CN108632186B - 基于mfsk调制的环境信号反向散射系统的数字信息检测方法 - Google Patents

基于mfsk调制的环境信号反向散射系统的数字信息检测方法 Download PDF

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CN108632186B CN201810426135.2A CN201810426135A CN108632186B CN 108632186 B CN108632186 B CN 108632186B CN 201810426135 A CN201810426135 A CN 201810426135A CN 108632186 B CN108632186 B CN 108632186B
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Abstract

本发明涉及一种基于MFSK调制的环境信号反向散射系统的数字信息检测方法，包括：1)环境信号源发射环境射频信号；2)电子标签使用MFSK调制将电子标签内的数字信息调制到环境射频信号，并反射已调制的反射信号；3)阅读器配置有M个带通滤波器，M个带通滤波器对接收信号分别进行滤波处理，得到经过滤波的M个支路信号，阅读器基于能量检测判断电子标签内的数字信息。该方法能够将直射环境射频信号的干扰去除，并且充分利用资源，达到性能最佳。

Description

基于MFSK调制的环境信号反向散射系统的数字信息检测方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种基于MFSK调制的环境信号反向散射系统的数字信息检测方法。
背景技术
物联网将会是为未来无线通信系统的核心应用场景，预计到2020年，大约有2000亿的设备将通过物联网实现互联互通，如何高效地维护海量低成本通信设备已成为制约物联网发展和应用的关键瓶颈。特别的，传统通信设备依赖于电池供电，要实现海量通信设备的定期充电或者电池更换将会是一个高成本的艰巨任务，同时也会对环境造成严重污染。
近年来，研究人员提出了一种基于环境信号的反向散射(Backscatter)通信方法，其基本思想是通信节点不主动产生射频信号，而是通过反射外界射频信号来发送信息，因此极大地降低了通信节点的功耗，这为解决海量通信节点的供电问题提供了新的思路。
基于环境信号的反向散射通信系统和传统的通信系统不同在于，电子标签信息被调制到已有调制信号的射频信号上，同时，接收端还将接收到直射的环境射频信号，这在通带中增加了干扰。因此基于环境信号的反向散射通信系统的符号检测和传统通信系统有很大区别。
现有关于符号检测的研究，大多在电子标签端采用开关键控(On-Off Keying，OOK)调制，由于直射环境信号的干扰，检测误码率在高信噪比时会趋于定值，这使得系统检测性能受到限制。如中国发明专利(CN 106685538A)公开一种环境反射通信系统的信号传输与检测方法，系统包括发射源射频信号的环境射频源，接收源射频信号并反射射频信号的标签以及接收源射频信号和射频信号的阅读器，检测步骤如下：标签连续发射加载于源射频信号的等概率的二进制符号，二进制符号对应标签是否反射射频信号；阅读器对接收信号基于最大似然检测法或联合能量检测法判断标签发射的二进制符号。因此，如果能将直射信号的干扰去除，系统的检测性能将会有很大提升。
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MFSK调制的环境信号反向散射系统的数字信息检测方法，能够将直射环境射频信号的干扰去除。
本发明所提供的技术方案为：
一种基于MFSK调制的环境信号反向散射系统的数字信息检测方法，包括：
1)环境信号源发射环境射频信号；
2)电子标签使用MFSK调制将电子标签内的数字信息调制到环境射频信号，并反射已调制的反射信号；
3)阅读器配置有M个带通滤波器，M个带通滤波器对接收信号分别进行滤波处理，得到经过滤波的M个支路信号，阅读器基于能量检测判断电子标签内的数字信息。
上述技术方案中，在电子标签端采用MFSK调制技术，阅读器端通过带通滤波和采样，再进行能量检测。所提出检测方法，能够将直射环境射频信号的干扰去除，使得系统检测性能有极大地提升。
本发明中带通滤波器的数量M与调制阶数M的数值相同。
本发明中的数字信息指的是电子标签内部的二进制比特。
本发明中步骤2)中MFSK调制是指：
