CN109412992B - 基于正交频分多址技术的反向散射系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于正交频分多址技术的反向散射系统及方法，包括：发射机：产生预设的激励信号；标签：通过频移反向散射将所述激励信号调制到正交频分复用信号的不同子载波上；接收机：接收并解调频移反向散射后的信号。本发明能够实现超级功耗的通讯。标签作为一个物联网节点，其功耗可以降至80μV，取决于数字芯片工艺。本发明中的标签能够独立携带信息并同时通讯，并发量达到48，大大提高反向散射系统并发量以及总吞吐量，远远优于当前采用蓝牙、Wi‑Fi模块的物联网设备。

Description

基于正交频分多址技术的反向散射系统及方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及基于正交频分多址技术的反向散射系统及方法。

背景技术

物联网开启了“万物互联”的时代。然而无论畅想如何，由于仍然没有对大容量，超低功耗，充足速率的通讯方式有着完善的研究，物联网器件通讯功耗问题一直无法解决，物联网一直无法真正的跃出纸面进入人们的日常生活中。近些年无线网络与系统方向，反向散射(backscatter)的研究引起了广泛的关注。由于不需要主动发射的功率器件，基于反向散射通讯方式的器件可以相对减少近百、千倍的功率消耗。但传统方式，如RFID，由于反向散射信号与原始激励信号在同一频段下，激励信号会对器件反向散射的信号产生干扰，进而导致较差的通讯性能。本课题着眼于扩容以及进一步将未应用入反向散射系统的技术引入以获得更佳的性能。此外现有反向散射系统由于采用单载波调制技术以及时分多址技术，导致通讯的并发量以及总吞吐量很低，无法满足未来物联网设备对于大并发通信的需求。

近年来，一种频移反向散射方式的出现解决了激励信号自干扰的问题，并使得反向散射系统通讯速率以及通信距离有了大幅的提升。2016年Bryce Kellogg等人在NSDI发表的“Passive Wi-Fi:Bringing Low Power to Wi-Fi Transmissions”一文中引入了频移反向散射的设计，将反向散射的信号频移到干净信道下避免自干扰，并且进行PSK调制实现了发射802.11b的设计。同年该课题组于SIGCOMM上发表的“Inter-TechnologyBackscatter:Towards Internet Connectivity for Implanted Devices”一文中提出了用蓝牙器件发射激励信号的方案，并利用Passive Wi-Fi中的标签设计，实现了利用蓝牙与Wi-Fi设备进行标签信息读取的系统。同年，Pengyu Zhang等人在SIGCOMM上发表的“Enabling Practical Backscatter Communication for On-body Sensors”一文中提出利用全商用化设备的利用反向散射的可穿戴设备的概念。此后，该课题组于Sensys上发表的“HitchHike:Practical Backscatter Using Commodity WiFi”一文中利用商用化设备，通过对码元的调制，实现在现有的802.11b通讯上进行调制，实现无需改变商用化收发设备的反向散射的设计。然而由于以上设计均基于单载波调制的802.11b协议，均存在并发量以及总吞吐量不足的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于正交频分多址技术的反向散射系统及方法。

根据本发明提供的一种基于正交频分多址技术的反向散射系统，包括：

发射机：产生预设的激励信号；

标签：通过频移反向散射将所述激励信号调制到正交频分复用信号的不同子载波上；

接收机：接收并解调频移反向散射后的信号。

较佳的，所述激励信号包括正交频分复用(OFDM，Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)通信所需的前导序列、物理层头部，以及反向散射所需的单一频点信号，以及发向标签的包络调制控制信号。

较佳的，产生所述单一频点信号和所述包络调制控制信号的步骤包括：

步骤11：选定一扰码起始状态利用逆运算的方法，产生任意所需待映射序列对应的比特流处理原序列；

步骤12：以计算原序列作为正交频分复用系统物理层输入，并设定扰码器起始状态，则经过比特流处理的序列即为所需待映射序列；

步骤13：根据帧结构的需要，切换比特流到IQ(In-phase,Quadrature)调制中的符号的映射逻辑，修改后的映射逻辑使得[0，1]的比特能映射为[-1+0j，1+0j]和[0+0j，1+0j]两种，其中j是虚数符号；映射后的数值为复数，实部代表I分量，虚部代表Q分量；

