CN109150253A - 基于多天线的环境反向散射系统的信息符号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多天线的环境反向散射系统的信息符号检测方法，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，所述阅读器具有M根接收天线，M≥2；所述信息符号检测方法包括：1)环境射频信号源发射环境射频信号；2)电子标签根据所传输的二进制符号映射为反射或者不反射环境射频信号；所述电子标签中的二进制符号包含：已知的前导符号和待判断的信息符号；3)阅读器的M根接收天线接收信号，利用前导符号估计判决门限，并利用能量检测器判断电子标签传输的信息符号。该方法相较于单天线检测方法的性能有明显提升。

Description

基于多天线的环境反向散射系统的信息符号检测方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种基于多天线的环境反向散射系统的信息符号检测方法。

背景技术

物联网是新一代信息技术的组成部分，但由于其大规模部署的特点，设备成本和日常电池维护等问题一直是物联网发展的瓶颈。得益于环境反向散射通信技术，它从传统的自主发射通信方式转向反向散射方式，从而降低了通信节点的成本，体积和功耗。同时，利用周边环境中的射频信号源作为通信节点的能量和载波供应，甚至可以免去通信节点内部的电池。

基于上述优势，环境反向散射通信受到工业届和学术界的广泛关注，大量研究基于此。

其中，可靠的检测技术在实际部署应用中至关重要，因为这是任何应用的基础。然而，环境反向散射系统由于其通信方式的特点，在检测上面临一些挑战：(1)环境射频信号是未知的；(2)环境射频信号中已含有调制信息；(3)环境射频信号在一定程度上是干扰。

为此，大量检测方法被提出。针对于单天线系统的检测方法，主要基于能量检测，主要思想为，利用通信节点在反射和不反射状态下，阅读器接收到的信号能量差异来进行检测。能量检测方法由于和信号的形式无关以及简单等特点，受到广泛使用。

众所周知，多天线技术能够提升通信系统的性能，因此，如果在阅读器部署多根天线，使用能量检测方法的难点在于判决门限的设计。如中国发明专利申请(CN 105303137A)公开一种环境反向散射系统的读写器的门限值的确定方法，利用读写器计算N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率；分别获得当电子标签处于非反射状态和反射状态时N个连续的读写器解调后的射频信号的平均功率的概率分布函数，分别计算得到电子标签处于反射状态或非反射状态时的误比特率，得到读写器的第一门限值和第二门限值。由于读写器针对单阅读器场景，导致该方法误码率较大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于多天线的环境反向散射系统的信息符号检测方法，通过设计判决门限，使得该检测方法的误码率较小，达到目标要求。同时，设计前导符号估计判决门限，使得该信息符号检测方法在实际中具有可实施性。

本发明所提供的技术方案为：

基于多天线的环境反向散射系统的信息符号检测方法，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，所述阅读器具有M根接收天线，M≥2，所述信息符号检测方法包括：

1)环境射频信号源发射环境射频信号；

2)电子标签根据所传输的二进制符号映射为反射或者不反射环境射频信号；所述电子标签中的二进制符号包含：已知的前导符号和待判断的信息符号；

3)阅读器的M根接收天线接收信号，利用前导符号估计判决门限，并利用能量检测器判断电子标签传输的信息符号。

优选的，所述步骤2)中映射方式为：传输符号“0”映射为不反射环境射频信号的工作状态，传输符号“1”则映射为反射环境射频信号的工作状态。

本发明所述前导符号是指在每个信道相干时间内的符号串头部设有K个连续的符号“0”和K个连续的符号“1”，或者设有K个连续的符号“1”和K个连续的符号“0”。

本发明所述能量检测器为：

其中，y_m[n]是阅读器第m根接收天线上符号时间间隔内的第n次采样信号，M为阅读器的接收天线数目，N为传输信息符号阶段阅读器在一个符号时间间隔内的采样点数；h_sr,h_tr,h_st分别为环境射频信号源到阅读器、电子标签到阅读器、环境射频信号源到电子标签的信道参数，φ为电子标签的反射系数；H₀和H₁分别表示事件电子标签传输二进制符号为“0”和“1”；η为判决门限。

