CN106549692A - 一种用于反向散射通信系统的信号接收方法 - Google Patents

一种用于反向散射通信系统的信号接收方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种用于反向散射通信系统的信号接收方法。本发明用于传统的通信系统和环境反向散射通信系统两个并存的系统，将两个系统发送的信号在联合接收机检测出。其中标签向联合接收机传送的信号是用来自于射频源的信号作为载波进行调制的，标签包括一个反向散射天线，天线连接着负载阻抗的开关和射频能量收集模块，射频能量收集模块可以收集来自于环境中信号的能量。为了通过反向散射调制向阅读器传送信息比特，标签通过切换天线阻抗的开关进而改变反向散射信号的幅度和/或相位来调制接收到载波信号，最后反向散射信号被联合接收机接收解码。

Description

一种用于反向散射通信系统的信号接收方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种用于反向散射通信系统的信号接收方法。
背景技术
传统的反向散射通信系统，如射频识别(RFID)系统，是通过阅读器(Reader)产生并发送射频正弦载波给临近的标签(Tag)提供能量并承载标签信息回传给阅读器。标签电路通常比较简单且是无源的，因此其处理能力有限。如图1所示，RFID阅读器发送正弦载波给标签，标签接收到的信号一部分用于能量收集来满足标签电路的正常工作，另一部分用于反向散射，以把标签的信息传输给阅读器。由于阅读器需要生成专用的射频正弦载波，这种传统的反向散射通信系统需要消耗较高的能量，且能效较低。
发明内容
为了解决传统反向散射通信系统高消耗、低能效的问题，本发明提出了一种利用周围环境中的射频信号作为载波的环境反向散射通信技术，提出了实现这种反向散射通信的空中调制技术接收方法。
本发明的技术方案为：
一种用于反向散射通信系统的信号接收方法，该接收方法用于利用周围环境中的射频信号作为载波的环境反向散射通信系统，所述环境反向散射通信系统信号源包括射频源和标签，其特征在于，包括以下步骤：
a.信号发送：信号源由射频源和标签组成，射频源和标签部署单天线；其中标签是由射频源供电，且标签发送的信号是来自于射频源的信号作为载波进行调制的，标签包括反向散射天线；
b.信号接收：采用联合接收机接收射频源的信号s(n)和标签的反向散射信号c(n)，联合接收机部署M根天线，M≥1；
c.信号检测：对联合接收机接收到的信号进行检测。
进一步的，所述步骤c的具体方法为：
假设步骤b中联合接收机接收到的信号为如下公式1：
其中，接收信号为y(n)＝[y1(n),y2(n),…,yM(n)]T，发送信号向量为x(n)＝[s(n),s(n)c(n)]T，h1、h2分别为直接链路和反向散射链路的信道响应，h1＝[f1,f2,…,fM]T，g＝[g1,g2,…,gM]T，h2＝αlg，信道矩阵为H＝[h1,h2]，信道信息通过导频信号得到，噪声为u(n)＝[u1(n),u2(n),…,uM(n)]T；fm为射频源和联合接收机第m根天线的信道衰减系数，gm为标签和联合接收机第m根天线的信道衰减系数，l为射频源和标签的信道衰减系数，α是标签的反射系数，um(n)服从功率为σ2的循环对称复高斯分布，即um(n)与信号s(n)和c(n)独立；
采用最大似然检测算法对接收到的信号进行检测：
通过如下公式2获取检测值：
其中，为射频源信号s(n)所有元素的集合，设s(n)为四进制相移键控调制下的信号，则 表示的第一行元素，为标签信号c(n)所有元素的集合。
本发明的方案还提供线性检测器算法，具体为：
使接收信号先经过线性检测器，接收信号经过线性检测器之后表示为如下公式3：
其中T为检测矩阵，在不同的检测器下T有不同的表达式：
经过线性检测器后，根据如下公式4和公式5获得射频源信号和标签信号：
本发明的方案还提供干扰抵消检测算法，由于反向散射信道经历了两次衰落，直接链路信道h1远强于反向散射链路信道h2，本发明提出干扰抵消检测算法来减弱直接链路信道对检测标签信号的影响，具体为：
使接收信号先经过线性检测器，通过线性检测器算法得到射频源信号s(n)，
检测标签信号c(n)，具体方法为：