2.1)电子标签将内部的数字信息以每log2M个定为一个传输符号i，i的取值范围为0,1,2,…,M-1；M为调制阶数；
2.2)根据不同的传输符号i选择对应频率的基带信号
Figure BDA0001652145470000031
fi为基带信号频率，fi＞B和|fi-fj|＞B，B为环境射频信号带宽，i,j∈{0,1,…,M-1}，且i≠j；
2.3)用基带信号对环境射频信号进行调制。
本发明中步骤3)中滤波处理是指：M个带通滤波器分别提取出中心频率为fi+fc的支路信号，其中fc为环境射频信号中心频率。
本发明中步骤3)中能量检测是指：采用检测器比较M个支路信号的能量大小，判断传输符号i。针对M个互相独立的支路信号，能量检测为最佳检测，即通过比较M个支路信号的能量判断传输符号i，最终得到电子标签内的数字信息。
本发明中检测器如下：
Figure BDA0001652145470000032
其中，
Figure BDA0001652145470000033
是指第j个支路信号在传输符号i的符号时间间隔内的能量，yj[n]是指第j个支路信号，N是指传输符号i的符号时间间隔内的采样点数。
本发明利用MFSK调制频谱搬移的特点，当阅读器接收到的信号y[n]分别通过M个带通滤波器，即可以将反射信号提取出来，并区分不同的频率搬移。因此，经过滤波的M个支路信号，只有一条支路含有信息，其余M-1路均为噪声。以传输符号i为例，本发明中M个支路信号如下：
Figure BDA0001652145470000041
其中，wi[n],i＝0,1,…,M-1是独立同分布的复高斯白噪声，并且独立于S[n]；S[n]为环境射频信号，η是电子标签的反射系数；
Figure BDA0001652145470000042
hst表示环境信号源到电子标签的信道参数，htr表示电子标签到阅读器的信道参数，并假设为相干时间内不变的瑞利信道；
Figure BDA0001652145470000043
是环境信号源到电子标签之间的相位差，
Figure BDA0001652145470000044
是电子标签到阅读器之间的相位差；fs为采样频率。
本发明中检测器的误码率公式，具体形式如下：
Figure BDA0001652145470000045
其中，M为调制阶数，N是指传输符号i的符号时间间隔内的采样点数，Γ(·)表示伽马函数，
Figure BDA0001652145470000046
|h|2＝|htr|2|hst|2，η为电子标签的反射系数，hst表示环境信号源到电子标签的信道参数，htr表示电子标签到阅读器的信道参数，
Figure BDA0001652145470000047
和
Figure BDA0001652145470000048
分别为环境射频信号和噪声的功率，
Figure BDA0001652145470000049
Figure BDA00016521454700000410
本发明中检测器基于误码率公式优化最佳调制阶数，具体如下：利用误码率公式遍历所有可能的调制阶数m，其中m＜Mc且
Figure BDA00016521454700000411
从而得到使得误码率最小的调制阶数。
本发明中检测器基于误码率公式优化最佳比特信噪比，具体如下：利用误码率公式对所有可行的调制阶数m遍历求解
Figure BDA00016521454700000412
的数值解，γb为比特信噪比，
Figure BDA0001652145470000051
其中m＜M且
Figure BDA0001652145470000052
得到相应的解记为
Figure BDA0001652145470000053
最后，从
Figure BDA0001652145470000054
中找最大的比特信噪比。
本发明中检测器基于检测器的中断概率优化电子标签到阅读器的距离；所述检测器的中断概率为：
Figure BDA0001652145470000055
其中，
Figure BDA0001652145470000056
ξ′是
Figure BDA0001652145470000057
的解，Kv(z)是第二类修正的贝塞尔函数。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明中在电子标签端采用MFSK调制，阅读器端通过带通滤波器去除直射环境射频信号并区分接收信号，使得系统检测性能有极大地提升。
(2)本发明对系统参数进行优化，如调制阶数，b-SNR和空间结构，从而使系统在所给条件下，充分利用资源和达到性能最佳。
附图说明