作为其中一种优选，所述判决门限采用近似最佳门限，所述近似最佳门限使得近似的误码率最小，所述近似最佳门限为：

其中：

和

和分别是环境射频信号和阅读器端噪声的方差，q是电子标签中二进制符号“0”的概率，1-q是电子标签中二进制符号“1”的概率；μ_i和由已知的前导符号估计得到。

作为其中一种优选，所述判决门限采用近似平衡门限，所述近似平衡门限使得传输符号“0”和符号“1”有相同的近似的误码率，所述近似平衡门限为：

其中：

和

和分别是环境射频信号和阅读器端噪声的方差，μ_i和由已知的前导符号估计得到。

本发明所述近似的误码率P_b由能量检测器得到，公式为：

本发明所述μ_i和由已知的前导符号估计得到是指：

由于和

在前导符号i传输期间，利用：

其中，λ_max(·)表示取矩阵的最大特征值，N_t为传输前导符号阶段阅读器在一个符号时间间隔内的采样点数，表示在传输第k个前导符号时间间隔内第n次采样的信号矢量，上标H表示共轭转置运算；

从而μ_i和可利用D_i分别构造为：

和

同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明中阅读器采用多天线技术，设计了近似最佳门限和近似平衡门限，从而分别达到最低误码率以及“0”和“1”符号等误码率的能量检测。

(2)本发明设计的基于多天线的环境反向散射系统的信息符号检测方法比单天线检测方法的性能有明显提升。

附图说明

图1为实施例中基于多天线的环境反向散射系统的通信结构图；

图2为实施例中基于多天线的信息符号检测方法的流程图；

图3为实施例中基于多天线能量检测器和基于单天线能量检测器的比较图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明不限于以下的实施方式。

如图1所示，基于多天线的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，其中阅读器配置M根接收天线，M≥2。环境射频信号源到阅读器、电子标签到阅读器、环境射频信号源到电子标签的信道参数分别表示为h_sr,h_tr,h_st，并假设信道参数在相干时间内不变。

如图2所示，基于多天线的环境反向散射系统的信息符号检测方法，包括：

1)环境射频信号源发射环境射频信号；

2)电子标签根据所传输的二进制符号映射为反射或者不反射环境射频信号；所述电子标签中的二进制符号包含：已知的前导符号和待判断的信息符号；

3)阅读器的M根接收天线接收信号，利用前导符号估计判决门限，并利用能量检测器判断电子标签传输的信息符号。

电子标签内含有二进制符号，并根据所传输二进制符号映射为反射或者不反射环境射频信号的工作模式。映射方式为：传输符号“0”映射为不反射环境射频信号的工作模式，传输符号“1”则映射为反射环境射频信号的工作模式。

电子标签中的二进制符号主要包含两部分：a.前导符号，即在每个信道相干时间内的符号串头部设有K个连续的符号“0”和K个连续的符号“1”用于估计判决门限；b.信息符号，即包含信息的符号。

由于无线电信号自由传播的特点，在阅读器端可以同时接收到电子标签反射和环境射频信号源的信号，因此，在对每个电子标签符号时间间隔进行N点采样后，第n个采样时刻第m根天线接收到的信号可以表示为：

其中，为h⁽ⁱ⁾的第m个元素，其中φ为电子标签的反射系数。s[n]和w_m[n]分别表示符号时间间隔内第n个采样时刻的环境射频信号和第m根天线上的噪声，并且都服从方差分别为和的复高斯分布。H₀和H₁分别表示事件电子标签传输二进制符号“0”和“1”，其概率分别为q和1-q。

由于h_st,h_tr,h_sr均为复数，||h⁽⁰⁾||²和||h⁽¹⁾||²大小关系不定，因此能量检测器为：

其中，η为判决门限。

根据上述能量检测器，得到近似的误码率公式为：

其中，

由公式(1)可知，P_b取值很大程度上取决于η。因此，为得到使得P_b最小的η，令公式(1)对η的一阶倒数为0，得到：

解得近似最佳门限：

其中，

近似最佳门限在N≥50时近似为最佳，最佳表示达到最低误码率。

另一方面，为得到使得“0”和“1”符号等误码率的判决门限，令：

解得近似平衡门限为：

其中：

和

近似平衡门限在N≥50时近似为平衡，平衡表示传输“0”和“1”符号有相同的误码率。

上述μ_i和由已知的前导符号估计得到：

由于和

其中，h_sr,h_tr,h_st分别为环境射频信号源到阅读器、电子标签到阅读器、环境射频信号源到电子标签的信道参数，φ为电子标签的反射系数。和分别是环境射频信号和阅读器端噪声的方差。M为阅读器的接收天线数目，N为传输信息符号阶段阅读器在一个符号时间间隔内的采样点数。

