CN107819548A - 基于曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法 - Google Patents

基于曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法，所述环境反向散射系统包括环境射频信号源、电子标签和阅读器，包括如下步骤：1)电子标签对原始二进制符号进行曼彻斯特编码，并根据曼彻斯特码决定反射或者不反射环境射频信号；2)阅读器针对所接收到的接收信号，利用自比较检验法，判断电子标签的原始二进制符号。该检测方法仅需要比较每个原始二进制符号对应的曼彻斯特码前后部分能量，免去了门限的估计，减少了明显的通信时延。

Description

基于曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种基于曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法。
背景技术
物联网是当前无线通信行业热点发展领域，受到工业届和学术界的高度关注。物联网的特征之一是需将海量设备通过无线通信技术连接到网络，这给实际部署带来了若干巨大的挑战。首先，由于设备数量庞大，单一设备的成本不能太高。同时，海量分散的设备使得日常的电池维护比较困难。因此，如何有效地解决上述关键问题对于物联网的发展至关重要。
反向散射通信是一项有望解决上述问题的技术。在传输信息过程中，反向散射设备仅需反射射频信号而不需要专门产生射频信号，这使得反向散射设备的成本和功耗都能比较低。反向散射通信已经在很多商用系统中得到了应用，如射频识别系统。然而射频识别系统由于环路损耗，通信距离十分受限。鉴于此，研究人员提出了将射频发射器从阅读器中分离出来的设想，不过由于这种系统需要专门的射频信号源，仅适用于部分场景。
近年来，研究者提出了利用环境中已有的射频信号作为载波的环境反向散射系统，这些射频信号包括：电视无线电、蜂窝信号、蓝牙和无线保真等。然而，环境散射系统由于载波信号未知，并且已经含有一些调制信息，这给符号检测带来了比较大的困难，因此需要新的检测机制。
现有的检测器主要为能量检测器，方法是将每个符号的接收信号能量和判决门限进行比较，从而对应解调出原始符号。然而，这种检测器需要估计判决门限，这会引入明显的时延，并且只适用于“0”、“1”符号等概的情况，具有极大的局限性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法，仅需要比较每个原始二进制符号对应的曼彻斯特码前后部分能量，免去了门限的估计，减少了明显的通信时延。
本发明所提供的技术方案为：
基于曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法，所述环境反向散射系统包括环境射频信号源、电子标签和阅读器，包括如下步骤：
1)电子标签对原始二进制符号进行曼彻斯特编码，并根据曼彻斯特码决定反射或者不反射环境射频信号；
2)阅读器针对所接收到的接收信号，利用自比较检验法，判断电子标签的原始二进制符号。
优选的，所述步骤1)中曼彻斯特编码规则为：高电平到低电平表示“0”，低电平到高电平表示“1”。
上述技术方案中，采用曼彻斯特编码，通过自比较检验法即可判断电子标签的原始二进制符号，免去了门限的估计，减少了明显的通信时延。
优选的，所述步骤2)中自比较检验法如下：
其中，表示第k个原始二进制符号对应曼彻斯特码接收信号的前部分能量，表示第k个原始二进制符号对应曼彻斯特码接收信号的后部分能量；表示曼彻斯特码“0”对应接收信号的方差，表示曼彻斯特码“1”对应接收信号的方差；H1表示第k个原始二进制符号为“1”，H0表示第k个原始二进制符号为“0”。
优选的，所述和的计算公式如下：其中，h0＝hsr，h1＝hsr+ηhtrhst，Ps表示环境射频信号的能量，Nw表示噪声信号的方差，hsr表示环境射频信号源到阅读器之间的信道参数，htr表示电子标签到阅读器之间的信道参数，hst表示环境射频信号源到电子标签之间的信道参数。
优选的，所述与的大小比较采用平均高电平能量At和平均低电平能量Bt的大小比较来近似估计，如At＞Bt，那么反之由于计算与需要估计信道信息，这将给系统带来较大的能量开销，因此采用平均高电平能量At和平均低电平能量Bt的大小比较来避免。
优选的，所述平均高电平能量At和平均低电平能量Bt的计算方法包括：采用电子标签预设T个连续的训练符号“0”进行发送信号，阅读器接受信号，并计算平均高电平能量At和平均低电平能量Bt，其中，T≥1。
优选的，所述At和Bt的计算公式如下：
其中，表示第t个训练符号曼彻斯特码前部分的能量，表示第t个训练符号曼彻斯特码后部分的能量，N为每个训练符号曼彻斯特码前后部分间隔内的采样点数。
优选的，所述和的计算利用以下公式：其中，表示第k个原始二进制符号对应曼彻斯特码的j部分接收信号向量，j∈{a,b}。