步骤14：经过预设的子载波映射的快速反向傅里叶变换(IFFT，Inverse FastFourier Transform)输出通过正交频分复用系统发送。

较佳的，所述标签的处理步骤包括：

步骤21：解调发射机发送的包络调制控制信号，进行数字处理；

步骤22：解调包络调制控制信号中触发序列后控制信令并进行响应；

步骤23：在收到发送信息指令后，进行频移反向散射将本地信息调制于反向散射信号上，首先发送一段前导序列，然后发送本地信息序列。

较佳的，所述接收机的处理步骤包括：

步骤31：经正交频分复用系统信道均衡后复数序列节选标签前导序列部分提取相位幅度信息；

步骤32：利用提取的相位幅度信息进行均衡，矫正不同子载波特定的相位偏移；

步骤33：经过相位矫正后进行解调，解调比特流跳过比特流处理，直接进行各子载波信息提取。

根据本发明提供的一种基于正交频分多址技术的反向散射方法，包括：

发射步骤：产生预设的激励信号；

频移反向散射步骤：通过频移反向散射将所述激励信号调制到正交频分复用信号的不同子载波上；

接收步骤：接收并解调频移反向散射后的信号。

较佳的，所述激励信号包括正交频分复用(OFDM，Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)通信所需的前导序列、物理层头部，以及反向散射所需的单一频点信号，以及发向标签的包络调制控制信号。

较佳的，产生所述单一频点信号和所述包络调制控制信号的步骤包括：

步骤11：选定一扰码起始状态利用逆运算的方法，产生任意所需待映射序列对应的比特流处理原序列；

步骤12：以计算原序列作为正交频分复用系统物理层输入，并设定扰码器起始状态，则经过比特流处理的序列即为所需待映射序列；

步骤13：根据帧结构的需要，切换比特流到IQ(In-phase,Quadrature)调制中的符号的映射逻辑，修改后的映射逻辑使得[0，1]的比特能映射为[-1+0j，1+0j]和[0+0j，1+0j]两种，其中j是虚数符号；映射后的数值为复数，实部代表I分量，虚部代表Q分量；

步骤14：经过预设的子载波映射的快速反向傅里叶变换(IFFT，Inverse FastFourier Transform)输出通过正交频分复用系统发送。

较佳的，所述频移反向散射步骤包括：

步骤21：解调发射机发送的包络调制控制信号，进行数字处理；

步骤22：解调包络调制控制信号中触发序列后控制信令并进行响应；

步骤23：在收到发送信息指令后，进行频移反向散射将本地信息调制于反向散射信号上，首先发送一段前导序列，然后发送本地信息序列。

较佳的，所述接收步骤包括：

步骤31：经正交频分复用系统信道均衡后复数序列节选标签前导序列部分提取相位幅度信息；

步骤32：利用提取的相位幅度信息进行均衡，矫正不同子载波特定的相位偏移；

步骤33：经过相位矫正后进行解调，解调比特流跳过比特流处理，直接进行各子载波信息提取。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明能够实现超级功耗的通讯。标签作为一个物联网节点，其功耗可以降至80μV，取决于数字芯片工艺。

2、本发明中的标签能够独立携带信息并同时通讯，并发量达到48，大大提高反向散射系统并发量以及总吞吐量，远远优于当前采用蓝牙、Wi-Fi模块的物联网设备。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中OFDM脉冲产生过程的流程图；

图2为本发明中接收机进行信号处理的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的一种基于正交频分多址技术的反向散射系统，包括：

发射机：产生预设的激励信号。

该发射机基于常规Wi-Fi发射机设计，旨在不更改Wi-Fi设备硬件基础上实现反向散射系统所需激励信号产生以充分利用商用器件低成本高普及率的优势。激励信号包括OFDM通信所需前导序列(preamble)及物理层头部(PHY header)以及反向散射所需单一频点信号以及发向标签的包络调制控制信号。OFDM通信所需信号部分可由Wi-Fi设备原有流程提供。如图1所示，数字方法实现的OFDM系统首先经过比特流处理(包括扰码，信道编码，调制等步骤)对来自上层比特流进行处理，其后依照映射逻辑将处理后的待映射序列映射到频域子载波对应的IFFT输入上，此后利用IFFT将对应子载波下相位调制信息转换为时域信息以便物理系统发送。产生单一频点信号和所述包络调制控制信号的步骤包括：

