CN117579439A - 一种基于多天线循环调制的反向散射通信传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于多天线循环调制的反向散射通信传输方法。本发明包括标签信息调制和读写器接收方法，标签通过创造多个循环移位的副本分别控制多根标签天线的负载阻抗切换，在发送端为读写器的信号接收人为地创造多径，从而补偿衰落信道损耗并提高信号正确解调概率；另一方面，标签通过为每个循环移位的副本引入保护间隔，避免了多径效应带来的符号间干扰问题，使得读写器在接收解调过程中可利用信号均衡技术完成对信号的正确检测判决。对比传统反向散射通信传输方案，本发明所提方案不仅能有效对抗多径效应对信号解调的影响，同时利用标签处的多天线分集改善了反向散射通信信道的传输质量。

Description

一种基于多天线循环调制的反向散射通信传输方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于多天线循环调制的反向散射通信传输方法。
背景技术
反向散射通信(Backscatter Communications,BackCom)作为一种极低功耗的无线通信技术，已被认为是实现大规模万物互联的关键技术之一。其核心思想是物联网标签的无线发送机通过调整其天线负载阻抗将自身信息调制在入射的射频信号上，并将已调制的信号反射到物联网读写器，避免了振荡器等高功耗元器件的使用，从而实现极低功耗信息传输。
由于反向散射通信中的反射链路受到双重路径衰落的影响，反射通信接收信噪比性能十分受限。进一步地，当反向散射通信的传输速率与覆盖范围提升时，接收机接收到的信号将受到符号间干扰的影响。为解决接收信噪比受限和符号间干扰的问题，传统主动式通信提出多天线和接收均衡等技术来改善信号解调性能。受此启发，本发明提出一种多天线循环调制(Multi-Antenna Cyclic Modulation,MACM)技术使得反向散射通信同时获得多天线增益及频域分集增益，进而大大改善其接收机性能。
发明内容
本发明的主要内容是提出一种基于多天线循环调制的反向散射通信传输方案,涉及到***组成结构、工作原理、标签信息调制算法、以及读写器接收算法。
本发明的技术方案为：
本发明提出基于循环调制的反向散射通信***：组成结构如图1所示，由一个单天线的载波发生器(Carrier Emitter,CE)、一个具有K根天线的标签(Tag)、以及一个单天线的读写器(Reader)组成。
基于多天线循环调制的反向散射通信方法是：载波发生器向环境中发送单频正弦信号；标签接收到该单频信号被激活，并调制所需发送信息至接收到的单频载波上。具体来说，标签先将所需发送比特串映射为发送符号，按照预先设定的信号块大小对所需发送符号分块；进而，对每一信号块进行调制发送时，先对其分别循环移位特定数目的样点，每一根标签天线依据对应循环移位后的信号块副本添加保护间隔(Guard Interval,GI)，并依此切换其天线负载阻抗，从而将信息调制在接收到的单频载波信号上。另外，读写器接收到来自于标签的反射信号，对其进行相应地接收均衡，进而将标签所需发送的信息解调出来。
本发明提出的基于多天线循环调制的反向散射通信传输方案中，包括标签信息调制算法和读写器接收算法。利用来自于载波发生器发射的单频载波信号，标签可将自身所需发送信息调制在入射载波信号上并反向散射给读写器。在信息调制过程当中，标签将所需发送符号进行分块，产生多个循环移位后的副本并且添加保护间隔，进而通过多根天线的负载阻抗切换将信息进行调制加载和反向散射。读写器接收到来自标签的信号以后，通过信号均衡技术可将标签信息成功提取出来。
本发明的有益效果是：本发明提出一种多天线循环调制的反向散射通信传输方案，包括标签信息调制算法和读写器接收算法。标签通过创造多个循环移位的副本分别控制多根标签天线的负载阻抗切换，在发送端为读写器的信号接收人为地创造多径，从而补偿衰落信道损耗并提高信号正确解调概率；另一方面，标签通过为每个循环移位的副本引入保护间隔，避免了多径效应带来的符号间干扰问题，使得读写器在接收解调过程中可利用信号均衡技术完成对信号的正确检测判决。对比传统反向散射通信传输方案，本发明所提方案不仅能有效对抗多径效应对信号解调的影响，同时利用标签处的多天线分集改善了反向散射通信信道的传输质量。通过仿真验证，本发明所提反向散射通信传输方案可以在多径信道条件下有效降低信号错误解调概率，同时推动反向散射通信技术在大规模物联网领域的应用，具有重要的应用价值和发展潜力。
附图说明
图1：本发明***组成示意图；