从接收信号y(n)中减去直接链路干扰得到中间信号如下公式6:
联合接收机使用最大比值组合检测器处理中间信号时，可以得到如下公式7：
其中标签信号c(n)通过如下公式8得出：
其中为标签信号c(n)所有元素的集合。
本发明的有益效果为，与传统反向散射通信系统相比，本发明能够有效降低能耗，提高能效。
附图说明
图1示出了传统射频识别系统的系统框图；
图2示出了本发明传统通信系统和环境反向散射通信系统的系统框图；
图3示出了本发明传统通信系统和环境反向散射通信系统的系统模型；
图4示出了本发明通过干扰抵消检测算法检测射频源信号和标签信号的流程图；
图5示出了本发明提出的接收机检测信号方案检测射频源信号的误码率；
图6示出了本发明提出的接收机检测信号方案检测标签信号的误码率。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
本发明考虑接收机既接收射频源信号又接收标签信号，并将两者解调出来，此种接收机被称为联合接收机。系统模型如图2所示，射频源和标签部署单天线，联合接收机部署M(M≥1)根天线，联合接收机接收射频源的信号和标签反向散射的信号，接收信号为，
其中，ym(n)指的是第m根天线接收到的信号，s(n)指的是射频源信号，c(n)是标签要发送的信号，Ps指的是射频源信号的功率，fm为射频源和联合接收机第m根天线的信道衰减系数，gm为标签和联合接收机第m根天线的信道衰减系数，l为射频源和标签的信道衰减系数，α是标签的反射系数，um(n)服从功率为σ2的循环对称复高斯(CSCG)分布，即um(n)与信号s(n)和c(n)独立。
联合接收机接收到的信号也可以表示为，
y(n)＝h1s(n)+h2s(n)c(n)+u(n)
＝Hx(n)+u(n)
其中，接受信号为y(n)＝[y1(n),y2(n),…,yM(n)]T，发送信号向量为x(n)＝[s(n),s(n)c(n)]T，h1、h2分别为直接链路和反向散射链路的信道响应，h1＝[f1,f2,…,fM]T，g＝[g1,g2,…,gM]T，h2＝αlg，信道矩阵为H＝[h1,h2]，本发明认为信道信息可以通过导频信号得到，噪声为u(n)＝[u1(n),u2(n),…,uM(n)]T。
本发明提出三种算法来对射频源信号s(n)和标签信号c(n)进行联合检测，它们分别是最大似然(ML)检测算法、线性检测器算法、干扰抵消检测算法。
1.最大似然检测算法：
当数据符号等概时，最大似然检测器的能达到最小错误概率，其中检测得到的值为它可以根据下面的表达式得到，
其中为射频源信号s(n)所有可取的调制符号素的集合，比如s(n)为四进制相移键控(QPSK)调制下的信号，则 表示的第一行元素。为标签信号c(n)所有可取符号的集合。
2.线性检测器算法：
在接收端，接收信号先经过线性检测器。接收信号经过线性检测器之后为，
其中T为检测矩阵，在不同的检测器下T有不同的表达式，如下面公式所示，
在经过线性检测器后，本发明根据下面表达式估计出原射频源信号，
3.干扰抵消检测算法：
由于反向散射信道经历了两次衰落，直接链路信道h1通常远强于反向散射链路信道h2，本发明提出干扰抵消检测算法来减弱直接链路信道对检测标签信号的影响。干扰抵消检测算法步骤如下所述：
(1)联合接收机检测射频源信号s(n)。在接收端，接收信号先经过线性检测器，通过线性检测器算法得到射频源信号s(n)。
(2)联合接收机检测标签信号c(n)。在估计出射频源信号后，本发明从接收信号y(n)中减去直接链路干扰得到下面的中间信号，
联合接收机使用最大比值组合检测器处理中间信号时，可以得到，
其中标签信号c(n)可以通过下面的表达式估计出来，
其中为标签信号c(n)所有可取调制符号的集合。
(3)重新估计射频源信号s(n)。联合接收机的接收信号也可以写为，
y(n)＝(h1+h2c(n))s(n)+u(n)
在第二步中估计出了标签信号c(n)，估计出的信号c(n)可以帮助估计一个更准确的射频源信号s(n)，s(n)可以通过下面的表达式估计出来，
其中
干扰抵消检测算法估计出的信号性能(误码率)可以逼近最大似然检测器的性能。