在K个连续的前导符号i传输期间，利用：

其中，λ_max(·)表示取矩阵的最大特征值，N_t为传输前导符号阶段阅读器在一个符号时间间隔内的采样点数，表示在传输第k个前导符号时间间隔内第n次采样的信号矢量，上标H表示共轭转置运算；

从而μ_i和可利用D_i分别构造为：

和

上述μ_i和的估计方法可以通过增大N_t来提升估计准确性，从而使用较少的前导符号。

图3为基于多天线能量检测器和基于单天线能量检测器的比较图。仿真条件为：N＝50，N_t＝50，K＝2,φ＝0.5，q＝0.3，

观察图中曲线趋势可以看出，本发明提出的能量检测器在所示信噪比区域，误码率随信噪比增加而降低。同时，观察相同条件下估计门限和准确门限的检测性能，发现使用估计门限检测能达到接近准确门限的性能，表明所提出的能量检测器在实际中是有可实施性的。

接着，观察不同天线数对应的曲线，在天线数目增加时，误码率降低，并且使用近似最佳门限的误码率总是优于近似平衡门限。

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.基于多天线的环境反向散射系统的信息符号检测方法，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，所述阅读器具有M根接收天线，M≥2，其特征在于，所述信息符号检测方法包括：

1)环境射频信号源发射环境射频信号；

2)电子标签根据所传输的二进制符号映射为反射或者不反射环境射频信号；所述电子标签中的二进制符号包含：已知的前导符号和待判断的信息符号；

3)阅读器的M根接收天线接收信号，利用前导符号估计判决门限，并利用能量检测器判断电子标签传输的信息符号。

2.根据权利要求1所述基于多天线的环境反向散射系统的信息符号检测方法，其特征在于，所述前导符号是指在每个信道相干时间内的符号串头部设有K个连续的符号“0”和K个连续的符号“1”，或者设有K个连续的符号“1”和K个连续的符号“0”。

3.根据权利要求1所述基于多天线的环境反向散射系统的信息符号检测方法，其特征在于，所述能量检测器为：

其中，y_m[n]是阅读器第m根接收天线上符号时间间隔内的第n次采样信号，M为阅读器的接收天线数目，N为传输信息符号阶段阅读器在一个符号时间间隔内的采样点数；h_sr,h_tr,h_st分别为环境射频信号源到阅读器、电子标签到阅读器、环境射频信号源到电子标签的信道参数，φ为电子标签的反射系数；H₀和H₁分别表示事件电子标签传输二进制符号为“0”和“1”；η为判决门限。

4.根据权利要求3所述基于多天线的环境反向散射系统的信息符号检测方法，其特征在于，所述判决门限采用近似最佳门限，所述近似最佳门限使得近似的误码率最小，所述近似最佳门限为：

其中：

和

和分别是环境射频信号和阅读器端噪声的方差，q是电子标签中二进制符号“0”的概率，1-q是电子标签中二进制符号“1”的概率；μ_i和由已知的前导符号估计得到。

5.根据权利要求3所述基于多天线的环境反向散射系统的信息符号检测方法，其特征在于，所述判决门限采用近似平衡门限，所述近似平衡门限使得传输符号“0”和符号“1”有相同的近似的误码率，所述近似平衡门限为：

其中：

和

和分别是环境射频信号和阅读器端噪声的方差，μ_i和由已知的前导符号估计得到。

6.根据权利要求4或5所述基于多天线的环境反向散射系统的信息符号检测方法，其特征在于，所述近似的误码率P_b由能量检测器得到，公式为：

7.根据权利要求4或5所述基于多天线的环境反向散射系统的信息符号检测方法，其特征在于，所述μ_i和由已知的前导符号估计得到是指：

由于和

在前导符号i传输期间，利用：

其中，λ_max(·)表示取矩阵的最大特征值，N_t为传输前导符号阶段阅读器在一个符号时间间隔内的采样点数，表示在传输第k个前导符号时间间隔内第n次采样的信号矢量，上标^H表示共轭转置运算；

从而μ_i和可利用D_i分别构造为：

和