图2：标签信息调制框图；
图3：循环调制示例图；
图4：读写器信息解调框图；
图5：不同均衡器下的接收机误码率曲线；
图6：不同天线数目下的接收机误码率曲线。
具体实施方式
下面结合附图和仿真实例，对本发明进行详细说明并对有益效果进行验证。
本发明提出一种基于循环调制技术的反向散射通信传输方案。***组成结构如图1所示，由一个单天线的载波发生器(Carrier Emitter,CE)、一个具有K根天线的标签(Tag)、以及一个单天线的读写器(Reader)组成。
基于多天线循环调制的反向散射通信工作原理是：载波发生器向环境中发送单频正弦信号；标签接收到该单频信号被激活，并调制所需发送信息至接收到的单频载波上。具体来说，标签先将所需发送比特串映射为发送符号，按照预先设定的信号块大小对所需发送符号分块；进而，对每一信号块进行调制发送时，先对其分别循环移位特定数目的样点，每一根标签天线依据对应循环移位后的信号块副本添加保护间隔(Guard Interval,GI)，并依此切换其天线负载阻抗，从而将信息调制在接收到的单频载波信号上。另外，读写器接收到来自于标签的反射信号，对其进行相应地接收均衡，进而将标签所需发送的信息解调出来。
根据以上描述，载波发生器发送的单频正弦信号可表示为
其中，fc是发送载波的频率，Re{C}为复数C的实部。在第k根标签天线处，接收到的单频载波信号为
其中，为载波发生器到第k根标签天线的L1抽头多径信道。同时，规定第k根标签天线到读写器的L2抽头多径信道为载波发生器到读写器的Ld抽头多径信道为被该信号激活以后，标签对所需发送信息进行调制。标签信息调制框图如图2所示。对于所需发送的比特信息流，首先进行比特映射，得到发送符号序列。进而，按照规定信号块大小对发送符号进行分块。规定发送信号块大小为M(M≥K·L2)，即每一信号块包含M个所需发送符号。对所需发送信号块分别进行(k·D)个样点的循环移位，其中，k＝0,1，…,K-1，/>之后，针对每一循环移位后的信号块副本添加长度为N(N≥L2)的保护间隔，每一根标签天线依据此切换其天线阻抗，从而将信息调制在接收到的单频载波信号上。本发明以循环前缀(Cyclic Prefix,CP)作为保护间隔为例进行具体阐述。在实际***中，除了循环前缀，添零方式(Zero Padding,ZP)及已知符号等形式的保护间隔均适用于本发明。图3给出了当标签天线数目K＝4，信号块大小M＝8，信道抽头数目L2＝2，循环移位单元数目D＝2及循环前缀长度N＝4情况下多天线循环调制的示例。
因此，对于第n个信号块，其最初状态以及第k个循环移位后的信号块副本可表示为
另一方面，第k根标签天线反射的信号为ck(t)zk(t)。因此，在读写器处接收到的时域信号为
其中， 代表卷积符号，up(t)为带通接收噪声。进而，对应的接收基带信号可表示为
其中，u(t)为基带接收噪声。完成时间和频率同步并去除保护间隔以后，第n个接收到的信号块可表示为如下形式
y(n)＝Hd1M×1+H2c0(n)+u(n)。 (5)
其中，H2为组合信道脉冲响应构成的循环矩阵，1M×1代表元素均为1的M维竖向量，/>为读写器处的加性高斯白噪声。
如图4所示，去除循环前缀以后，对接收信号块进行快速离散傅里叶变换(FastFourier Transform,FFT)，可得到频域接收信号为
其中，0(M-1)×1代表元素均为0的(M-1)维竖向量，FM为M维傅里叶变换矩阵，为组合信道频域响应，diag(h)为由向量h构成的对角矩阵，/>为频域接收噪声。利用信道状态信息对接收信号做均衡，均衡方法包括但不限于频域最小均方误差均衡、频域迫零均衡等方法。然后，对均衡得到的频域信号再做逆傅里叶变换，即可还原出原本的发送信号块。最终经过符码映射，得到原始的比特序列。
下面将通过仿真来验证本发明的有益效果。仿真参数设置如下，标签天线个数为K＝4，载波发生器到读写器的信道抽头数为5，载波发生器到标签的信道抽头数为3，标签到读写器的信道抽头数为4，以上相关信道小尺度衰落皆为瑞利衰落模型；标签调制方式为二进制相移键控，每个发送信号块大小为M＝64，保护间隔采用循环前缀的结构，其长度为N＝16。误码率结果为105次信道实现下的平均值。
如图5所示，首先证明在多径信道下本发明所提传输方案能使得读写器对标签信息完成正确接收解调，在给定信噪比范围内，两种频域均衡器均能实现较好的误码率性能。同时，频域最小均方误差均衡器能获得多天线分集增益：在K＝4情况下，误码率曲线斜率为4；由于频域迫零均衡器在信道深衰落时对接收噪声有放大的效果，其分集增益只为1.
