CN107135017B - 反向散射通信系统信号发送和接收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域，具体的说涉及反向散射通信系统信号发送和接收方法。本发明的主要方法为在标签端：直接反射接收到的射频源信号，通过调节天线阻抗来调制标签端信息，然后先发送标记符号，再发送有用数据，所述标记符号的内容是阅读器端已知的；在阅读器端：接收到标签端发送的数据后，先通过已知的标记符号重构所有的标记符号，再对接收的信号通过聚类算法聚类，然后通过重构出的标记符号区分聚类后符号的类别，最后恢复标签发送的有用数据符号。本发明的有益效果在于，相对于传统技术，本发明的方法可大大提高接收机的检测性能，且不需要复杂繁琐的信道估计步骤。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体的说涉及反向散射通信系统信号发送和接收方法。
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。因为阅读器需要生成专用的射频正弦载波，所以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。为了解决传统反向散射通信系统高消耗、低能效的问题，一种环境反向散射通信技术也已在近几年被提出。该技术利用周围环境中的射频信号(如WiFi和电视信号等)作为载波以承载标签信息至阅读器。然而，这些反向散射通信系统的共同特点是，阅读器必须知道所有相关信道的信息才能检测出标签所发送的符号，这个过程是极为繁琐且有时是困难的(特别是对于环境反向散射通信)。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种在阅读器端不需要进行信道估计的反向散射通信系统信号发送和接收方法。
本发明的技术方案如下：
反向散射通信系统信号发送和接收方法，该反向散射通信系统包括射频源、标签和阅读，其中标签接收射频源发送的信号，阅读器接收射频源发送的信号和标签发送的反向散射信号，其特征在于，包括：
在标签端：直接反射接收到的射频源信号，通过调节天线阻抗来调制标签端信息，然后先发送标记符号，再发送有用数据，所述标记符号的内容是阅读器端已知的；
在阅读器端：接收到标签端发送的数据后，先通过已知的标记符号重构所有的标记符号，再对接收的信号通过聚类算法聚类，然后通过重构出的标记符号区分聚类后符号的类别，最后恢复标签发送的有用数据符号。
本发明总的技术方案，与传统方法不同的是，本发明直接对阅读器接收到的信号进行聚类，并利用标签所发送的标识符号(Label Symbol)，来恢复出标签发送符号。其中，通过对接收信号进行聚类可以将同一个发射符号对应的接收信号聚类到同一个类别。利用预设的标记符号和聚类类别之间的对应关系可以恢复出接收信号对应的发射符号。
进一步的，所述通过已知的标记符号重构所有的标记符号的具体方法为：
根据阅读器的接收信号y(n)：
其中，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，f为射频源和阅读器之间的信道响应，g为标签和阅读器之间的信道响应，l为射频源和标签之间的信道响应，α是标签的反射系数，u(n)服从功率为σ2的循环对称复高斯分布，即u(n)与信号s(n)和c(n)独立；
上式也适用于传统RFID系统，只需令s(n)＝1即可。以下就以环境反向散射通信为例来说明本发明的设计思路及具体步骤。传统的环境反向散射系统需要知道上式中所有相关信道的信息以恢复出标签发送信号。不同于传统的环境反向散射系统信号检测方案，本发明提出一种新型的发送与接收机设计方案，直接对阅读器接收到的信号进行聚类，通过标签发送的标记符号指明聚类后符号的类别，从而恢复出发送符号。
由于噪声服从CSCG分布，导致了在给定c(n)和s(n)的条件下接收信号y(n)服从均值为方差为σ2循环对称复高斯分布，y(n)的概率可以表示为：
其中，I表示c(n)和s(n)组合成的种类；
阅读器端的接收信号可以转化为
本发明提出标签端发两个符号的方式来标记聚类后的类别。令A表示标记符号构成的矩阵，即B表示标签端发送符号种类构成的矩阵，即其中M与标签端的调制方式有关，比如标签端采用QPSK方式调制，则M＝4。将A设置成满秩矩阵，则A T＝B。在接收端，将接收信号y(1)、y(2)乘以T，再将得到的结果分别乘以V可重构出所有的标识符号，其中V与射频源信号的调制方式有关，比如射频源信号采用QPSK方式调制。本发明以射频源信号采用QPSK方式调制标签端使用BPSK方式调制为例具体阐述本发明思想令标记符号为2个，分别为1和-1，则将阅读器接收到的信号转化为：
对阅读器接收到的N个信号进行聚类处理后，形成8个组，其中 可以通过y(1)、y(2)乘以T再分别乘以1，重构出其他的标识符号，找到I个中心点。然后根据标记符号所指，恢复出标签发送信号。由于不知道射频源信号s(n)的信息，所以本发明不知道这8个中心点和射频源信号之间的关系，但是本发明可以确定其中哪4个对应于c(n)＝1，故借此可以恢复出标签信号。
本发明的有益效果在于，相对于传统技术，本发明的方法可大大提高接收机的检测性能，且不需要复杂繁琐的信道估计步骤。
附图说明
图1示出了本发明的系统模型；
图2示出了本发明的接收机检测框图；
图3示出了本发明聚类后的发送符号标注方法；
图4示出了本发明EM算法的流程图。
图5示出了本发明提出的环境反向散射系统发送与接收机设计方案在AWGN信道下的性能；
图6示出了本发明提出的环境反向散射系统发送与接收机设计方案在瑞利信道下的性能。
具体实施方式
下面将结合附图，详细描述本发明的技术方案。