步骤11：选定一扰码起始状态利用逆运算的方法，产生任意所需待映射序列对应的比特流处理原序列；

步骤12：以计算原序列作为OFDM系统物理层输入，并设定扰码器起始状态，则经过比特流处理的序列即为所需待映射序列；

步骤13：根据帧结构的需要，切换比特流到IQ(In-phase,Quadrature)调制中的符号的映射逻辑，修改后的映射逻辑使得[0，1]的比特能映射为[-1+0j，1+0j]和[0+0j，1+0j]两种，其中j是虚数符号；映射后的数值为复数，实部代表I分量，虚部代表Q分量；

步骤14：经过预设的子载波映射的快速反向傅里叶变换(IFFT，Inverse FastFourier Transform)输出通过OFDM系统发送。

标签：通过频移反向散射将所述激励信号调制到正交频分复用信号的不同子载波上。

该标签可以响应发射机所产生的激励信号并将信息通过频移反向散射技术调制到OFDM信号的不同子载波上，从而实现正交频分多址。本发明涉及一种基于频移反向原理的反向散射标签设计。标签处理步骤如下：

步骤21：解调发射机发送的包络调制控制信号，进行数字处理；标签受包络调制控制信号中触发序列的触发，忽略前导序列等无效信号的影响。

步骤22：解调包络调制控制信号中触发序列后控制信令并进行响应；如调整频移频率以更换占用子载波，开始发送信息等。

步骤23：在收到发送信息指令后，进行频移反向散射将本地信息调制于反向散射信号上，首先发送一段前导序列，然后发送本地信息序列。

多个标签频移频率不同，并因此分别占用不同子载波通讯。

在步骤21中：标签上的接收机采用低功耗接收机设计，旨在实现低功耗的数字信号处理端。

在步骤22中：触发序列选择自相关性强，互相关性弱的序列，如11位Barker码。这样既保证了极低的误触发率，又保证了极低的不触发率。

在步骤23中：不同标签将会得到不同的频移，使得每一个标签在频域上都是正交的，这样标签间便不存在相互影响的串扰，以此构建OFDMA(OrthogonalFrequencyDivision Multiple Access，OFDM多址接入技术)系统。

接收机：接收并解调频移反向散射后的信号。

该接收机基于常规Wi-Fi系统设计，如图2所示接收机，本发明于OFDM系统信道均衡模块中添加调整各标签信号相位矫正的功能，并跳过后续比特流处理以防止标签信息被解码步骤错误修改。具体处理步骤如下：

步骤31：经OFDM系统信道均衡后复数序列节选标签前导序列部分提取相位幅度信息；

步骤32：利用提取的相位幅度信息进行均衡，矫正不同子载波特定的相位偏移；

步骤33：经过相位矫正后进行解调，解调比特流跳过比特流处理，直接进行各子载波信息提取。

在上述一种基于正交频分多址技术的反向散射系统的基础上，本发明还提供一种一种基于正交频分多址技术的反向散射方法，包括：

发射步骤：产生预设的激励信号；

频移反向散射步骤：通过频移反向散射将所述激励信号调制到正交频分复用信号的不同子载波上；

接收步骤：接收并解调频移反向散射后的信号。

实验一：并行实验；半径5米区域内随机放置48个标签，发射机和接收机均采用Mango Communications WARP v3，与Lenovo ThinkPad P51笔记本电脑通过LAN相连。发射机发送信息的设计符合802.11g标准，工作频率在2.4到2.4835GHz的一个信道上。标签分为两路，接收端和反向散射端。接收端采用RF功率探测器加比较器的设计，反向散射端则由两段相差45度相位的传输线通过一个Splitter/Combiner复用两路FPGA发来的方波信号，通过此方波信号调制发射机发来的纯净正弦波，将其搬移到各个子信道上散射出去。接收机收到信号后存储起来，通信结束后通过Matlab进行时钟恢复，信道均衡、解调等运算。在此案例下，48个Tag的各自携带的信息能够在一个帧内同时解析出来。

实验二：通信距离实验；将一个标签安置在发射机的发射天线附近，发射机和接收机均采用Mango Communications WARP v3，与Lenovo ThinkPad P51笔记本电脑通过LAN相连。发射机发送信息的设计符合802.11g标准，工作频率在2.4到2.4835GHz的一个信道上。标签分为两路，接收端和反向散射端。接收端采用RF功率探测器加比较器的设计，反向散射端则由两段相差45度相位的传输线通过一个Splitter/Combiner复用两路FPGA发来的方波信号，通过此方波信号调制发射机发来的纯净正弦波，将其搬移到各个子信道上散射出去。不断将接收机远离发射机，在此器件发射机不断地发送触发信号和纯净载波。接收机收到信号后，将其在不同的接收距离上的信号波形存储起来，通信结束后通过Matlab进行相应的数字信号处理，观察在各个接收距离上的通信误码率。在直视距离下，接收机远离发射机50米能保持误码率在20％以下。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种基于正交频分多址技术的反向散射系统，其特征在于，包括：

