CN105303137B - 一种环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法，包括如下步骤：利用射频源向其周围环境发射源射频信号；利用电子标签接收来自射频源的源射频信号；利用读写器接收来自射频源的源射频信号、电子标签反射的射频信号和环境中的噪声信号；读写器对实际接收的射频信号进行解调；利用读写器计算N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率；分别获得当电子标签处于非反射状态和反射状态时N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率的概率分布函数；分别计算得到电子标签处于反射状态或非反射状态时的误比特率；分别得到读写器的第一门限值和第二门限值。所述确定方法能够降低环境反向散射的错误率。

Description

一种环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法

技术领域

本发明涉及无线网络射频识别技术领域。更具体地，涉及一种环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法。

背景技术

在过去的20年里，射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)系统引起了学术界和工业界的广泛关注。典型的RFID系统由一个读写器(Reader)和一个标签(Tag)组成，利用反向散射(Backscatter)技术进行通信。首先读写器发送一个射频信号给标签，标签接收该信号并加载自身信息，而后反射回读写器。可以说，反向散射技术是RFID系统的关键技术，是RFID系统区别于点到点、协作(Cooperative)等其他无线通信系统的标志之一。

反向散射技术起源于二战时期(1939-1945)，为了区分飞来的战机是敌方还是己方而在己方飞机上安装标签，从而己方雷达发射的射频信号能反射回来，根据此信号能进行判别。1990年至2000年间，一个著名且成功的RFID产品——电子不停车收费系统(Electronic Toll Collection，ETC)——开始大规模商用。2000年后，随着集成电路技术的大幅提高和物联网相关应用的飞速发展，RFID系统成本大幅度降低，从而应用更加广泛。因此，反向散射技术也引起了学术界的进一步的重视和研究，包括反向散射信道衰落特性、路径损耗模型、性能分析、标签阻抗特性、编码和检测、多天线技术、网络层安全和物理层安全、以及在传感器网络中的应用等。

传统反向散射技术缺点是：受限于距离。因为它要求读写器产生并发送一个射频信号，并要求标签接收并反射回读写器，在这一发一回的过程中，无线信号会经历一个往返的路径衰落。因此，路径损耗大，有效通信距离短。

针对此缺点，学术界于2013年提出了一种新型的反向散射技术：环境反向散射(Ambient backscatter)。环境反向散射技术利用周围已有的无线信号和读写器进行通信，这些周围已有的无线信号包括无线电视信号、无线广播信号和WiFi信号等。

环境反向散射技术基本通信原理是：(1)标签通过反射和不反射收到的无线信号来表示0和1两种状态；(2)阅读器根据反射和不反射信号两种情况下接收信号的差别和特点，采取一定的信号处理方式来检测出这两种状态。

值得注意的是，环境反向散射技术不仅可以用于RFID系统，而且适用于传感器和物联网。环境反向散射技术利用无线信号获得能量并进行通信，可以让传感器摆脱电池的束缚，避免频繁的人工维护操作，这具有重大的应用价值。

然而，尽管现有文献中提出了环境反向散射技术，设计了物理电路并实现了原型样机，但并没有给出相应的通信理论，只是指出了这个新的研究方向并利用原型样机验证了可行性。现有文献中利用差分检测和平均多个信号能量的方法来避免信道估计并实现了区分0和1比特。但是，这种方法可靠性不高，传输速率低，而且差分检测容易导致错误传递(Error propagation)。

因此，需要针对利用环境反向散射技术的读写器提供一种检测门限值的确定方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法，该确定方法包括如下步骤：

利用射频源向其周围环境发射源射频信号；

利用电子标签接收来自射频源的源射频信号，并且连续地向其周围环境反射射频信号；

利用读写器接收来自射频源的源射频信号、电子标签反射的射频信号和环境中的噪声信号；

读写器对实际接收的射频信号进行解调，得到解调后的射频信号；

利用读写器计算N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率；N为正整数，且10≤N≤1000；

分别获得当电子标签处于非反射状态和反射状态时N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率的概率分布函数；

由电子标签反射的射频信号的概率分布函数分别计算得到电子标签处于反射状态或非反射状态时的误比特率；

分别得到读写器的第一门限值和第二门限值；第一门限值为当误比特率最小时的门限值；第二门限值为当电子标签处于反射状态的误比特率与其处于非反射状态的误比特率相等时的门限值。