优选的，所述环境射频信号源发送信号包括零均值复高斯环境射频信号或确定的未知环境射频信号。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明采用曼彻斯特编码，通过自比较检验法即可判断电子标签的原始二进制符号，仅需要比较每个原始二进制符号对应的曼彻斯特码前后部分能量，免去了门限的估计，减少了明显的通信时延；
(2)本发明适用于零均值复高斯环境射频信号或确定的未知环境射频信号，应用广泛。
附图说明
图1为实施例中环境反向散射系统的通信结构图；
图2为实施例中基于曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法的流程图；
图3为曼彻斯特编码的波形图；
图4为实施例中的自比较检测法和现有的最佳检测法的比较图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和说明书附图，对本发明作进一步说明。
如图1所示，环境反向散射系统由环境射频信号源，电子标签和阅读器组成，环境反向散射系统利用环境射频信号作载波信号，电子标签调制载波信号，阅读器根据接收信号，检测电子标签内的信息。
其中，hst、htr和hsr分别表示环境射频信号源到电子标签、电子标签到阅读器和环境射频信号源到阅读器之间的信道参数，并假设为相干时间内不变的瑞利信道。
如图2所示，基于曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法，包括如下步骤：
1)电子标签对原始二进制符号进行曼彻斯特编码，并根据曼彻斯特码决定反射或者不反射环境射频信号；
2)阅读器针对所接收到的接收信号，利用自比较检验法，判断电子标签的原始二进制符号。
如图3所示，电子标签对其中的原始二进制信息进行曼彻斯特编码，采用IEEE802.4(总线)和IEEE 802.3(以太网)的低速版本中规定的曼彻斯特编码规则：高电平到低电平表示“0”，低电平到高电平表示“1”，曼彻斯特码“1”和“0”分别对应着反射和不反射环境射频信号两种模式。
由于电子标签的传输频率远低于环境射频信号的频率，这里将环境射频信号源发送的信号建模为零均值复高斯环境射频信号，因此假设对环境射频信号s[n]的N点采样时间内，符号dm保持不变。被电子标签反射的信号sb[n]表示为：
sb[n]＝ηhstdms[n]，
其中，η是电子标签的反射系数，s[n]是方差为Ps的零均值复高斯信号，即s[n]～CN(0,Ps)。
而阅读器接收的信号包括：环境射频信号，电子标签反射信号和噪声信号，因此接收信号ym[n]表示为：
其中，w[n]是方差为Nw的零均值复高斯噪声，即w[n]～CN(0,Nw)。
分别定义Hm,1和Hm,0为事件dm＝1和dm＝0，阅读器每个编码符号接收向量为ym＝{ym[1],...ym[n],...,ym[N]}，并且分布上有
其中h0＝hsr，h1＝hsr+ηhtrhst，IN表示N阶单位矩阵。
所以，ym在不同情况下的概率密度函数为：
其中，
定义H1和H0分别为事件d＝0和d＝1。为检测第k个原始符号dk，所以对进行最大似然检验，其中上标a,b分别表示每个原始符号曼彻斯特码的前、后部分，因此有
定义为第k个原始符号曼彻斯特码j部分时间内的能量，其中，j∈{a,b}。
经过最大似然比的化简，得到自比较检测法如下：
其中分别用平均高低电平能量At、Bt的大小来近似估计。
因此，自比较检测法包括以下步骤：
1)训练阶段：采用电子标签预设T个连续的训练符号“0”进行发送信号，阅读器接受信号，并计算平均高电平能量At和平均低电平能量Bt，其中，T≥1，计算公式为：
根据图3所示曼彻斯特编码规则，如果At＞Bt，那么反之
2)检测阶段：计算每个原始二进制符号对应曼彻斯特码接收信号的前后部分能量，分别记为和其中k表示第k个原始符号；
如果At＞Bt，并且那么第k个原始符号为“1”，否则为“0”；
如果At＜Bt，并且那么第k个原始符号为“1”，否则为“0”；
可以看出，本发明提出的自比较检测方法仅需要比较每个原始符号对应的曼彻斯特码前后部分能量，这免去了门限的估计，减少了明显的通信时延。同时，自比较检测法还适用于任意形式的确定未知环境射频信号。
接着对提出的自比较检测法在两种环境射频信号模型下做了相应的性能分析：
(1)在零均值复高斯环境射频信号下，误码率为：
其中Γ(x)表示伽马函数，2F1(a，b；c；-x)为高斯超几何函数。
(2)N较大时，在零均值复高斯环境射频信号下，误码率近似为：
其中，表示信噪比。
(3)N较大时，在确定的未知环境射频信号下，误码率近似为：
下面通过仿真结果来证明本发明的自比较检测法不受“0”,“1”分布的影响，实施例达到的技术效果为：
图4为发明提出的自比较法和现有的最佳检测法的比较，仿真条件为：N＝20，hsr,hst～CN(0,1)，htr～CN(0,10)，信道相对差＝0.5，T＝2。可以看出，最佳检测法在“0”的概率q为0.5时，误码率略高于本发明提出的自比较检测法；在q＝0.2时，最佳检测法检测性能大大降低，而本发明提出的自比较检测法依旧保持稳定的低误码率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法，所述环境反向散射系统包括环境射频信号源、电子标签和阅读器，其特征在于，包括如下步骤：