图1为实施例中环境信号反向散射系统的通信结构图；
图2为实施例中数字信息检测方法的步骤流程图；
图3为实施例中基于MFSK调制的环境信号反向散射系统的数字信息检测流程图；
图4为实施例中最佳调制阶数图；
图5为实施例中b-SNR对不同调制阶数下误码率的影响图；
图6为实施例中空间位置对中断性能影响图。
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，环境信号反向散射系统由环境信号源，电子标签和阅读器组成。环境信号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并反射信号，阅读器根据接收信号检测电子标签内的数字信息。
其中，hst、htr和hsr分别表示环境信号源到电子标签、电子标签到阅读器和环境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MFSK调制的环境信号反向散射系统的数字信息检测方法，包括：
1)环境信号源发射环境射频信号；
2)电子标签使用MFSK调制将电子标签内的数字信息调制到环境射频信号，并反射已调制的反射信号；
3)阅读器配置有M个带通滤波器，M个带通滤波器对接收信号分别进行滤波处理，得到经过滤波的M个支路信号，阅读器基于能量检测判断电子标签内的数字信息。
本发明中步骤1)中环境射频信号建模为带宽为B，中心频率为fc的窄带信号，因此环境信号源的环境射频信号表示为：
Figure BDA0001652145470000061
其中，s(t)是能量为
Figure BDA0001652145470000062
的复高斯基带信号，
Figure BDA0001652145470000063
是环境射频信号的初始相位。
本发明中步骤2)中MFSK调制是指：
2.1)电子标签将内部的数字信息以每log2M个定为一个传输符号i，i的取值范围为0,1,2,…,M-1；M为调制阶数；带通滤波器的数量M与调制阶数M的数值相同，数字信息指的是电子标签内部的二进制比特；
2.2)根据不同的传输符号i选择对应频率的基带信号
Figure BDA0001652145470000071
fi为基带信号频率，fi＞B和|fi-fj|＞B，B为环境射频信号带宽，i,j∈{0,1,…,M-1}，且i≠j；
2.3)用基带信号对环境射频信号进行调制。
由于电子标签的传输频率远低于环境射频信号的频率，因此假设一定时间的环境射频信号S(t)，电子标签的基带信号频率保持不变。被电子标签反射的反射信号yb(t)表示为：
Figure BDA0001652145470000072
其中，η是电子标签的反射系数，
Figure BDA0001652145470000073
是环境信号源到电子标签之间的相位差。
阅读器接收的信号包括：环境射频信号，电子标签的反射信号和噪声信号，因此接收信号y(t)表示为：
Figure BDA0001652145470000074
其中，
Figure BDA0001652145470000075
是电子标签到阅读器之间的相位差，
Figure BDA0001652145470000076
是环境信号源到阅读器之间的相位差，w(t)是方差为
Figure BDA0001652145470000077
的零均值复高斯噪声，即
Figure BDA0001652145470000078
如图3所示，本发明中步骤3)中滤波处理是指：M个带通滤波器分别提取出中心频率为fi+fc的支路信号，其中fc为环境射频信号中心频率。
本发明中步骤3)中能量检测是指：采用检测器比较M个支路信号的能量大小，判断传输符号i。针对M个互相独立的支路信号，能量检测为最佳检测，即通过比较M个支路信号的能量判断传输符号i，最终得到电子标签内的数字信息。
本发明中检测器如下：
Figure BDA0001652145470000079
其中，
Figure BDA0001652145470000081
是指第j个支路信号在传输符号i的符号时间间隔内的能量，yj[n]是指第j个支路信号，N是指传输符号i的符号时间间隔内的采样点数。
本发明利用MFSK调制频谱搬移的特点，当阅读器接收到的信号y[n]分别通过M个带通滤波器，即可以将反射信号提取出来，并区分不同的频率搬移。因此，经过滤波的M个支路信号，只有一条支路含有信息，其余M-1路均为噪声。以传输符号i为例，本发明中M个支路信号如下：
Figure BDA0001652145470000082