如图6所示，在不同标签天线情况下，频域最小均方误差均衡器能实现对应分集增益。具体来说，当天线数目为K＝2,4,8,16时，读写器能分别获得2,4,8和16的分集增益；同时，由于标签处多天线反射，读写器处还能获得相应的信噪比增益。该现象表明，在标签处配备更多的天线，当载波发生器在相同功率下发送单频载波时，读写器处能获得更低的误码率性能。

Claims (2)

1.一种基于多天线循环调制的反向散射通信传输方法，其特征在于，构建反向散射通信***包括一个单天线的载波发生器、一个具有K根天线的标签和一个单天线的读写器；载波发生器向环境中发送单频正弦信号；标签接收到单频信号被激活，并调制所需发送的信息至接收到的单频载波上然后发送给读写器；读写器接收单频信号和来自于标签的反射信号，对其进行相应地接收均衡，进而将标签所发送的信息解调出来；
标签调制所需发送的信息至接收到的单频载波上的方法是：标签先将所需发送比特串映射为发送符号，按照预先设定的信号块大小对发送符号分块；对每一信号块进行调制发送时，先对其分别循环移位设定数目的样点，每一根标签天线依据对应循环移位后的信号块副本添加保护间隔，并依此切换其天线负载阻抗，从而将信息调制在接收到的单频载波信号上。
2.根据权利要求1所述的一种基于多天线循环调制的反向散射通信传输方法，其特征在于，定义载波发生器发送的单频正弦信号为：
其中，fc是发送载波的频率，Re{C}为复数C的实部；
则在第k根标签天线处，接收到的单频载波信号为：
其中，为载波发生器到第k根标签天线的L1抽头多径信道；令第k根标签天线到读写器的L2抽头多径信道为/>载波发生器到读写器的Ld抽头多径信道为/>
标签对所需发送的信息进行调制，先进行比特映射，得到发送符号序列，定义发送信号块大小为M，M≥K·L2，每一信号块包含M个所需发送符号，对每个信号块进行(k·D)个样点的循环移位，其中，k＝0，1，…，K-1，对每一循环移位后的信号块副本添加长度为N的保护间隔，每一根标签天线依据此切换其天线阻抗，从而将信息调制在接收到的单频载波信号上，N≥L2；
定义第k根标签天线反射的信号为ck(t)zk(t)，从而在读写器处接收到的时域信号为：
其中，代表卷积符号，up(t)为带通接收噪声。对应的接收基带信号表示为：
其中，u(t)为基带接收噪声。完成时间和频率同步并去除保护间隔以后，第n个接收到的信号块表示为：
y(n)＝Hd1M×1+H2c0(n)+u(n)
其中，c0(n)为第n个信号块的最初状态，H2为组合信道脉冲响应构成的循环矩阵1M×1代表元素均为1的M维竖向量，/>为读写器处的加性高斯白噪声；
去除循环前缀以后，对接收信号块进行快速离散傅里叶变换，得到频域接收信号为：
其中，0(M-1)×1代表元素均为0的(M-1)维竖向量，FM为M维傅里叶变换矩阵，为组合信道频域响应，diag(h)为由向量h构成的对角矩阵，/>为频域接收噪声；利用信道状态信息对接收信号做均衡，然后，对均衡得到的频域信号再做逆傅里叶变换，还原出原本的发送信号块，最终经过符码映射，得到原始的比特序列。
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