1)电子标签对原始二进制符号进行曼彻斯特编码，并根据曼彻斯特码决定反射或者不反射环境射频信号；
2)阅读器针对所接收到的接收信号，利用自比较检验法，判断电子标签的原始二进制符号。
2.根据权利要求1所述的基于曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法，其特征在于，所述步骤1)中曼彻斯特编码规则为：高电平到低电平表示“0”，低电平到高电平表示“1”。
3.根据权利要求1所述的基于曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法，其特征在于，所述步骤2)中自比较检验法如下：
其中，表示第k个原始二进制符号对应曼彻斯特码接收信号的前部分能量，表示第k个原始二进制符号对应曼彻斯特码接收信号的后部分能量；表示曼彻斯特码“0”对应接收信号的方差，表示曼彻斯特码“1”对应接收信号的方差；H1表示第k个原始二进制符号为“1”，H0表示第k个原始二进制符号为“0”。
4.根据权利要求3所述的基于曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法，其特征在于，所述和的计算公式如下： 其中，h0＝hsr，h1＝hsr+ηhtrhst，Ps表示环境射频信号的能量，Nw表示噪声信号的方差，hsr表示环境射频信号源到阅读器之间的信道参数，htr表示电子标签到阅读器之间的信道参数，hst表示环境射频信号源到电子标签之间的信道参数。
5.根据权利要求3所述的基于曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法，其特征在于，所述与的大小比较采用平均高电平能量At和平均低电平能量Bt的大小比较来近似估计，如At＞Bt，那么反之
6.根据权利要求5所述的基于曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法，其特征在于，所述平均高电平能量At和平均低电平能量Bt的计算方法包括：采用电子标签预设T个连续的训练符号“0”进行发送信号，阅读器接收信号，并计算平均高电平能量At和平均低电平能量Bt，其中，T≥1。
7.根据权利要求6所述的基于曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法，其特征在于，所述At和Bt的计算公式如下：
<mrow> <msub> <mi>A</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>T</mi> </munderover> <msubsup> <mi>Z</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> </mrow> <mi>a</mi> </msubsup> </mrow> <mrow> <mi>T</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>N</mi> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <msub> <mi>B</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>T</mi> </munderover> <msubsup> <mi>Z</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> </mrow> <mi>b</mi> </msubsup> </mrow> <mrow> <mi>T</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>N</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，表示第t个训练符号曼彻斯特码前部分的能量，表示第t个训练符号曼彻斯特码后部分的能量，N为每个训练符号曼彻斯特码前后部分间隔内的采样点数。
8.根据权利要求3所述的基于曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法，其特征在于，所述和的计算利用以下公式：其中，表示第k个原始二进制符号对应曼彻斯特码的j部分接收信号向量，j∈{a,b}。
9.根据权利要求1所述的基于曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法，其特征在于，所述环境射频信号源发送信号包括零均值复高斯环境射频信号或确定的未知环境射频信号。
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