图2表示了本发明的系统框图，在此系统中有两个共存的通信系统：传统的通信系统，由射频源、接收机组成；环境反向散射通信系统，由射频源供电的标签、与传统通信系统共享的联合接收机组成。本发明关注于两个并存的系统，将两个系统发送的信号在联合接收机检测出。其中标签向联合接收机传送的信号是用来自于射频源的信号作为载波进行调制的，标签包括一个反向散射天线，天线连接着负载阻抗的开关和射频能量收集模块，射频能量收集模块可以收集来自于环境中信号的能量。为了通过反向散射调制向阅读器传送信息比特，标签通过切换天线阻抗的开关进而改变反向散射信号的幅度和/或相位来调制接收到载波信号，最后反向散射信号被联合接收机接收解码。
图3表示了本发明的系统模型，射频源和标签部署单天线，联合接收机部署M(M≥1)根天线，联合接收机接收射频源的信号和标签反向散射的信号，接收信号为，
其中，ym(n)指的是第m根天线接收到的信号，s(n)指的是射频源信号，c(n)是标签要发送的信号，Ps指的是射频源信号的功率，fm为射频源和联合接收机第m根天线的信道衰减系数，gm为标签和联合接收机第m根天线的信道衰减系数，l为射频源和标签的信道衰减系数，α是标签的反射系数，um(n)服从功率为σ2的循环对称复高斯(CSCG)分布，即um(n)与信号s(n)和c(n)独立。
联合接收机接收到的信号也可以表示为，
y(n)＝h1s(n)+h2s(n)c(n)+u(n)
＝Hx(n)+u(n)
其中，接受信号为y(n)＝[y1(n),y2(n),…,yM(n)]T，发送信号向量为x(n)＝[s(n),s(n)c(n)]T，h1、h2分别为直接链路和反向散射链路的信道响应，h1＝[f1,f2,…,fM]T，g＝[g1,g2,…,gM]T，h2＝αlg，信道矩阵为H＝[h1,h2]，本发明认为信道信息可以通过导频信号得到，噪声为u(n)＝[u1(n),u2(n),…,uM(n)]T。
图4表示本发明联合接收机通过干扰抵消检测算法检测射频源信号和标签信号的流程图。首先，联合接收机检测射频源信号s(n)。在接收端，接收信号经过线性检测器。接收信号经过线性检测器之后为，
在经过线性检测器后，本发明根据下面表达式估计出原射频源信号，
然后，联合接收机检测标签信号c(n)。在估计出射频源信号后，本发明从接收信号y(n)中减去直接链路干扰让得到的中间信号通过最大比值组合检测器，则标签信号c(n)可以通过下面的表达式估计出来，
其中为中间信号通过最大比值组合检测器后得到的信号的第二行元素。
最后，重新估计射频源信号s(n)。在第二步中估计出了标签信号c(n)，估计出的信号c(n)可以帮助估计一个更准确的射频源信号s(n)，s(n)可以通过下面的表达式估计出来，
其中
下面通过仿真结果来验证本发明设计的联合接收机检测射频源信号和标签信号的性能。假定信道fm和l为独立的瑞利衰落信道，并且信道平均功率为1，由于在实际中标签和联合接收机距离很近，所以本发明假定信道gm为莱斯信道，方差取决于相对信噪比Δγ，其中Δγ为直接链路信噪比和反向散射链路信噪比的比值，射频源信号采用四进制相移键控(QPSK)调制方式调制，标签信号采用二进制相移键控(BPSK)调制方式调制，联合接收机的天线数设为4，本发明采用106个信道来估计此方案的误码率性能。
图5表示本发明提出的接收机检测信号方案检测射频源信号的误码率，可以看出采用干扰抵消的检测方式，最小均方误差检测器和迫零检测器的性能已经逼近最大似然检测器的性能，线性检测器算法的性能没有干扰抵消检测算法好，这是因为在干扰抵消检测算法的第三步，估计出的标签信号会帮助射频源信号的恢复。
图6表示本发明提出的接收机检测信号方案检测标签信号的误码率，可以看出基于干扰抵消算法得到的误码率性能和最大似然检测器得到的误码率性能几乎相同，线性检测器算法得到的标签信号的误码率大于采用干扰抵消检测算法得到的标签信号的误码率，在误码率为10-3附近尤为明显，这是因为反向散射通信系统经历了两次衰落，直接链路信号的功率大约是反向散射信号功率的10倍，故直接链路信号会严重影响反向散射信号的检测，干扰抵消检测算法可以减去直接链路带来的影响，故提高了系统的检测性能。

Claims (4)

1.一种用于反向散射通信系统的信号接收方法，该接收方法用于利用周围环境中的射频信号作为载波的环境反向散射通信系统，所述环境反向散射通信系统信号源包括射频源和标签，其特征在于，包括以下步骤：
