CN109495569A - 一种新型无线通信***架构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，具体的说是一种新型无线通信***架构。本发明的无线通信***架构，包括具备主动发射无线信号能力的主动式发射机，与主动式发射机耦合的被动式反射设备，以及接收机；所述耦合方式为，主动式发射机发射通信信号和未经调制的载波，被动式反射设备接收主动式发射机的射频信号，通过改变其天线阻抗来反射出具有不同幅度与相位的发送信号，实现信息传递；所述接收机将同时解调主动式发射机和被动式反射设备发射的信号。本发明的有益效果为，反射设备运用被动式通信，实现了低功耗传输。同时，与传统主动式通信***共享同一射频源、同一接收机和同一频谱，不需要额外分配频谱资源，也不需要额外部署专用射频源。

Description

一种新型无线通信***架构
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体的说是一种新型无线通信***架构。
背景技术
物联网是新一代信息技术的重要组成部分，然而，物联网技术的发展有两大瓶颈，包括通信低功耗额约束及频谱约束。首先，物联网设备不便于频繁更换电池，因此对通信低功耗有极高的要求。其次，由于通信频谱资源极为稀缺，现存的频谱资源远远无法满足物联网广泛部署的需求。
现有的物联网通信技术包括NB-IoT、Bluetooth、ZigBee、LoRa、SigFox等技术，它们与传统蜂窝网络一样，采用的都是主动式有源通信发射机架构，其发射机包含数模转换、上变频、功放等有源射频器件。这种通信发射机架构因其过高的通信能耗，通常不能满足物联网设备的低功耗需求。近年来，被动式反射通信架构正在逐渐兴起，该通信***的发送机采用的是无源反射通信，因此其通信能耗可以大大降低。典型的被动式反射通信包括RFID技术及环境反射通信。对于RFID，其发送机利用远端射频源传递过来的未经调制的载波，将其信息发送给接收机。而对于环境反射通信，其发送机利用环境中的已经过调制的载波，将其信息发送给接收机。
为实现“任何时间，任何地点”的物联网通信需要，需要大范围部署射频源，存在较高的基础建设投入成本。如何在满足物联网设备能量需求的同时，又能实现较高的频谱效率，同时能尽量利用现有的通信网络基础设施来减小额外开销，成为物联网通信技术需要首要解决的问题。
发明内容
本发明提出一种全新的能够克服上述问题且几乎不用更改现有通信基础设施的寄生型无线通信***架构。
本发明采用的技术方案如下，
一种新型无线通信***架构，包括具备主动发射无线信号能力的主动式发射机，与主动式发射机耦合的被动式反射设备，以及接收机；
所述耦合方式为，主动式发射机发射主动式发射机发射待传输信息和支持被动反射设备通信的信号，比如单频载波，被动式反射设备接收主动式发射机的射频信号，通过改变其天线阻抗来反射出具有不同幅度与相位的发送信号，实现信息传递；
所述接收机将同时解调主动式发射机和被动式反射设备发射的信号。
本发明总的技术方案，该架构将被动式反射设备寄生于现有的主动式通信***，其基本构成包括采用主动式通信的主***发射机和接收机，以及寄生于该***的被动式反射设备。反射设备接收到来自于主***的射频信号，通过改变其天线阻抗来反射出具有不同幅度与相位的发送信号，实现信息传递。为支持反射设备信息传输，主***的发射机需要作一定改进。在上述方案中，提出了发射机在发送其原有的主动式通信信号之外，还将发射未经调制的载波支持寄生***信号反射。
进一步的，所述主动式发射机发射的信号为主动式基带信号s(t)和单频载波，发射信号为：
其中，ρ为功率分配因子；
则被动式反射设备将接收到的主动式发射机发射的信号，作为其载波，通过反射通信方式加载被动式反射设备的基带信号c(t)，获得反射后的信号为：
