果此位消息通过了CRC校验，则该位值将被固定，以便后续解码，且阅读器不断收集冲突，直到所有消息被正确解码。

本发明提出的信号传输优化方案，是将多个反向散射标签碰撞产生的信号看作单个标签信号的线性组合，即将碰撞视为多标签同时传输时的总比特码，而简单地让标签重复冲突会导致多个相同冲突并产生相同的码，不利于之后的解码；本发明提出的优化方法可以使每个标签只在冲突的一个小随机子集中进行传输，并且在标签端不会产生其他开销，这样所得到的码是稀疏的码，即低密度码，且无比特率，使标签可以进行冲突传输，直到阅读器收集到足够的冲突来解码，并利用这种无比特率特性来实现标签的分布式速率适配，并使用置信传播算法(belief propagation，BP算法)对这种低密度码进行解码。

由于能量问题，反向散射标签通常使用简单的调制方式，如OOK或BPSK，每个符号只传输一个比特信息，然而碰撞可以使总比特率加倍，某种程度上增加了吞吐量，但仅仅允许标签相互冲突，如果信道噪声较大或者星座间隔较不理想，则接收到的信息可能会混淆，导致解码错误；所以在解码过程中，反向散射标签需要首先知道信道的信噪比(SNR)，以决定它是否可以支持2位/符号，并使用***率来进行速率适配。

进行置信传播解码时，对标签进行识别，利用压缩感知等方法在阅读器端计算得到信道矩阵H，阅读器与标签具有相同的随机数生成器，D也可容易获得，接收信号为Y，目标是使用置信传播算法进行迭代译码，得到原始消息B。

接收到的冲突信号第j位的解码过程，其余位同下：每个标签的第j位只与其他标签的第j位相冲突，且与消息中的其他位分开解码。

使用公式y_L×1＝D_L×KH_K×Kb_K×1进行解码；

上式可以等效为图1给出的二分图，其中左边的K个点表示原始信息位b，右边的点表示接收信息y。如果d_j,i＝1，那么说明有数据位b_i被传输，通过冲突及信道加权h_i,i得到接收信号y_j。

置信传播算法的目的是找出一个产生接收信号y的近似向量或者更具体地说找到来最小化误差：

如图2所示，使用上述方法进行验证试验：设K＝4，8，12，16个WISP标签，使用本方法、TDMA、CDMA三种算法协议进行实验，图2显示出了三种方案的消息未被正确解码的标签数量，由此可知，CDMA协议具有最低的可靠性，而由于本方案的无速率码的使用，使其速率适配，近乎没有错误，因此本方案对提高反向散射***的吞吐量和可靠性方面有着显著效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种基于无比特率码的反向散射标签分布式速率自适应算法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：确定协议：

1.1：控制阅读器向所有反向散射标签发送命令，安排时隙，启动数据传输阶段；

1.2：每个反向散射标签利用一个随机二进制数发生器返回一个随机位，在每个时隙中，若生成的随机位是“1”，则标签将传输其消息，否则标签保持沉默；

1.3：重复步骤1.2，直到阅读器发出停止命令；阅读器通过不发送信号来表示时隙的开始或结束，标签自动移动到下一时隙；

1.4：控制阅读器接收冲突消息，使用步骤三置信传播算法进行解码；一旦解码完所有标签的消息并且解码后的消息通过CRC校验，则停止发送射频信号，标签停止传输转移到下一时隙；

步骤二：进行编码：

2.1：对阅读器接收消息的向量值进行计算：所述步骤1.4得到的消息是无比率的，进行传输时，各传输信息将在信道上随机碰撞，阅读器的接收消息的向量值y可表示为：

y_L×1＝D_L×KH_K×Kb_K×1；

其中：需要传输信息的标签个数为K，每个标签传输1位消息，向量b表示K个标签传输的K位消息，其中b_i∈(0，1)是标签i所对应的传输位；

H是对角线矩阵，其对角线元素h_i,i表示反向散射标签i所对应的信道，，D是二元矩阵，元素d_j,i是标签i的第j个随机数，L为总时隙数；

若每个标签传输P位消息，则阅读器端接收到的向量Y可表示为：

Y_L×P＝D_L×KH_K×KB_K×P；

步骤三：进行置信传播解码：

3.1：将K个独立标签随机位初始化为一个随机二进制向量，找到中的一位使其误差最小；为中的每个位i保持一个变量G_i，找到最大G_i所对应的位i，使误差减小；所述增益变量G_i的计算公式如下：

3.2：开始第一次迭代，基于随机初始化的值对G_i进行计算；

3.3：找到i使得G_i满足G_i＝maxG₁,G₂,…,G_K；

3.4：找到i之后，计算

3.5：更新G_i以及与位i发生冲突的所有标签的增益，如D的第i列和第l列在至少一个相同行中传输数据都为“1”，则更新G_i；

3.6：一旦所有增益都为负值，该算法就会完成对消息中第j位的解码，然后移动到j+1位置解码下一位；

3.7：在解码所有位置之后，算法检测所得消息是否通过了CRC校验；

如果此位消息通过了CRC校验，则该位值将被固定，以便后续解码，且阅读器不断收集冲突，直到所有消息被正确解码。