图1示出了本发明的系统模型，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，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，f为射频源和阅读器之间的信道响应，g为标签和阅读器之间的信道响应，l为射频源和标签之间的信道响应，α是标签的反射系数，u(n)服从功率为σ2的循环对称复高斯(CSCG)分布，即u(n)与信号s(n)和c(n)独立。由于噪声服从CSCG分布，导致了在给定c(n)和s(n)的条件下接收信号y(n)服从均值为方差为σ2循环对称复高斯分布，y(n)的概率可以表示为：
图2示出了本发明接收机检测框图，本发明接收机的检测过程包括4个过程，本发明首先进行标记重构，将标签发送的有限个标记符号重构出射频源信号和标签信号的所有可能性；然后将重构出来的所有标记符号作为中心点，对将阅读器接收到的N个信号进行聚类，形成I个组；再根据标记符号来指明这些组分别对应于标签发送的哪个符号；最后根据标记符号所指，恢复出标签发送信号。
图3示出了本发明瑞利信道下接收信号的聚类。射频源信号采用QPSK调制方式调制，标签信号采用BPSK调制方式调制，有8种组合情况，标签在发送有用信号前发送两个标记符号1，-1，图中空心点是c＝-1对应的所有情况，实心点是c＝1对应的所有情况，标签端发送的两个标识符号所在的位置已经由箭头指出，故可以通过由两个标识符号分别乘以重构出其他的标识符号，然后根据标记符号所指，恢复出标签发送信号。
图4表示了本发明提出的EM算法流程图。本发明采用的期望最大化(EM)算法求得高斯混合分布的参数，并对yk进行聚类。最大似然函数为
由于在通信系统中，发送端以相等概率发送各符号，并且噪声的方差在不同时刻保持不变，I个高斯分布具有相同的协方差矩阵，故本发明利用这些先验信息，令可得
在EM算法中通过引入隐变量来求参数。本发明引入隐变量z来最大化似然函数求解，其中zi∈{0,1}，并且即z中只有元素为1。y(n)属于第i组的概率为
将(5)式中的函数关于均值和协方差分别求导等于0可得
通过将上面3个公式进行迭代就可以求得高斯混合分布的参数，并将其分类。迭代过程由图4给出。γ(zni)中对于i＝1,…,I中最大值对应的下标代表y(n)所在的组，将数据聚类好之后，再用y(1)、y(2)及其生成的值标记每一组所代表的符号，这样就完成环境反向散射系统的检测解码过程。
本发明利用的EM算法也可不局限于等概率发送符号场景，同时，噪声的方差也可随时间变化。另外，本发明也不局限于利用EM算法来求得高斯混合分布的参数。
图5示出了本发明提出的环境反向散射系统发送与接收机设计方案在加性高斯白噪声(AWGN)信道下的性能。在仿真过程中，射频源信号采用QPSK调制方式调制，标签信号采用BPSK调制方式调制，采用1000个点进行聚类，并且设置标签端的反射系数为0.1，误码率为100次实验的平均值。通过和最大似然(ML)检测下的性能对比来说明本发明所提出方案的良好性能。这里，最大似然检测性能是在信道信息完全准确知道情况下所能得到的理论下界。通过仿真图可以看出在信噪比超过16dB之后，本发明提出方案的性能与已知或未知射频源信号的最大似然检测下的性能几乎相同。
图6示出了本发明提出的环境反向散射系统发送与接收机设计方案在瑞利信道下的性能。在仿真过程中，射频源信号采用QPSK调制方式调制，标签信号采用BPSK调制方式调制，采用1000个点进行聚类，并且设置标签端的反射系数为0.1，误码率为1000次实验的平均值。通过仿真图可知，随着信噪比的增大，本发明提出的方案渐渐接近于最大似然估计，在30dB之后,本发明提出方案的性能与已知或未知射频源信号的最大似然检测下的性能几乎相同。
Claims (1)
1.反向散射通信系统信号发送和接收方法，该反向散射通信系统包括射频源、标签和阅读器，其中标签接收射频源发送的信号，阅读器接收射频源发送的信号和标签发送的反向散射信号，其特征在于，包括：
在标签端：直接反射接收到的射频源信号，通过调节天线阻抗来调制标签端信息，然后先发送标记符号，再发送有用数据，所述标记符号的内容是阅读器端已知的；
在阅读器端：接收到标签端发送的数据后，先通过已知的标记符号重构所有的标记符号，再对接收的信号通过聚类算法聚类，然后通过重构出的标记符号区分聚类后符号的类别，最后恢复标签发送的有用数据符号；
所述通过已知的标记符号重构所有的标记符号的具体方法为：
根据阅读器的接收信号y(n)：
其中，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，f为射频源和阅读器之间的信道响应，g为标签和阅读器之间的信道响应，l为射频源和标签之间的信道响应，α是标签的反射系数，u(n)服从功率为σ2的循环对称复高斯分布，即u(n)与信号s(n)和c(n)独立；
由于噪声服从CSCG分布，导致了在给定c(n)和s(n)的条件下接收信号y(n)服从均值为方差为σ2循环对称复高斯分布，y(n)的概率可以表示为：
其中，I表示c(n)和s(n)组合成的种类，πi表示发送机发送第i种c(n)和s(n)组合的概率，表示第i种c(n)和s(n)组合的噪声方差；
令标记符号为2个，分别为a和b，则将阅读器接收到的信号转化为：
对阅读器接收到的N个信号进行聚类处理后，形成I个组，对所有c(n)＝a的接收信号，经历的信道是相同的，所以信道造成的相移和幅值变化相同，因此它们的符号间的相对关系保持不变，对于所有c(n)＝b的接收信号，它们的符号间的相对关系保持不变，利用这个特性进行标记重构，找到I个中心点。
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