发射机：产生预设的激励信号；

标签：通过频移反向散射将所述激励信号调制到正交频分复用信号的不同子载波上；

接收机：接收并解调频移反向散射后的信号；

所述激励信号包括正交频分复用通信所需的前导序列、物理层头部，以及反向散射所需的单一频点信号，以及发向标签的包络调制控制信号；

所述标签的处理步骤包括：

步骤21：解调发射机发送的包络调制控制信号，进行数字处理；

步骤22：解调包络调制控制信号中触发序列后控制信令并进行响应；

步骤23：在收到发送信息指令后，进行频移反向散射将本地信息调制于反向散射信号上，首先发送一段前导序列，然后发送本地信息序列。

2.根据权利要求1所述的基于正交频分多址技术的反向散射系统，其特征在于，产生所述单一频点信号和所述包络调制控制信号的步骤包括：

步骤11：选定一扰码起始状态利用逆运算的方法，产生任意所需待映射序列对应的比特流处理原序列；

步骤12：以计算原序列作为正交频分复用系统物理层输入，并设定扰码器起始状态，则经过比特流处理的序列即为所需待映射序列；

步骤13：根据帧结构的需要，切换比特流到IQ调制中的符号的映射逻辑，修改后的映射逻辑使得[0，1]的比特能映射为[-1+0j，1+0j]和[0+0j，1+0j]两种，其中j是虚数符号；映射后的数值为复数，实部代表I分量，虚部代表Q分量；

步骤14：经过预设的子载波映射的快速反向傅里叶变换输出通过正交频分复用系统发送。

3.根据权利要求1所述的基于正交频分多址技术的反向散射系统，其特征在于，所述接收机的处理步骤包括：

步骤31：经正交频分复用系统信道均衡后复数序列节选标签前导序列部分提取相位幅度信息；

步骤32：利用提取的相位幅度信息进行均衡，矫正不同子载波特定的相位偏移；

步骤33：经过相位矫正后进行解调，解调比特流跳过比特流处理，直接进行各子载波信息提取。

4.一种基于正交频分多址技术的反向散射方法，其特征在于，包括：

发射步骤：产生预设的激励信号；

频移反向散射步骤：通过频移反向散射将所述激励信号调制到正交频分复用信号的不同子载波上；

接收步骤：接收并解调频移反向散射后的信号；

所述激励信号包括正交频分复用通信所需的前导序列、物理层头部，以及反向散射所需的单一频点信号，以及发向标签的包络调制控制信号；

所述频移反向散射步骤包括：

步骤21：解调发射机发送的包络调制控制信号，进行数字处理；

步骤22：解调包络调制控制信号中触发序列后控制信令并进行响应；

步骤23：在收到发送信息指令后，进行频移反向散射将本地信息调制于反向散射信号上，首先发送一段前导序列，然后发送本地信息序列。

5.根据权利要求4所述的基于正交频分多址技术的反向散射方法，其特征在于，产生所述单一频点信号和所述包络调制控制信号的步骤包括：

步骤11：选定一扰码起始状态利用逆运算的方法，产生任意所需待映射序列对应的比特流处理原序列；

步骤12：以计算原序列作为正交频分复用系统物理层输入，并设定扰码器起始状态，则经过比特流处理的序列即为所需待映射序列；

步骤13：根据帧结构的需要，切换比特流到IQ调制中的符号的映射逻辑，修改后的映射逻辑使得[0，1]的比特能映射为[-1+0j，1+0j]和[0+0j，1+0j]两种，其中j是虚数符号；映射后的数值为复数，实部代表I分量，虚部代表Q分量；

步骤14：经过预设的子载波映射的快速反向傅里叶变换输出通过正交频分复用系统发送。

6.根据权利要求4所述的基于正交频分多址技术的反向散射方法，其特征在于，所述接收步骤包括：

步骤31：经正交频分复用系统信道均衡后复数序列节选标签前导序列部分提取相位幅度信息；

步骤32：利用提取的相位幅度信息进行均衡，矫正不同子载波特定的相位偏移；

步骤33：经过相位矫正后进行解调，解调比特流跳过比特流处理，直接进行各子载波信息提取。

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