CN109379118A

CN109379118A - 一种新型的多输入多输出共生无线通信系统架构

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Publication number: CN109379118A
Application number: CN201811483481.0A
Authority: CN
Inventors: 梁应敞; 龙睿哲; 周标; 张倩倩
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2019-02-22

Abstract

本发明属于通信技术领域，涉及一种新型的多输入多输出共生无线通信系统架构。本发明提出一种将被动式物联网和主动式传输通信相融合的MIMO共生通信系统，通过上述共生通信系统，被动式物联网通信与传统主动式传输通信系统共享同一射频源、同一接收机和同一频谱，不需要额外分配频谱资源，也不需要额外部署专用射频源。同时，提出发送机波束成形设计方案，进一步优化该共生通信系统。方案实施简单，且可证明能实现高于为各自系统分配专用通信资源的频谱效率，具有很强的应用价值。

Description

一种新型的多输入多输出共生无线通信系统架构

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种新型的多输入多输出共生无线通信系统架构。

背景技术

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，然而，物联网技术的发展有两大瓶颈：其一是低功耗约束，即物联网设备期望有较长的电池使用寿命，而频繁更换电池将带来巨额的维护开销；其二是频谱约束，即现有的频谱资源远远无法满足海量物联网设备的通信需求。

近年来，被动式无源通信架构正在逐渐兴起，该通信架构由射频源、反射设备(无源发射机)和阅读器(接收机)组成。射频源发送未经调制的载波，支撑一个或多个反射设备与接收机的通信。反射设备不包含有源器件，仅通过调节其天线阻抗来改变反射信号的幅度和相位，实现向阅读器的信息传递。由于阅读器同时接收到来自于射频源和反射设备的信号，它需通过分离直射径载波和反射径信号，以解调反射设备所发送的信息。

被动式通信架构由于其反射设备不包含高能耗的有源器件，可以有效地满足物联网设备对低能耗的需求，因此已成为支撑未来物联网通信的核心技术之一。然而，为实现“任何时间，任何地点”的物联网通信需要，需要大范围地部署射频源，因而存在较高的基础建设的投入成本，这严重制约了被动式通信架构走向实用。如何在满足物联网设备能量需求同时，又能实现较高的频谱效率，同时能尽量利用现有的通信网络基础设施来减小额外开销，成为物联网通信需要首要解决的问题。

近年来，多输入多输出(MIMO)通信技术在通信系统发送机和接收机分别布置多个发送天线和接收天线，发射机通过设计发送天线波束，可以有效的提高信道容量及改善通信质量。该技术与物联网通信相结合，能大大提高物联网设备的信号的传输速率与通信范围。

发明内容

本发明提出一种基于多输入多输出(MIMO)技术的被动式物联网与主动式传输系统(以下简称主系统)相融合的共生通信系统架构。

本发明采用的技术方案为：

本发明将被动式物联网通信与主动式传输通信相融合，提供一种同时实现物联网被动反射设备与主系统设备信息传输的MIMO通信传输系统。所述系统包括，多天线主系统发送机、多天线物联网反射设备、以及接收所述主信号和反射信号的多天线主系统接收机。其具体系统模型如图1所示。

本发明考虑在发送机部署M根天线(M≥1)，反射设备部署K根天线(K≥1)和接收机部署Q根天线(Q≥1)的情况。由于反射设备的速率要求和主动式传输系统速率要求不同，因此假定反射设备发送符号的周期为主动式传输系统中发送机发送符号周期的L倍(L≥1)。令反射设备在第n个周期上的发送信号为C(n)＝diag(c₁(n),c₂(n),...,c_K(n))，n＝0,1,…N-1，其中diag()代表对角化操作，c_k(n)表示在反射设备第k根天线上的反射信号，主系统中发送机发送的信号为S_l(n)＝[s_1,l(n),s_2,l(n),...,s_M,l(n)]^T，l＝0,1,…,L-1，其中s_l,m(n)代表发送机第m根天线上的发射信号。在第n个C(n)信号符号周期，接收机第q根天线接收到的第l个信号为

其中，h_1,m→q为发送机第m根天线到接收机第q根天线的信道衰落系数；h_2,m→k为发送机第m根天线到反射设备第k根天线的信道衰落系数；g_k→q为反射设备第k根天线到接收机第q根天线的信道衰落系数，α为在反射设备的功率反射系数，z_q,l(n)为第q根天线的接收机噪声。