优选地，所述源射频信号的表达式为：

其中，x₀(t)为射频源向其周围环境发射的源射频信号；f_c,s为射频源的载波频率；s(t)为复基带等效信号；t为时隙；

优选地，电子标签实际接收的射频信号的表达式为：

其中，x₁(t)为电子标签实际接收的射频信号；g为射频源到电子标签的信道衰落系数。

优选地，当电子标签处于反射状态时，电子标签向其周围环境反射的射频信号的表达式为：

a(t)＝ηB(t)x₁(t)；

其中，a(t)为当电子标签处于反射状态时，电子标签向其周围环境反射的射频信号；η为电子标签对其实际接收的射频信号x₁(t)的反向散射的复衰落系数；B(t)为电子标签发送的比特信息；对于N个连续的电子标签实际接收的射频信号x₁(t)，B(t)的值保持不变；当电子标签处于反射状态时，B(t)的值为1；当电子标签处于非反射状态时，B(t)的值为0。

优选地，读写器实际接收的射频信号的表达式为：

其中，为读写器实际接收的射频信号；h为射频源到读写器的信道衰落系数；m为电子标签到读写器的信道衰落系数；为零均值加性高斯白噪声，且其满足均值为0，方差为的正态分布，方差的值等于零均值加性高斯白噪声的功率P_ωb。

优选地，读写器解调后的射频信号的表达式为：

其中，y(t)为读写器解调后的射频信号；θ₀为射频源与读写器之间的载波相位偏移；Δ为射频源与读写器之间的载波频率偏移。

优选地，N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率的计算公式为：

其中，Γ_k为N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率；k为电子标签反射的射频信号的个数，且1≤k≤I；I为传输比特数，且I为正整数；读写器共接收到kN个解调后的射频信号，每N个连续的读写器解调后的射频信号对应电子标签的反射状态或非反射状态，电子标签共反射I个状态给读写器；传输比特数的值取决于无线信道相关时间和射频源的信号传输时间，且传输比特数小于或等于无线信道相关时间与射频源的信号传输时间的比值。

优选地，电子标签处于非反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的平均值的计算公式为：

δ₀≈|h|²P_s+P_ωb；

其中，δ₀为电子标签处于非反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的平均值；P_s为读写器实际接收的来自射频源的源射频信号x₀(t)的平均功率；

其中，为电子标签处于非反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的方差；

电子标签处于反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的平均值的计算公式为：

δ₁＝|μ|²P_s+N_ωb；

其中，δ₁为电子标签处于反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的平均值；P_s为读写器实际接收的来自射频源的源射频信号x₀(t)的平均功率；

当电子标签处于反射状态时，电子标签与读写器之间的无线信道衰落系数的计算公式为：

μ＝h+ηmg；

其中，μ为当电子标签处于反射状态时，电子标签与读写器之间的无线信道衰落系数；

电子标签处于非反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的方差的计算公式为：

其中，为电子标签处于非反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的方差。

优选地，所述第一门限值的计算公式为：

其中，为第一门限值；为当电子标签处于反射状态时的方差与电子标签处于非反射状态时的方差之比；

当电子标签处于反射状态时的方差与电子标签处于非反射状态时的方差之比的计算公式为：

优选地，所述第二门限值的计算公式为：

其中，为第二门限值。

本发明的有益效果如下：

与传统的取平均值的方法相比，所述确定方法通过积分求和与近似替代的方式来确定门限值，针对不同情况下的比特分布提供相应的门限值确定策略，从而能够降低环境反向散射的错误率，提高环境散射的可靠性、严密性、实用性和可扩展性。

所述确定方法通过对两个不同的信号高斯分布图进行合理分析，达到其积分的最小化，即错误概率之和的最小化目的，其对应的判决门限是第一门限值；或者达到判断“0”和判断“1”错误概率的相等，其对应的判决门限是第二门限值。第二门限值保证了电子标签处于两种状态下的误比特率相等。取第二门限值虽然不能达到整体误比特率最小，但能达到反射时的误码率和不反射时的误码率相等，从而得到解码的均衡；第一门限值对于大多数通信而言，电子标签处于反射状态或非反射状态的频率未知，用户为了达到整体误比特率的最小，利用第一门限值能达到通信性能的最优。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为现有技术的环境反向散射系统的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法的第一门限和N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率Γ_k的概率分布图。

图3为本发明实施例提供的环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法的第二门限和N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率Γ_k的概率分布图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本实施例提供的环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法包括如下步骤：

S1：利用射频源向其周围环境发射源射频信号；

源射频信号的表达式为：

其中，x₀(t)为射频源向其周围环境发射的源射频信号；f_c,s为射频源的载波频率；s(t)为复基带等效信号；t为时隙。

S2：利用电子标签接收来自射频源的源射频信号，并且连续地向其周围环境反射射频信号；

电子标签实际接收的射频信号的表达式为：

其中，x₁(t)为电子标签实际接收的射频信号；g为射频源到电子标签的信道衰落系数；

当电子标签处于反射状态时，电子标签向其周围环境反射的射频信号的表达式为：

a(t)＝ηB(t)x₁(t)； 公式(3)