其中，wi[n],i＝0,1,…,M-1是独立同分布的复高斯白噪声，并且独立于S[n]；S[n]为环境射频信号，η是电子标签的反射系数；
Figure BDA0001652145470000083
hst表示环境信号源到电子标签的信道参数，htr表示电子标签到阅读器的信道参数，并假设为相干时间内不变的瑞利信道；
Figure BDA0001652145470000084
是环境信号源到电子标签之间的相位差，
Figure BDA0001652145470000085
是电子标签到阅读器之间的相位差；fs为采样频率。
本发明中检测器的误码率公式，具体形式如下：
Figure BDA0001652145470000086
其中，M为调制阶数，N是指传输符号i的符号时间间隔内的采样点数，Γ(·)表示伽马函数，
Figure BDA0001652145470000087
|h|2＝|htr|2|hst|2，η为电子标签的反射系数，hst表示环境信号源到电子标签的信道参数，htr表示电子标签到阅读器的信道参数，
Figure BDA0001652145470000091
和
Figure BDA0001652145470000092
分别为环境射频信号和噪声的功率，
Figure BDA0001652145470000093
Figure BDA0001652145470000094
由传统的MFSK调制知，系统的误码检测性能未必随着调制阶数的增加而提升；同时调制指数的增加，也会增加硬件得开销。以下，对所提出的MFSK能量检测系统优化进行介绍：
(1)本发明中检测器基于误码率公式优化最佳调制阶数，具体如下：利用误码率公式遍历所有可能的调制阶数m，其中m＜Mc且
Figure BDA0001652145470000095
从而得到使得误码率最小的调制阶数。结果发现，调制阶数呈现二值性，即最佳调制阶数总出现在M＝2或Mc处，如图4所示。
(2)本发明中检测器基于误码率公式优化最佳比特信噪比，具体如下：利用误码率公式对所有可行的调制阶数m遍历求解
Figure BDA0001652145470000096
的数值解，γb为比特信噪比，
Figure BDA0001652145470000097
其中m＜M且
Figure BDA0001652145470000098
得到相应的解记为
Figure BDA0001652145470000099
最后，从
Figure BDA00016521454700000910
中找最大的比特信噪比。最佳b-SNR：高调制阶数未必得到更好的误码性能，实际上，这取决于b-SNR，如图5所示。为此，希望得到最小b-SNR，使得所采用的调制阶数M检测性能比任意m<M都好。
观察所得MFSK能量检测器的误码率公式(3)可发现，随着调制阶数的增加，误码率数值求解复杂度随之增加。而在M＝2，大采样点数N(N>15即可)的情况下，公式(3)有如下更加直观的近似形式：
Figure BDA00016521454700000911
其中，erfc(x)＝1-erf(x)，
Figure BDA0001652145470000101
从(4)可以看出，误码率随N，γb增加而降低。
(4)本发明中检测器基于检测器的中断概率优化电子标签到阅读器的距离；所述检测器的中断概率为：
Figure BDA0001652145470000102
其中，
Figure BDA0001652145470000103
ξ′是
Figure BDA0001652145470000104
的解，Kv(z)是第二类修正的贝塞尔函数。
对于大尺度衰落信道，
Figure BDA0001652145470000105
和
Figure BDA0001652145470000106
与各自信道的距离成反比，并且一般情况下，电子标签总是靠近阅读器端。因此在固定环境射频信号源和阅读器之间距离为L，电子标签到阅读器的距离为θL的情况下，为使得系统的中断性能较好，θ应尽量小，如图6所示。
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 (7)

1.一种基于MFSK调制的环境信号反向散射系统的数字信息检测方法，其特征在于，包括：
1)环境信号源发射环境射频信号；
2)电子标签使用MFSK调制将电子标签内的数字信息调制到环境射频信号，并反射已调制的反射信号；
3)阅读器配置有M个带通滤波器，M个带通滤波器对接收信号分别进行滤波处理，得到经过滤波的M个支路信号，阅读器基于能量检测判断电子标签内的数字信息；