接收机接收到信号也可以表示为如下形式：

其中为发送机到接收机的信道衰落矩阵；为发送机到反射设备的信道衰落矩阵；为反射设备到接收机的信道衰落矩阵。接收机需要协同解调出来自主系统的主信号和来自物联网反射设备的反射信号。

本发明中，由于该系统架构为一被动式物联网与主动式传输通信共生架构，其共生原理如下两点：1)接收机可通过先解调主信号，再解调反射信号的方式，得到两类信号的传输信息；2)发送机可以同时兼顾主信号与反射信号的传输，在传输主动式传输信号s(n)的同时还会传输正弦载波‘1’来更好地支持反射设备进行反射通信。

考虑到多输入通信系统特性，发射机还需要进行波束成形设计来进一步优化该共生通信系统信息传输。发送机信号有如下表示

其中p为发送机发送功率，ρ(0≤ρ≤1)为功率调节系数，w₁为主系统信号的波束成形向量，w₂为反射信号的波束成形向量。发送机需要设计上述系数来使得上述共生系统性能最优。

事实上，上述发送机设计包括了如下三种情况。

情况1(ρ＝0)：此时发送机只发送主系统信号s(n)，反射设备通过环境反向散射技术来实现信息传输。

情况2(0<ρ<1)：此时发送机同时发送主系统信号和正弦波信号。

情况3(ρ＝1)：此时发送机只发送正弦波信号，系统等效为传统双基RFID网络。

本发明的有益效果为：本发明提出一种将被动式物联网和主动式传输通信相融合的MIMO共生通信系统，通过上述共生通信系统，被动式物联网通信与传统主动式传输通信系统共享同一射频源、同一接收机和同一频谱，不需要额外分配频谱资源，也不需要额外部署专用射频源。同时，提出发送机波束成形设计方案，进一步优化该共生通信系统。方案实施简单，且可证明能实现高于为各自系统分配专用通信资源的频谱效率，具有很强的应用价值。

附图说明

图1示出了本发明的系统组成示意图；

图2示出了本发明在多输入单输出情况下系统示意图；

图3为本共生通信系统在两种情况下传输主信号速率与系统和速率；

图4为本共生通信系统在两种情况下传输反射信号速率。

具体实施方式

下面结合附图和仿真示例对本发明进行详细描述，以便本领域的技术人员能够更好地理解本发明。

以一多输入单输出被动式物联网与主动式传输通信共生系统为例。如图2所示，主系统发送机(PT)具有多天线M(M>1)，物联网反射设备(BD)和主系统接收机(PR)都只具有单根天线。BD通过有意改变其天线反射系数来改变环境信号的幅度相位，将自己需要传输的信息c(n)加载在接收到的主信号s_l(n)上，实现BD到PR的信息传输。

考虑平坦块衰落。在每个衰落块，用如下符号和来分别表示主链路信道和PT到BD的信道衰落系数。BD到PR的信道为一个静止的信道，由来表示。因此次链路可以复合为gh₂。

令s_l(n)表示PT传输的信号，其符号周期为T_s。s_l(n)认为是服从零均值和方差为1的循环对称复高斯的信号，即PT通过波束成形向量来传输功率为p的信号。接下来分情况讨论，考虑主信号和反射信号符号周期对系统速率的影响，并针对每一种情况进行了系统速率的数学建模。

1、BD符号周期等于主信号符号周期

考虑BD符号周期T_c等于主信号符号周期T_s的场景，即T_c＝T_s，L＝1。在此类情况下省略s_l(n)下标l.

c(n)为BD想要传输给PR的信息，其信息是由不同的反射系数所决定的，并且常数α∈[0,1]控制BD反射信号的功率，故由BD产生的反射信号为

故在第n个符号周期时，在PR接收到信号为y(n)表示如下：

其中z(n)是零均值和方差为σ²的加性高斯白噪声(AWGN)。为了描述方便，此时定义相对信道增益

由于次链路信道是经历过两次衰减，一般而言，主链路信道h₁是要强于次链路信道gh₂。因此，PR可以先解调主信号s(n)，然后再从接收到的信号去减去主信号成分，最终来解调c(n)。接下来，将分析该系统可能达到的系统速率。

PR首先将反射信号当作背景噪声来解调主信号s(n)，其中反射信号的平均功率为故PR解调s(n)的信号与干扰加噪声比(SINR)为

主链路对应的系统速率可以表示为：

通过上述过程，PR能够得到主信号到的估计值然后PR通过利用串行干扰抵消技术来解调c(n)。具体过程为，接收到的信号y(n)将接收到的主信号成分抵消掉，得到一个中间信号