接收机同时接收到发射信号和反射后的信号，联合解调和解码s(t)和c(t)。
上述方案进一步明确了发射机和反射设备的耦合方式。
进一步的，所述接收机的解调方法为：
接收机接收到的基带信号为：
其中，P为主动式发射机的发送功率，h1和h2分别为主动式发射机和被动式反射设备的归一化信道参数，η为反射径损失，α为被动式反射设备的反射系数，u(t)为接收机零均值单位方差复高斯噪声；
首先，移除直流分量解调信号s(t)，此时c(t)项和s(t)c(t)项均视作干扰；
随后，带入s(t)，解调c(t)，此时，第一项仅含有s(t)可以先消去，而对于s(t)c(t)项，把s(t)合并到信道参数中辅助解调c(t)。
上述方案详细提出了接收机对联合信号的解调方式。
本发明的有益效果为，本发明中，反射设备运用被动式通信，实现了低功耗传输。同时，通过本发明的寄生通信架构，与传统主动式通信***共享同一射频源、同一接收机和同一频谱，不需要额外分配频谱资源，也不需要额外部署专用射频源。最后，本发明仅需要对传统主动式通信***发射机和接收机在数字域进行“软升级”，几乎不需要额外的基础设施升级。方案实施简单，且可证明能实现远高于为各自***分配专用通信资源的频谱效率，具有很强的应用价值。
附图说明
图1为本发明的***组成示意图；
图2为寄生设备和主发射机符号同步场景下的信号示意图；
图3为寄生设备和主发射机符号未同步场景下的信号示意图；
图4为本通信架构在传输高斯信号时的容量边界示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例子，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1为一种寄生型无线通信架构实现示例，所述***包括主***发射机(图中以HTx表示)、被动式反射设备(图中以BD表示)和协同接收机(图中以CRx表示)。其中，HTx发送属于主***的基带信号s(t)外，还将发送单频载波支持寄生***通信，故而其发射信号表示为BD将接收到来自于HTx的RF信号，作为其载波，在其上通过反射通信方式加载其基带信号c(t)，故而BD反射后的信号为将同时接收到来自于HTx和BD的信号，可以通过自干扰消除的方法同时解调s(t)和c(t)。
图2为HTx和BD能保持符号同步时的信号示意图。在此场景，BD反射操作等价于s(t)和c(t)在数字域相乘，其混合信号s(t)c(t)可以被接收机解调。CRx接收到的基带信号可表示为：
其中s(t)和c(t)分别为能量归一化的主***和寄生***传输信号，P为HTx的发送功率，ρ为功率分配因子，h1和h2分别为直射径(HTx直达CRx)和反射径(HTx通过BD到达CRx)的归一化信道参数，η为反射径损失(典型值为-20dB)，α为BD的反射系数(取值为0到1之间)，u(t)为接收机零均值单位方差复高斯噪声。其接收算法为如下(以常见的|h1|2≥η|h2|2场景为例)：
首先，移除直流分量解调信号s(t)，此时c(t)项和s(t)c(t)项均视作干扰；
随后，带入s(t)，解调c(t)。此时，第一项仅含有s(t)可以先消去，而对于s(t)c(t)项，可把s(t)合并到信道参数中辅助解调c(t)。
以发送信号s(t)和c(t)均服从高斯分布为例，***可达信息速率如下：
主***速率：
寄生***速率：其中指对信号s(t)的取值求期望。
基于上述分析，本发明提出一种新型的非正交多址接入方式，即HTx和BD同时发送信号，通过调节资源分配参数ρ和α，可达整体***性能最优化。常见的资源分配目标函数有两种。一种是优化主***和寄生***的加权和速率，可表示为如下优化问题：
(P1.a)maxρ,αQ(ρ,α):＝w1Rc+w2Rh
s.t.P≤PM,0≤ρ≤1,0≤α≤1,
其中PM为HTx传输功率约束，w1和w2为加权系数。
