CN109462430A - 多天线共生无线通信系统、信号传输及波束赋形优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域，涉及一种多天线共生无线通信系统、信号传输及波束赋形优化方法。本发明提出一种由一个多天线射频信号源、多个反向散射设备和一个多天线协同接收机组成的新型共生无线通信系统，其中，协同接收机同时检测来自射频信号源和反向散射设备的信号。进一步地，本发明还提出一种相应的传输机制及波束赋形优化设计方法。本发明的有益效果为：射频信号源仅需在使用优化后的波束赋形预编码矩阵，无需更改现有无线通信系统的构架和协议，因而易于实现，具有较高的实用性。本发明所提出的波束赋形优化设计方法能够极大地提高反向散射设备的通信速率性能，解决环境反向散射通信系统速率低的瓶颈问题。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种多天线共生无线通信系统、信号传输及波束赋形优化方法。
背景技术
物联网是5G和未来移动通信系统的重要应用场景，各种物联网设备通常在能源、成本和复杂度等方面有严格要求。传统的反向散射通信系统，如射频识别(RFID)系统，是通过阅读器产生并发送射频正弦载波给附近的反向散射设备(即标签)提供能量并承载反向散射设备信息回传给阅读器。反向散射设备电路通常比较简单且是无源的，因此其处理能力有限。RFID阅读器发送正弦载波给反向散射设备，反向散射设备接收到的信号一部分用于能量收集来满足反向散射设备电路的正常工作，另一部分用于反向散射，以把反向散射设备的信息传输给阅读器。由于阅读器需要生成专用的射频正弦载波，这种传统的反向散射通信系统需要消耗较高的能量，且能效较低。
环境反向散射通信系统使得反向散射设备能够在周围环境中的射频载波上调制其信息符号，而无需使用复杂且耗电的专用射频载波发射器。环境反向散射通信系统与已有的传统通信系统不仅共用相同的频带资源，并且共用相同的射频信号源，逐渐被接受为一种极低功耗、低成本、高谱效的物联网通信新技术。现有环境反向散射通信系统中，反向散射接收机由于受到来自环境射频信号源的强之间链路干扰，通信速率非常低。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种由一个多天线射频信号源、多个反向散射设备和一个多天线协同接收机组成的新型共生无线通信系统，其中，协同接收机同时检测来自射频信号源和反向散射设备的信号。进一步地，本发明还提出一种相应的传输机制及波束赋形优化设计方法。一个典型的应用场景是智能家居应用，比如智能手机可以同时恢复出从WiFi接入点(Access Point)和多个由射频信号供能的室内传感器发送过来的信号。
本发明的主要内容是提出一种基于环境反向散射通信的共生无线通信系统、传输机制及波束赋形优化设计方法，实现多个反向散射(物联网)设备的高速率数据传输。
本发明采用的技术方案为：
共生无线通信系统系统，包括一个多天线的射频信号源，多个反向散射设备、以及一个多天线协同接收机；其中，
所述射频信号源配置多根天线用于信号的发送和接收，包括信道估计和反向散射通信两种模式：
在信道估计模式下，系统有两种工作方式：其一，射频信号源发送下行导频信号，反向散射设备估计其与射频信号源之间的前向信道，协同接收机估计其与射频信号源之间的直接链路信道；其二，射频信号源发送下行导频信号，反向散射设备以固定反向散射系数进行反向散射，协同接收机估计其与反向散射设备之间的后向信道；
在反向散射通信模式下，射频信号源发送下行数据信号，每一个反向散射设备通过改变负载阻抗以改变它反向散射信号的幅值和相位的方法调制接收到的环境信号。协同接收机先检测来自射频信号源的信号，然后进行串行干扰消除，最后检测来自反向散射设备的信号。
具体地，本发明提出一种多天线共生无线通信系统的传输机制，包括以下步骤：
S11.射频信号源发送导频信号；
S12.协同接收机接收导频信号并估计直接链路信道矩阵H，各个反向散射设备接收导频信号并估计其前向信道向量fk＝[fk，1 fk，2 … fk，Q]∈C1×Q；
S13.各个反向散射设备以时分复用的方式将其估计的前向信道向量反馈至协同接收机；
S14.射频信号源再次发送步骤S11中的导频信号；
S15.各个反向散射设备以时分复用的方式进行反向散射，协同接收机逐个估计各个反向散射设备的后向信道向量gk＝[g1，k f2，k … fM，k]T∈CM×1；
S16：协同接收机将直接链路信道矩阵H、所有反向散射设备的前向信道矩阵F及后向信道矩阵G反馈至射频信号源；
