CN114024619B - 一种基于脉冲间隔调制的背向散射通信方法、装置及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲间隔调制的背向散射通信方法、装置及***，属于无线通信领域，包括：背向散射标签将待发送的信息比特分成比特序列；对基站发送的激励信号进行背向散射处理；接收机接收基站发送的激励信号和背向散射信号；解调基站发送的激励信号；对背向散射信号进行预处理；确定背向散射信号中锚符号的位置；根据锚符号的位置，求取所有时间间隔的长度，计算每个时间间隔所包含时隙的数量，并进行译码以获得信息比特，从而能够在每个时间间隔中传输多个信息比特，大大提高了通信速率。

Description

一种基于脉冲间隔调制的背向散射通信方法、装置及***

技术领域

本发明属于无线通信领域，更具体地，涉及一种基于脉冲间隔调制的背向散射通信方法、装置及***。

背景技术

近年来，背向散射通信得到了广泛的关注和研究。背向散射通信通过反射环境中的无线信号来传递自身的数据，不需要高频晶振、混频器和放大器等高功耗器件，因此背向散射通信具有超低功率消耗和超低制造成本的优势，被视作实现物联网万物互联的愿景的关键技术之一。与传统通信技术相同，背向散射通信的研究一直在追求更远的传播距离和更高的传输速率。远距离和高速率的特性能够将背向散射通信的应用拓展到更多场景。

现有的背向散射通信方法均采用符号级调制，即背向散射标签在每一个符号上仅传递一个比特，因此现有方法受限于通信距离与传输速率之间的权衡。高速率的背向散射通信方法具有较短的通信距离。另一方面，远距离的背向散射通信方法具有较低的传输速率，无法满足智慧农场、仓库管理等场景的需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于脉冲间隔调制的背向散射通信方法、装置及***，其目的在于解决现有技术由于采用符号级调制而导致的传输速率较低的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于脉冲间隔调制的背向散射通信方法，包括以下步骤：

背向散射标签将待发送的信息比特分成n段比特序列，所述n段比特序列中的每一段比特序列所包含的信息比特数量为m，所述m与n均为正整数；

所述背向散射标签对基站发送的激励信号进行背向散射处理，所述背向散射处理为背向散射所述基站发送的激励信号或者不背向散射所述基站发送的激励信号，其中不背向散射所述基站发送的激励信号的时间长度由所述比特序列转化而来。

进一步优选地，背向散射标签对激励信号进行背向散射处理，包括：

在第1个和第2k+1个发送周期内，对所述激励信号进行背向散射调制，生成脉冲间隔调制的锚符号；在第2k个发送周期内，不进行背向散射调制，生成脉冲间隔调制的时间间隔，k＝1,2……n；

所述第1个和第2k+1个发送周期的时间长度为固定值；

所述第2k个发送周期的时间长度为，将第k段比特序列转化为十进制整数，将该十进制整数与单个时隙的长度相乘所得到的乘积。

第二方面，本发明提供了一种基于脉冲间隔调制的背向散射通信方法，包括以下步骤：接收机接收基站发送的激励信号和背向散射信号；所述接收机解调所述基站发送的激励信号；所述接收机对所述背向散射信号进行预处理；

所述接收机确定背向散射信号中锚符号的位置；所述接收机根据锚符号的位置，求取所有时间间隔的长度，计算每个时间间隔所包含时隙的数量，并进行译码以获得信息比特。

进一步优选地，接收机对所述背向散射信号进行预处理，包括：

所述接收机根据所述激励信号的解调结果，恢复激励信号；

所述接收机将与所述激励信号同时到达接收机的背向散射信号的第p个采样点的值，除以所述恢复得到的激励信号的第p个采样点的值，得到预处理后的背向散射信号，p＝1,2……q，q为采样点的总数量。

进一步优选地，所述接收机确定所有锚符号的位置，包括：

所述接收机采用一个滑动窗口来截取所述预处理后的背向散射信号，该窗口的长度与锚符号相等；

所述接收机对窗口所截取的信号进行解调，窗口每滑动一个采样点，记录解调结果中频谱峰值的幅度及其频率；若频谱峰值的幅度随着窗口的滑动达到局部最大值，且其频率在半个窗口的长度内是不变的，则认为此时窗口与一个锚符号是重合的，记录锚符号的位置；

所述接收机在窗口滑动结束时，确定所有锚符号的位置。

第三方面，本发明提供了一种背向散射标签，包括脉冲间隔调制模块、背向散射调制模块；

脉冲间隔调制模块，用于将待发送的信息比特分成n段比特序列，所述比特序列所包含的信息比特数量为m，所述m与n均为正整数；

背向散射调制模块，用于将对基站发送的激励信号进行背向散射处理，所述背向散射处理为背向散射所述基站发送的激励信号或者不背向散射所述基站发送的激励信号，其中不背向散射所述基站发送的激励信号的时间长度由所述比特序列转化而来。