另一种常见分配策略为，给定主***速率要求最大化寄生***传输速率。其最优资源分配可由以下优化问题求得：
(P1.b)maxρ,αQ(ρ,α):＝Rc
图3所示为HTx和BD没有符号同步时的信号示意图。在此场景，s(t)和c(t+t0)之间存在时延t0。此时CRx需要对两信号分别进行同步再解调。此外，由于相乘项s(t)c(t+t0)带宽大于了CRx接收机带宽(假设接收机带宽与s(t)和c(t+t0)一致)，此时该项变为不可利用的干扰。综上，此时接收信号可表示为
其中g(t)为反射分量通过接收机滤波器后形成的干扰信号，可近似认为服从均值为零方差为Pρηα|h2|2的复高斯分布。CRx接收算法与同步场景几乎一致：
首先，移除直流分量解调信号s(t)，此时c(t+t0)和g(t)均为干扰；
随后，移除第一项s(t)的影响，解调c(t+t0)，此时g(t)依然是干扰。
由于干扰项g(t)的存在，主***和寄生***的可达速率与同步场景有所不同：
主***速率：
寄生***速率：
根据上述速率分析，本发明提出一种混合型多址接入方式，以克服反射干扰项对***整体性能的影响。该多址方式为以下两种传输模式作时分复用：
模式一：主***和寄生***同时传输信号，分配时间资源τ。
模式二：仅由主***传输信息s(t)，同时将BD关闭，此模式占用时间资源为1-τ。
于是，***可达速率可表示为如下：
主***速率：
寄生***速率：
类似于同步场景，最优的***资源分配策略可根据优化目标通过以下优化问题求解。例如，对于最大化加权和速率，可表示为如下优化问题：
s.t.P≤PM,0≤ρ≤1,0≤α≤1,0≤τ≤1.
对于给定主***速率要求最大化寄生***传输速率目标。其最优资源分配可由以下优化问题求得：
图4所示为上述讨论两种场景主***和寄生***的容量边界示意。仿真参数设置为|h1|2＝|h2|2＝1，HTx发射功率P＝20dB，反射损失为η＝-20dB。可以看出，我们为同步和非同步场景设计的寄生多址接入方式，相比于传统的为两***分配专用通信资源的时分多址(TDMA)方式，均能取得更优的频谱效率。

Claims (3)

1.一种新型无线通信***架构，其特征在于，
包括具备主动发射无线信号能力的主动式发射机，与主动式发射机耦合的被动式反射设备，以及接收机；
所述耦合方式为，主动式发射机发射待传输信息和支持被动式反射设备通信的信号，被动式反射设备接收主动式发射机的射频信号，通过改变其天线阻抗来反射出具有不同幅度与相位的发送信号，实现信息传递；
所述接收机将同时解调主动式发射机和被动式反射设备发射的信号。
2.根据权利要求1所述的一种新型无线通信***架构，其特征在于，所述主动式发射机发射的信号为主动式基带信号s(t)和单频载波，发射信号为：
其中，ρ为功率分配因子；
则被动式反射设备将接收到的主动式发射机发射的信号，作为其载波，通过反射通信方式加载被动式反射设备的基带信号c(t)，获得反射后的信号为：
接收机同时接收到发射信号和反射后的信号，联合解调和解码s(t)和c(t)。
3.根据权利要求1所述的一种新型无线通信***架构，其特征在于，所述接收机的解调方法为：
接收机接收到的基带信号为：
其中，P为主动式发射机的发送功率，h1和h2分别为主动式发射机和被动式反射设备的归一化信道参数，η为反射径损失，α为被动式反射设备的反射系数，u(t)为接收机零均值单位方差复高斯噪声；
首先，移除直流分量解调信号s(t)，此时c(t)项和s(t)c(t)项均视作干扰；
随后，带入s(t)，解调c(t)，此时，第一项仅含有s(t)可以先消去，而对于s(t)c(t)项，把s(t)合并到信道参数中辅助解调c(t)。
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