其中，a(t)为当电子标签处于反射状态时，电子标签向其周围环境反射的射频信号；η为电子标签对其实际接收的射频信号x₁(t)的反向散射的复衰落系数；B(t)为电子标签发送的比特信息；对于N个连续的电子标签实际接收的射频信号x₁(t)，B(t)的值保持不变，且N为正整数，10≤N≤1000；当电子标签处于反射状态时，B(t)的值为1；当电子标签处于非反射状态时，B(t)的值为0；

S3：利用读写器接收来自射频源的源射频信号、电子标签反射的射频信号和环境中的噪声信号；

读写器实际接收的射频信号的表达式为：

其中，为读写器实际接收的射频信号；h为射频源到读写器的信道衰落系数；m为电子标签到读写器的信道衰落系数；为零均值加性高斯白噪声，且其满足均值为0，方差为的正态分布，方差的值等于零均值加性高斯白噪声的功率P_ωb；

S4：读写器对实际接收的射频信号进行解调，得到解调后的射频信号；

读写器解调后的射频信号的表达式为：

其中；y(t)为读写器解调后的射频信号；θ₀为射频源与读写器之间的载波相位偏移；Δ为射频源与读写器之间的载波频率偏移；

S5：利用读写器计算N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率；

N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率的计算公式为：

其中，Γ_k为N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率；k为电子标签反射的射频信号的个数，且1≤k≤I；I为传输比特数，且I为正整数；读写器共接收到kN个解调后的射频信号，每N个连续的读写器解调后的射频信号对应电子标签的反射状态或非反射状态，电子标签共反射I个状态给读写器；传输比特数的值取决于无线信道相关时间和射频源的信号传输时间，且传输比特数小于或等于无线信道相关时间与射频源的信号传输时间的比值；

S6：分别获得当电子标签处于非反射状态和反射状态时N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率的概率分布函数；

当电子标签处于非反射状态时，即B(t)＝0，N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率Γ_k的概率分布函数如图2中l₀所示，其满足均值为电子标签处于非反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的平均值δ₀，方差为的正态分布；

电子标签处于非反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的平均值的计算公式为：

δ₀≈|h|²P_s+P_ωb； 公式(7)

其中，δ₀为电子标签处于非反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的平均值；P_s为读写器实际接收的来自射频源的源射频信号x₀(t)的平均功率；

其中，为电子标签处于非反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的方差；当电子标签处于反射状态时，即B(t)＝1，N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率Γ_k的概率分布函数如图2中l₁所示，其满足均值为电子标签处于反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的平均值δ₁，方差为的正态分布；

电子标签处于反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的平均值的计算公式为：

δ₁＝|μ|²P_s+N_ωb； 公式(9)

其中，δ₁为电子标签处于反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的平均值；P_s为读写器实际接收的来自射频源的源射频信号x₀(t)的平均功率；

当电子标签处于反射状态时，电子标签与读写器之间的无线信道衰落系数的计算公式为：

μ＝h+ηmg； 公式(10)

其中，μ为当电子标签处于反射状态时，电子标签与读写器之间的无线信道衰落系数；

电子标签处于非反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的方差的计算公式为：

其中，为电子标签处于非反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的方差；

S7：由电子标签反射的射频信号的概率分布函数分别计算得到电子标签处于反射状态或非反射状态时的误比特率；

当电子标签处于反射状态时的误码率如图3中E₀所示；当电子标签处于非反射状态时的误码率如图3中E₁所示；

S8：分别得到读写器的第一门限值和第二门限值；第一门限值为当误比特率最小时的门限值；第二门限值为当电子标签处于反射状态的误比特率与其处于非反射状态的误比特率相等时的门限值；

第一门限值的计算公式为：

其中，为第一门限值；为当电子标签处于反射状态时的方差与电子标签处于非反射状态时的方差之比；

当电子标签处于反射状态时的方差与电子标签处于非反射状态时的方差之比的计算公式为：

第二门限值的计算公式为：

其中，为第二门限值。

源射频信号与环境中的噪声信号均服从高斯分布，可由计算得出。对当电子标签处于反射状态时的误码率E₀进行积分运算得到当电子标签处于反射状态时的比特错误率；对当电子标签处于非反射状态时的误码率E₁进行积分运算得到当电子标签处于反射状态时的比特错误率。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法，其特征在于，该确定方法包括如下步骤：