第四方面，本发明提供了一种接收机，包括接收模块、激励信号解调模块、背向散射解调模块、脉冲间隔解调模块；

接收模块，用于接收激励信号和背向散射信号；

激励信号解调模块，用于解调激励信号；

背向散射解调模块，用于基于激励信号的解调结果，对背向散射信号进行预处理，确定所有锚符号的位置；

脉冲间隔解调模块，用于基于锚符号的位置，求取每个时间间隔的长度，计算所包含时隙的数量，并进行译码以获得信息比特。

第五方面，本发明提供了一种基于脉冲间隔调制的背向散射通信***，包括本发明第三方面所提供的背向散射标签、本发明第四方面所提供的接收机。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明提出了一种基于脉冲间隔调制的背向散射通信方法，通过时间间隔的长度来传递信息，每一个时间间隔可以传递多个比特。与原有的符号级调制相比，本发明提出的背向散射通信方法大大提升了链路容量；

2、在本发明所提出的基于脉冲间隔调制的背向散射通信方法中，接收机基于激励信号的解调结果对背向散射信号进行预处理，接着采取滑动窗口获取锚符号的位置，实现细粒度的锚符号定位，可以保障背向散射通信的传输可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的一种基于脉冲间隔调制的背向散射通信方法流程图；

图2为本发明实施例所提供的接收机对背向散射信号进行预处理的示意图；

图3为本发明实施例所提供的滑动窗口工作原理示意图；

图4为采用本发明所提供的背向散射通信方法所得到的背向散射传输速率和通信距离在不同参数配置下的实验结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种基于脉冲间隔调制的背向散射通信方法，如图1所示，包括以下步骤：

基站：

发送啁啾扩频信号，作为激励信号。

具体地，啁啾扩频信号由频率随时间线性变化的符号组成，频率随时间线性上升的符号称为上啁啾，频率随时间线性下降的符号称为下啁啾。改变上啁啾的起始频率作为数据啁啾来传递信息，将数据啁啾与下啁啾相乘再做快速傅里叶变换(Fast FourierTransform,FFT)进行解调，FFT频谱中峰值的频率取决于数据啁啾的起始频率。一个啁啾符号由带宽(Bandwidth,BW)和扩频因子(Spreading Factor,SF)两个参数决定，本实施例中带宽取值为125kHz、250kHz或500kHz，扩频因子取值为7到12，符号周期可以计算为T＝2^SF/BW，其中，SF为扩频因子，BW为带宽。

背向散射标签：

将待发送的信息进行分段编码，转化成时间间隔中时隙的数量；

具体地，单个时隙为Δt＝1/BW。假设本实例中每个时间间隔传递11个信息比特，则背向散射标签将待发送的信息分成每段11个比特的等长序列，若某段信息序列为“10001100010”，则对应的时间间隔包含1122个时隙；

对激励信号进行背向散射调制，将脉冲间隔调制的基带信号加载到激励信号上，得到背向散射信号发送给接收机。

具体地，背向散射标签将脉冲间隔调制的基带信号加载到激励信号上的过程为：

(1)轮流发送锚符号和时间间隔，数据帧的开始和结尾均为锚符号；

(2)发送锚符号时，背向散射标签对激励信号进行移频，锚符号的周期与激励信号单个符号的周期T相等；

(3)发送时间间隔时，背向散射标签保持休眠，不对激励信号进行操作，时间间隔的长度等于对应的时隙数量乘以单个时隙的周期；

具体地，为了选择最优参数配置，可以计算本方法在不同参数配置下的理论速率。假设每个时间间隔中含有M信息比特，则时间间隔含有时隙的数量服从[0,2^M-1]的均匀分布，时隙数量的期望为(2^M-1)/2。由于脉冲间隔调制数据帧去除导频后，时间间隔的数目与锚符号相等，认为一个锚符号和一个时间间隔可以传输M信息比特，因此理论传输速率可以表示为：

上式分母的第一项为锚符号的周期，第二项为时间间隔的期望长度。从上式可以看出，M的最优值与BW无关，仅由SF决定。

接收机：

接收啁啾扩频信号和背向散射信号；

解调啁啾扩频信号，并基于解调结果对背向散射信号进行预处理。

具体地，对背向散射信号进行预处理的步骤为：

(1)解调啁啾扩频信号，求取每个符号的起始频率；

(2)根据解调结果恢复啁啾扩频信号，将与所述激励信号同时到达接收机的背向散射信号的第p个采样点的值，除以所述恢复得到的激励信号的第p个采样点的值，得到预处理后的背向散射信号，p＝1,2……q，q为采样点的总数量。