a.信号发送：信号源由射频源和标签组成，射频源和标签部署单天线；其中标签是由射频源供电，且标签发送的信号是来自于射频源的信号作为载波进行调制的，标签包括反向散射天线；
b.信号接收：采用联合接收机接收射频源的信号s(n)和标签的反向散射信号c(n)，联合接收机部署M根天线，M≥1；
c.信号检测：对联合接收机接收到的信号进行检测。
2.根据权利要求1所述的一种用于反向散射通信系统的信号接收方法，其特征在于，所述步骤c的具体方法为：
假设步骤b中联合接收机接收到的信号为如下公式1：
其中，接收信号为y(n)＝[y1(n),y2(n),…,yM(n)]T，发送信号向量为x(n)＝[s(n),s(n)c(n)]T，h1、h2分别为直接链路和反向散射链路的信道响应，h1＝[f1,f2,…,fM]T，g＝[g1,g2,…,gM]T，h2＝αlg，信道矩阵为H＝[h1,h2]，信道信息通过导频信号得到，噪声为u(n)＝[u1(n),u2(n),…,uM(n)]T；fm为射频源和联合接收机第m根天线的信道衰减系数，gm为标签和联合接收机第m根天线的信道衰减系数，l为射频源和标签的信道衰减系数，α是标签的反射系数，um(n)服从功率为σ2的循环对称复高斯分布，即um(n)与信号s(n)和c(n)独立；
采用最大似然检测算法对接收到的信号进行检测：
通过如下公式2获取检测值：
其中，为射频源信号s(n)所有元素的集合，设s(n)为四进制相移键控调制下的信号，则 表示的第一行元素，为标签信号c(n)所有元素的集合。
3.根据权利要求1所述的一种用于反向散射通信系统的信号接收方法，其特征在于，所述步骤c的具体方法为：
假设步骤b中联合接收机接收到的信号为如下公式1：
其中，接收信号为y(n)＝[y1(n),y2(n),…,yM(n)]T，发送信号向量为x(n)＝[s(n),s(n)c(n)]T，h1、h2分别为直接链路和反向散射链路的信道响应，h1＝[f1,f2,…,fM]T，g＝[g1,g2,…,gM]T，h2＝αlg，信道矩阵为H＝[h1,h2]，信道信息通过导频信号得到，噪声为u(n)＝[u1(n),u2(n),…,uM(n)]T；fm为射频源和联合接收机第m根天线的信道衰减系数，gm为标签和联合接收机第m根天线的信道衰减系数，l为射频源和标签的信道衰减系数，α是标签的反射系数，um(n)服从功率为σ2的循环对称复高斯分布，即um(n)与信号s(n)和c(n)独立；
使接收信号先经过线性检测器，接收信号经过线性检测器之后表示为如下公式3：
其中T为检测矩阵，在不同的检测器下T有不同的表达式：
经过线性检测器后，根据如下公式4和公式5获得射频源信号和标签信号：
4.根据权利要求1所述的一种用于反向散射通信系统的信号接收方法，其特征在于，所述步骤c的具体方法为：
假设步骤b中联合接收机接收到的信号为如下公式1：
其中，接收信号为y(n)＝[y1(n),y2(n),…,yM(n)]T，发送信号向量为x(n)＝[s(n),s(n)c(n)]T，h1、h2分别为直接链路和反向散射链路的信道响应，h1＝[f1,f2,…,fM]T，g＝[g1,g2,…,gM]T，h2＝αlg，信道矩阵为H＝[h1,h2]，信道信息通过导频信号得到，噪声为u(n)＝[u1(n),u2(n),…,uM(n)]T；fm为射频源和联合接收机第m根天线的信道衰减系数，gm为标签和联合接收机第m根天线的信道衰减系数，l为射频源和标签的信道衰减系数，α是标签的反射系数，um(n)服从功率为σ2的循环对称复高斯分布，即um(n)与信号s(n)和c(n)独立；
使接收信号先经过线性检测器，通过线性检测器算法得到射频源信号s(n)，具体为：
接收信号经过线性检测器之后表示为如下公式3：
其中T为检测矩阵，在不同的检测器下T有不同的表达式：
经过线性检测器后，根据如下公式4估计出原射频源信号，
检测标签信号c(n)，具体方法为：
从接收信号y(n)中减去直接链路干扰得到中间信号如下公式6:
联合接收机使用最大比值组合检测器处理中间信号时，可以得到如下公式7：
其中标签信号c(n)通过如下公式8得出：
其中为标签信号c(n)所有元素的集合。
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