利用射频源向其周围环境发射源射频信号；

利用电子标签接收来自射频源的源射频信号，并且连续地向其周围环境反射射频信号；

利用读写器接收来自射频源的源射频信号、电子标签反射的射频信号和环境中的噪声信号；

读写器对实际接收的射频信号进行解调，得到解调后的射频信号；

利用读写器计算N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率；N为正整数，且10≤N≤1000；

分别获得当电子标签处于非反射状态和反射状态时N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率的概率分布函数；

由电子标签反射的射频信号的概率分布函数分别计算得到电子标签处于反射状态或非反射状态时的误比特率；

分别得到读写器的第一门限值和第二门限值；第一门限值为当误比特率最小时的门限值；第二门限值为当电子标签处于反射状态的误比特率与其处于非反射状态的误比特率相等时的门限值。

2.根据权利要求1所述的环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法，其特征在于，所述源射频信号的表达式为：

其中，x₀(t)为射频源向其周围环境发射的源射频信号；f_c,s为射频源的载波频率；s(t)为复基带等效信号；t为时隙。

3.根据权利要求2所述的环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法，其特征在于，电子标签实际接收的射频信号的表达式为：

其中，x₁(t)为电子标签实际接收的射频信号；g为射频源到电子标签的信道衰落系数。

4.根据权利要求3所述的环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法，其特征在于，当电子标签处于反射状态时，电子标签向其周围环境反射的射频信号的表达式为：

a(t)＝ηB(t)x₁(t)；

其中，a(t)为当电子标签处于反射状态时，电子标签向其周围环境反射的射频信号；η为电子标签对其实际接收的射频信号x₁(t)的反向散射的复衰落系数；B(t)为电子标签发送的比特信息；对于N个连续的电子标签实际接收的射频信号x₁(t)，B(t)的值保持不变；当电子标签处于反射状态时，B(t)的值为1；当电子标签处于非反射状态时，B(t)的值为0。

5.根据权利要求4所述的环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法，其特征在于，读写器实际接收的射频信号的表达式为：

其中，为读写器实际接收的射频信号；h为射频源到读写器的信道衰落系数；m为电子标签到读写器的信道衰落系数；为零均值加性高斯白噪声，且其满足均值为0，方差为的正态分布，方差的值等于零均值加性高斯白噪声的功率P_ωb。

6.根据权利要求5所述的环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法，其特征在于，读写器解调后的射频信号的表达式为：

其中，y(t)为读写器解调后的射频信号；θ₀为射频源与读写器之间的载波相位偏移；Δ为射频源与读写器之间的载波频率偏移。

7.根据权利要求6所述的环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法，其特征在于，N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率的计算公式为：

其中，Γ_k为N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率；k为电子标签反射的射频信号的个数，且1≤k≤I；I为传输比特数，且I为正整数；读写器共接收到kN个解调后的射频信号，每N个连续的读写器解调后的射频信号对应电子标签的反射状态或非反射状态，电子标签共反射I个状态给读写器；传输比特数的值取决于无线信道相关时间和射频源的信号传输时间，且传输比特数小于或等于无线信道相关时间与射频源的信号传输时间的比值。

8.根据权利要求7所述的环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法，其特征在于，电子标签处于非反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的平均值的计算公式为：

δ₀≈|h|²P_s+P_ωb；

其中，δ₀为电子标签处于非反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的平均值；P_s为读写器实际接收的来自射频源的源射频信号x₀(t)的平均功率；

其中，为电子标签处于非反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的方差；

电子标签处于反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的平均值的计算公式为：

δ₁＝|μ|²P_s+N_ωb；

其中，δ₁为电子标签处于反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的平均值；P_s为读写器实际接收的来自射频源的源射频信号x₀(t)的平均功率；

当电子标签处于反射状态时，电子标签与读写器之间的无线信道衰落系数的计算公式为：

μ＝h+ηmg；

其中，μ为当电子标签处于反射状态时，电子标签与读写器之间的无线信道衰落系数；

电子标签处于非反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的方差的计算公式为：

其中，为电子标签处于非反射状态时读写器解调后射频信号的平均功率的概率分布的方差。

9.根据权利要求8所述的环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法，其特征在于，所述第一门限值的计算公式为：

其中，为第一门限值；为当电子标签处于反射状态时的方差与电子标签处于非反射状态时的方差之比；

当电子标签处于反射状态时的方差与电子标签处于非反射状态时的方差之比的计算公式为：

10.根据权利要求9所述的环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法，其特征在于，所述第二门限值的计算公式为：

其中，为第二门限值。