具体地，图2展示了接收机对背向散射信号进行预处理的流程和效果。图中两个啁啾扩频符号的起始频率分别为f₁和f₂，未对背向散射信号频移前，锚符号中存在频率不连续，将锚符号作为啁啾扩频符号进行解调时，解调结果中锚符号的能量分散在两个频点上，导致传输距离下降。将背向散射信号的前半部分的采样值除以一个起始频率为f₁的上啁啾的采样值，将后半部分的采样值除以一个起始频率为f₂的上啁啾的采样值，消除了锚符号中的频率不连续，对锚符号做快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)，FFT结果中锚符号的能量集中在一个频点上，保证了背向散射通信的远距离。

确定背向散射信号中锚符号的位置；

具体地，确定背向散射信号中锚符号位置的步骤为：

(1)采用一个滑动窗口来截取接收到的背向散射信号，该窗口的长度与锚符号相等；具体地，滑动窗口的长度为T；

(2)对窗口所截取的信号做FFT进行解调，窗口每滑动一个采样点，记录解调结果中频谱峰值的幅度及其频率；

(3)若频谱峰值的幅度随着窗口的滑动达到局部最大值，且其频率在附近区域是保持不变的，则认为此时窗口与一个锚符号是重合的。

具体地，图3展示了滑动窗口的工作原理。该示意图未考虑噪声的影响。图3中有3个锚符号和3个时间间隔，锚符号的起始位置分别为0、t₁和t₂，锚符号的周期为T，时间间隔的起点为上一个锚符号的终点，时间间隔的终点为下一个锚符号的起点。滑动窗口开始移动时，其终点位于T，此时滑动窗口完全覆盖第一个锚符号。当窗口的终点从T向t₁移动时，每移动一个采样点，窗口就失去一个有用的锚符号的采样点，得到一个无用的时间间隔中的噪声采样点，因此解调结果的峰值幅度将会下降。当窗口的终点从t₁向2T移动时，每移动一个采样点，窗口就失去一个有用的锚符号的采样点，但是从第二个锚符号中得到一个有用的采样点，因此解调结果的峰值幅度将会保持不变。当窗口的终点从2T向t₁+T移动时，每移动一个采样点，窗口就失去一个无用的时间间隔中的噪声采样点，且能够从第二个锚符号中得到一个有用的采样点，因此解调结果的峰值幅度将会上升。随着窗口继续滑动，解调结果的峰值幅度发生的变化均可以用上述原因来解释。

(4)当窗口滑动结束时，确定所有锚符号的位置。

求取连续两个锚符号间的时间间隔的长度，计算所包含时隙的数量，并进行译码以获得信息比特。

具体地，连续两个锚符号的起始时间分别为T₁和T₂，则这两个锚符号间的时间间隔的所包含时隙的数量为：

为了证明本发明所提出的基于脉冲间隔调制的背向散射通信方法的性能，设置激励信号的发送功率为1W，背向散射信号的带宽为125kHz，如图4所示为采用本发明所提供的背向散射方法得到传输速率和通信距离与扩频因子之间的关系。可以看到，即使背向散射距离为3km，背向散射链路仍可实现270bps的通信速率，以此验证了本发明中的背向散射通信的方法和装置的有效性。

本发明还提供了一种背向散射标签，包括脉冲间隔调制模块和背向散射调制模块；

脉冲间隔调制模块，用于将待发送的信息比特分成n段比特序列，所述比特序列所包含的信息比特数量为m，所述m与n均为正整数；

背向散射调制模块，用于对基站发送的激励信号进行背向散射处理，所述背向散射处理为背向散射所述基站发送的激励信号或者不背向散射所述基站发送的激励信号，其中不背向散射所述基站发送的激励信号的时间长度由所述比特序列转化而来。

本发明还提供了一种接收机，包括接收模块、啁啾扩频解调模块、背向散射解调模块、脉冲间隔解调模块；

接收模块，接收激励信号和背向散射信号；

啁啾扩频解调模块，解调发射机发送的啁啾扩频信号，获取每个符号的起始频率；

背向散射解调模块，基于啁啾扩频解调模块的解调结果，消除背向散射信号中锚符号的频率不连续，确定背向散射信号中每个锚符号的位置；

脉冲间隔解调模块，基于背向散射解调模块的解调结果，求取每个时间间隔的长度，计算每个时间间隔中时隙的数量，将该数量转化为二进制信息序列，将每个时间间隔对应的信息序列按顺序连接即可得到背向散射标签发送的信息。