所述步骤3)中能量检测是指：采用检测器比较M个支路信号的能量大小，判断传输符号i；
所述检测器如下：
Figure FDA0002361206900000011
其中，
Figure FDA0002361206900000012
是指第j个支路信号在传输符号i的符号时间间隔内的能量，yj[n]是指第j个支路信号，N是指传输符号i的符号时间间隔内的采样点数；
所述检测器的误码率公式，具体形式如下：
Figure FDA0002361206900000013
其中，M为调制阶数，N是指传输符号i的符号时间间隔内的采样点数，Γ(·)表示伽马函数，
Figure FDA0002361206900000014
|h|2＝|htr|2|hst|2，h为电子标签的反射系数，hst表示环境信号源到电子标签的信道参数，htr表示电子标签到阅读器的信道参数，
Figure FDA0002361206900000021
和
Figure FDA0002361206900000022
分别为环境射频信号和噪声的功率，
Figure FDA0002361206900000023
Figure FDA0002361206900000024
2.根据权利要求1所述的基于MFSK调制的环境信号反向散射系统的数字信息检测方法，其特征在于，所述步骤2)中MFSK调制是指：
2.1)电子标签将内部的数字信息以每log2M个定为一个传输符号i，i的取值范围为0,1,2,…,M-1；M为调制阶数；
2.2)根据不同的传输符号i选择对应频率的基带信号
Figure FDA0002361206900000025
fi为基带信号频率，fi>B和|fi-fj|>B，B为环境射频信号带宽，i,j∈{0,1,…,M-1}，且i≠j；
2.3)用基带信号对环境射频信号进行调制。
3.根据权利要求2所述的基于MFSK调制的环境信号反向散射系统的数字信息检测方法，其特征在于，所述步骤3)中滤波处理是指：M个带通滤波器分别提取出中心频率为fi+fc的支路信号，其中fc为环境射频信号中心频率。
4.根据权利要求1所述的基于MFSK调制的环境信号反向散射系统的数字信息检测方法，其特征在于，所述M个支路信号如下：
Figure FDA0002361206900000026
其中，wi[n],i＝0,1,…,M-1是独立同分布的复高斯白噪声，并且独立于S[n]；S[n]为环境射频信号，h是电子标签的反射系数；
Figure FDA0002361206900000027
hst表示环境信号源到电子标签的信道参数，htr表示电子标签到阅读器的信道参数，并假设为相干时间内不变的瑞利信道；
Figure FDA0002361206900000028
是环境信号源到电子标签之间的相位差，
Figure FDA0002361206900000031
是电子标签到阅读器之间的相位差；fs为采样频率。
5.根据权利要求1所述的基于MFSK调制的环境信号反向散射系统的数字信息检测方法，其特征在于，所述检测器基于误码率公式优化最佳调制阶数，具体如下：利用误码率公式遍历所有可能的调制阶数m，其中m<Mc且
Figure FDA0002361206900000032
从而得到使得误码率最小的调制阶数。
6.根据权利要求1所述的基于MFSK调制的环境信号反向散射系统的数字信息检测方法，其特征在于，所述检测器基于误码率公式优化最佳比特信噪比，具体如下：利用误码率公式对所有可行的调制阶数m遍历求解
Figure FDA0002361206900000033
的数值解，γb为比特信噪比，
Figure FDA0002361206900000034
其中m<M且
Figure FDA0002361206900000035
得到相应的解记为
Figure FDA0002361206900000036
最后，从
Figure FDA0002361206900000037
中找最大的比特信噪比。
7.根据权利要求1所述的基于MFSK调制的环境信号反向散射系统的数字信息检测方法，其特征在于，所述检测器基于检测器的中断概率优化电子标签到阅读器的距离；
所述检测器的中断概率为：
Figure FDA0002361206900000038
其中，
Figure FDA0002361206900000039
是
Figure FDA00023612069000000310
的解，Kν(z)是第二类修正的贝塞尔函数。
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