CN107911193A - 基于差分曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于差分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差分曼彻斯特编码，并根据差分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，利用联合比较检测法，判断电子标签的原始二进制符号。该检测方法不需要任何信道信息，仅根据相邻两符号的能量即可检测。

Description

基于差分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，具体涉及一种基于差分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
反向散射通信系统通过电子标签反射或者不反射载波来传输信息，最著名的应用是射频识别系统，它的工作机制是：阅读器发射射频载波信号，电子标签调制该载波信号，并发送给阅读器，最后阅读器对接收信号进行解调。然而阅读器发射射频载波信号的过程需要消耗较多电能，这导致阅读器的成本和耗电量高。
为了迎合物联网的低成本、低功耗需求，近年来，研究人员又提出了环境反向散射系统。环境反向散射系统的突破点是：利用环境中已有的射频信号，如电视无线电、蜂窝信号、蓝牙和无线保真等，来替代阅读器发射的射频信号。这大大降低了阅读器的功耗和成本，同时也减小了阅读器的体积。
然而，环境信号比较复杂，它本身未知，并且已经含有调制信息，这给符号检测带来了比较大的困难。同时希望免去耗电的信道估计，因此需要一种简单、新颖机制符号检测机制。
现有检测方法一般是将接收信号的能量和门限进行比较，这类检测方法的缺点在于：需要估计判决门限，这会引入误差和明显的通信时延；只适用于相干间隔内“0”和“1”等概的情况。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于差分曼彻斯特编码的环境反向散射系统的符号检测方法，不需要任何信道信息，仅根据相邻两符号的能量即可检测。
本发明所提供的技术方案为：
基于差分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差分曼彻斯特编码，并根据差分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，利用联合比较检测法，判断电子标签的原始二进制符号。
上述技术方案中，采用差分曼彻斯特编码，通过联合比较检测法即可判断电子标签的原始二进制符号，不需要任何信道信息。
优选的，所述步骤2)中联合比较检测法如下：
(1)当检测第1个原始二进制符号时，k＝1，先计算第0个和第1个原始二进制符号对应差分曼彻斯特码接收信号的前后部分能量，分别记为 和然后利用判决式得到d1；
(2)当检测第k个原始二进制符号时，k≠1且k＞1，先计算第k-1个和第k个原始二进制符号对应差分曼彻斯特码接收信号的前后部分能量，分别记为和然后利用判决式得到dk；
其中，第0个原始二进制符号并非信息符号，而是差分曼彻斯特编码的初始相位码；H0和H1分别表示事件dk＝0和1。
优选的，所述阅读器利用联合比较检测法时，将当前检测符号的上一个符号能量存储下来。
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差分曼彻斯特码的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)本发明采用差分曼彻斯特编码，通过联合比较检测法即可判断电子标签的原始二进制符号，不需要任何信道信息；
(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为实施例中基于差分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为差分曼彻斯特编码的波形图；
图4为实施例中的联合比较检测法和现有的最大似然检测法的比较图。
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，基于差分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差分曼彻斯特编码，并根据差分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，利用联合比较检测法，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差分曼彻斯特编码。差分曼彻斯特编码是用相邻码的相位跳变来表示原二进制符号的编码方式，有跳变则表示二进制“1”，无跳变则表示二进制“0”。编码后的“1”和“0”二进制符号，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dmc保持不变。被电子标签反射的信号sb[n]表示为：
sb[n]＝ηhstdmcs[n]，
其中，η是电子标签的反射系数，hst表示环境射频信号源到电子标签之间的信道参数，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ymc[n]有
其中，htr和hsr分别表示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，w[n]是方差为Nw的零均值白高斯噪声，即w[n]～CN(0,Nw)。
分别定义Hmc,1和Hmc,0为事件dmc＝1和dmc＝0，阅读器每个编码符号的接收向量为ymc＝{ymc[1],...ymc[n],...,ymc[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，ymc在不同情况下的概率密度函数为：
其中，i∈{0,1}。
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，对相邻的两个符号的接收向量进行最大似然检验，其中上标a,b分别表示曼彻斯特码的前、后部分。因此有
因为各(j∈{a,b})之间独立分布，又有
定义为第k个原始符号曼彻斯特码j部分时间内的能量。经过化简，得到联合比较检测法如下：
联合比较检测法具体如下：
(1)当检测第1个原始二进制符号时，k＝1，先计算第0个和第1个原始二进制符号对应差分曼彻斯特码接收信号的前后部分能量，分别记为 和然后利用判决式得到d1；
(2)当检测第k个原始二进制符号时，k≠1且k＞1，先计算第k-1个和第k个原始二进制符号对应差分曼彻斯特码接收信号的前后部分能量，分别记为和然后利用判决式得到dk；
其中，第0个原始二进制符号并非信息符号，而是差分曼彻斯特编码的初始相位码；H0和H1分别表示事件dk＝0和1。
可以看出，联合比较检测法不需要任何信道信息，仅根据相邻两符号的能量即可检测。同时，联合比较检测法还适用于任意形式的确定未知环境射频信号。
接着对提出的联合比较检测法在两种环境射频信号模型下做相应的性能分析：
(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联合比较检测法对任意的“0”,“1”分布都表现出良好的性能。实施例达到的技术效果为：
图4为本发明提出的联合比较检测法和现有的最大似然检测法的比较，仿真条件为：N＝20，hsr,hst～CN(0,1)，htr～CN(0,10)，信道相对差仿真发现，即使在“0”的概率q为0.5时，最大似然检测法的误码率也明显高于本发明提出的联合比较检测法；同时，在q＝0.3时，最大似然检测法检测性能大大降低，而本发明提出的联合比较检测器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 (5)

1.基于差分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差分曼彻斯特编码，并根据差分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，利用联合比较检测法，判断电子标签的原始二进制符号。
2.根据权利要求1所述的基于差分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)中联合比较检测法如下：
(1)当检测第1个原始二进制符号时，k＝1，先计算第0个和第1个原始二进制符号对应差分曼彻斯特码接收信号的前后部分能量，分别记为 和然后利用判决式得到d1；
(2)当检测第k个原始二进制符号时，k≠1且k＞1，先计算第k-1个和第k个原始二进制符号对应差分曼彻斯特码接收信号的前后部分能量，分别记为和然后利用判决式得到dk；
其中，第0个原始二进制符号并非信息符号，而是差分曼彻斯特编码的初始相位码；H0和H1分别表示事件dk＝0和1。
3.根据权利要求2所述的基于差分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，所述阅读器利用联合比较检测法时，将当前检测符号的上一个符号能量存储下来。
4.根据权利要求2所述的基于差分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差分曼彻斯特码的j部分接收信号向量，j∈{a,b}。
5.根据权利要求1所述的基于差分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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