本发明还提供了一种基于脉冲间隔调制的背向散射通信***，包括上述背向散射标签、接收机以及发送啁啾扩频信号的基站。

综上所述，本发明提出了一种基于脉冲间隔调制的背向散射通信方法、装置及***，背向散射激励信号作为锚符号，实现背向散射通信，通过时间间隔的长度来传递信息，每一个时间间隔可以传递多个比特，与原有的符号级调制相比，大大提升了背向散射通信的链路容量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于脉冲间隔调制的背向散射通信方法，其特征在于，该方法应用于背向散射标签，包括以下步骤：

将待发送的信息比特分成n段比特序列，所述n段比特序列中的每一段比特序列所包含的信息比特数量为m，所述m与n均为正整数；

接收基站发送的激励信号，对其进行背向散射处理，所述背向散射处理为背向散射接收到的激励信号或者不背向散射接收到的激励信号，其中，不背向散射接收到的激励信号的时间长度由所述比特序列转化而来；所述背向散射处理，包括：

在第1个和第2k+1个发送周期内，对所述激励信号进行背向散射调制，生成脉冲间隔调制的锚符号；在第2k个发送周期内，不进行背向散射调制，生成脉冲间隔调制的时间间隔，k＝1,2……n；

所述第1个和第2k+1个发送周期的时间长度为固定值；

所述第2k个发送周期的时间长度为第k段比特序列转化的十进制整数与单个时隙的长度相乘所得到的乘积。

2.一种基于脉冲间隔调制的背向散射通信方法，其特征在于，该方法应用于接收机，包括以下步骤：

接收基站发送的激励信号和背向散射信号；解调所述基站发送的激励信号；对所述背向散射信号进行预处理；所述对所述背向散射信号进行预处理，包括：

根据所述激励信号的解调结果，恢复激励信号；

将与所述激励信号同时到达的背向散射信号的第p个采样点的值，除以所述恢复得到的激励信号的第p个采样点的值，得到预处理后的背向散射信号，p＝1,2……q，q为采样点的总数量；

确定背向散射信号中锚符号的位置；根据锚符号的位置，求取所有时间间隔的长度，计算每个时间间隔所包含时隙的数量，并进行译码以获得信息比特。

3.根据权利要求2所述的基于脉冲间隔调制的背向散射通信方法，其特征在于，所述确定所有锚符号的位置，包括：

采用一个滑动窗口来截取所述预处理后的背向散射信号，该窗口的长度与锚符号相等；

对窗口所截取的信号进行解调，窗口每滑动一个采样点，记录解调结果中频谱峰值的幅度及其频率；若频谱峰值的幅度随着窗口的滑动达到局部最大值，且其频率在半个窗口的长度内是不变的，则认为此时窗口与一个锚符号是重合的，记录锚符号的位置；

在窗口滑动结束时，确定所有锚符号的位置。

4.一种背向散射标签，其特征在于，包括脉冲间隔调制模块和背向散射调制模块；

所述脉冲间隔调制模块，用于将待发送的信息比特分成n段比特序列，所述比特序列所包含的信息比特数量为m，所述m与n均为正整数；

所述背向散射调制模块，用于对基站发送的激励信号进行背向散射处理，所述背向散射处理为背向散射所述基站发送的激励信号或者不背向散射所述基站发送的激励信号，其中不背向散射所述基站发送的激励信号的时间长度由所述比特序列转化而来；所述背向散射标签对激励信号进行背向散射处理，包括：

在第1个和第2k+1个发送周期内，对所述激励信号进行背向散射调制，生成脉冲间隔调制的锚符号；在第2k个发送周期内，不进行背向散射调制，生成脉冲间隔调制的时间间隔，k＝1,2……n；

所述第1个和第2k+1个发送周期的时间长度为固定值；

所述第2k个发送周期的时间长度为，将第k段比特序列转化为十进制整数，将该十进制整数与单个时隙的长度相乘所得到的乘积。

5.一种接收机，其特征在于，包括接收模块、激励信号解调模块、背向散射解调模块、脉冲间隔解调模块；

所述接收模块，用于接收激励信号和背向散射信号；

所述激励信号解调模块，用于解调激励信号；

所述背向散射解调模块，用于基于激励信号的解调结果，对背向散射信号进行预处理，确定所有锚符号的位置；所述背向散射信号进行预处理，包括：

根据所述激励信号的解调结果，恢复激励信号；

将与所述激励信号同时到达的背向散射信号的第p个采样点的值，除以所述恢复得到的激励信号的第p个采样点的值，得到预处理后的背向散射信号，p＝1,2……q，q为采样点的总数量；

所述脉冲间隔解调模块，用于基于锚符号的位置，求取每个时间间隔的长度，计算所包含时隙的数量，并进行译码以获得信息比特。

6.一种基于脉冲间隔调制的背向散射通信***，其特征在于，包括权利要求4所述的背向散射标签、权利要求5所述的接收机。

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