假设能够将主信号完全移除则有：

已知主信号s(n)的情况下，解调反射信号的信噪比(SNR)可以表示为如下

故次链路平均的数据速率为

在解调c(n)的过程中，s(n)表现为一个对于BD符号快变的信道响应。s(n)的包络平方|s(n)|²服从参数为λ＝1的指数分布。故反射设备速率可以表示为如下形式

其中是c(n)的平均SNR，表示指数积分。值得注意的是对于x≥0而言是一个单调递增的凹函数。

2、BD符号周期大于主信号符号周期

BD的符号周期是主信号的符号周期的L(L>1)整数倍，即，T_c＝LT_s。

在一个BD符号周期内，第l个主信号符号周期时，对于l＝1,2,...,L，PR接收到的信号表示为

在公式(12)中，第二项可以看作是通过慢变信道故PR可以首先将反射信号作为主信号的一个多径成分来解调s_l(n)。对于解调s(n)，定义一个等效信道h_eq＝h₁+c(n)gh₂。在给定c的情况下，解调s(n)的信噪比为

故对于足够大的传输长度L，主链路的平均速率可以表示为

解调s_l(n)后，PR同样通过串行干扰消除技术来抵消主链路的干扰。在同一个BD符号周期内，根据采样点，令主信号向量s(n)＝[s₁(n),s₂(n),...,s_L(n)]^T，噪声向量z(n)＝[z₁(n),z₂(n),...,z_L(n)]^T和中间信号假设主信号成分被完美抵消，得到这个中间信号的向量形式

可以通过最大比合并的方式得到解调反射信号的信噪比近似于

考虑到，符号周期之间的比值差异，次链路的传输速率应该乘上一个系数1/L,故次链路的信息速率为

接下来发送机可以通过解决如下共生系统和速率最优化问题来设计其波束成形向量w。

其中i∈{1,2}分别代表第一类和第二类场景。

图3所示为上述两种场景该共生系统能达到的主信号速率与主信号与反射信号的和速率。

图4所示为上述两种场景反射设备能够达到的速率。仿真参数设置为发射天线数目M＝4，相对信道增益△Γ＝-20dB；接收机的噪声方差σ²＝1mW，信道实现次数为1000次。可以看出在L＝128时，该共生系统的和速率要大于传统的不具备反向散射标签的主动式传输通信系统速率。故该共生系统能够在几乎不影响主链路传输的频谱效率下，同时引入被动式物联网反射设备传输，提高了频谱效率。

Claims

1.一种新型的多输入多输出共生无线通信系统架构，所述共生无线通信系统是指，将被动式物联网通信与主动式传输通信相融合，形成共生通信系统架构，其特征在于，所述共生通信系统架构包括多天线主系统发送机、多天线物联网反射设备以及多天线主系统接收机；其中，多天线主系统发送机和多天线物联网反射设备构成共生通信发送部分，分别发送主信号与反射信号，多天线主系统接收机同时接收主信号和反射信号，并分别解调出主信号和反射信号，获得两类信号的传输信息；具体的是：

设定发送机部署M根天线，反射设备部署K根天线，接收机部署Q根天线，同时设定反射设备发送符号的周期为主动式传输系统中发送机发送符号周期的L倍，L≥1；反射设备在第n个周期上的发送信号为C(n)＝diag(c₁(n),c₂(n),...,c_K(n))，其中diag()代表对角化操作，c_k(n)表示在反射设备第k根天线上的反射信号，k＝1,2,…K，主系统发送机发送的信号为S_l(n)＝[s_1,l(n),s_2,l(n),...,s_M,l(n)]^T，l＝0,1,…,L-1，其中s_l,m(n)代表发送机第m根天线上的发射信号；在第n个C(n)信号符号周期，接收机第q根天线接收到的第l个信号为

其中，h_1,m→q为发送机第m根天线到接收机第q根天线的信道衰落系数；h_2,m→k为发送机第m根天线到反射设备第k根天线的信道衰落系数；g_k→q为反射设备第k根天线到接收机第q根天线的信道衰落系数，α为反射设备的功率反射系数，z_q,l(n)为第q根天线的接收机噪声。

2.根据权利要求1所述的一种新型的多输入多输出共生无线通信系统架构，其特征在于，所述共生通信发送机发送的信号为：

其中p为发送机发射功率，ρ为功率调节系数，0≤ρ≤1，w₁为主系统信号的波束成形向量，w₂为反射信号的波束成形向量，s_l(n)为主信号；共生通信发送机通过对上式中系数的调节，实现共生系统性能的优化。