S17.射频信号源利用获取的信道信息来设计最优的发送波束赋形预编码矩阵，并用于发送数据信号；
S18.各个反向散射设备同时进行反向散射和射频能量收集；
S19.协同接收机首先从接收信号中检测来自射频信号源的数据信号，然后进行串行干扰消除，进而检测反向散射设备的数据信号。
进一步的，所述步骤S11中的导频符号可以是任何已知的符号，包括但不限于Zadoff-Chu序列、PN序列、以及其他具有较低峰均功率比的符号序列：
所述步骤S12中，各个反向散射设备将负载阻抗切换至匹配状态，没有信号被反向散射；
所述步骤S12和S15中，信道估计方法包括但不限于最小二乘(Least Square，LS)、最小均方误差(Minimum Mean Square Error，MMSE)等现有方法；
所述步骤S15中，各个反向散射设备的功率反射系数配置为协同接收机已知的固定常数；协同接收机首先利用已知的发送导频信号和估计的直接链路信道矩阵H，将来自直接链路的导频信号从接收信号中消除，然后利用反馈得到的前向信道向量fk，逐个估计各个反向散射设备的后向信道向量gk；前述功率反射系数是取值为0到1之内的非负实数，其定义为反向散射系数(该系数由天线阻抗和负载阻抗决定，是绝对值不超过1的复数)的绝对值的平方。
所述步骤S17中，射频信号源发送数据信号的波束赋形预编码矩阵采用本发明提出的优化方法(后文有详细阐述)；
所述步骤S18中，各个反向散射设备按照功率反射系数对部分入射信号进行反向散射，并从余下的射频信号中收集能量；本发明中，所有反向散射设备以空分复用(SpatialDivision Multiple Access，SDMA)的方式同时进行反向散射，协同接收机检测各个反向散射设备的数据信号。
同时，本发明还提供一种多天线共生无线通信系统的发送波束赋形优化设计方法。以最大化所有反向散射设备的反向散射链路总速率Cb(W)为目标，在直接链路速率需求、反向散射设备能量收集需求、射频信号源发送功率限制、以及功率反射系数的约束下，优化发送波束赋形矩阵W。具体优化问题如下：
P1：maxWCb(W) (7a)
s.t.Cd(W)≥Cmin (7b)
Ek(W)≥Emin，k，for k＝1，…，K (7c)
Tr(W)≤P (7d)
0≤λk≤1，for k＝1，…，K (7e)
其中，正常数Cmin表示直接链路通信的最低速率需求，正常数Emin，k表示第k个反向散射设备的最低收集能量需求，P表示射频信号源的最大发送功率，约束(7e)是功率反向散射系数的范围限制，K是反向散射设备的数量，Tr(W)表示求矩阵W的迹。
以上优化问题(P1)的目标函数(7a)是凹函数，并且约束条件(7c)和(7d)关于矩阵W是线性的。然而，约束条件(7b)左边的函数Cd(W)是两个与W有关的凹函数ln det(.)的差，既不是凸函数也不是凹函数。因此问题(P1)是非凸优化问题。
本发明通过应用序列参数化凸逼近(Sequential Parametric ConvexApproximation，SPCA)技术，提出了针对问题(P1)的迭代求解算法。在每次迭代中，以上一次迭代中得到的最优解作为中心对直接链路速率Cd(W)进行近似。迭代算法终止的判决门限值(很小的正数)记为∈。具体而言，如图5所示，本发明所提出的波束赋形优化方法包括以下步骤：
步骤S21：初始化可行解W0、及小正数∈(例如10-B)，令j＝0；
步骤S22：计算Cb(W0)；
步骤S23：求解(P2)，得到解Wi；
步骤S24：判断|Cb(Wj+1)-Cb(Wj)|＞∈是否满足，如果满足，进入步骤S25，否则进入步骤S27；
步骤S25：求解(P2)，得到解Wj+2；
步骤S26：令j＝j+1；
步骤S27：返回最优解W*＝Wj+1。
其中，在第j步迭代中，求解的优化问题(P2)为：
P2：maxWCb(W) (10a)
s.t.C′d(W，Wj-1)≥Cmin (10b)
Ek(W)≥Emin，k，for k＝1，…，K (10c)
Tr(W)≤P (10d)
其中，直接链路和速率的下界为C′d(W，Wj-1)
因为在每次迭代中只需要解决一个凸优化问题，算法复杂度较低。因此，上述算法在多用户共生无线通信系统中可以快速收敛。
本发明的有益效果为：射频信号源仅需在使用优化后的波束赋形预编码矩阵，无需更改现有无线通信系统的构架和协议，因而易于实现，具有较高的实用性。通过仿真验证，相比于不使用波束赋形的全向传输基准方法，本发明所提出的波束赋形优化设计方法在不增加射频信号源发送能耗、不增加反向散射设备复杂度、且保证射频信号源通信速率的条件下，能够极大地提高反向散射设备的通信速率，解决环境反向散射通信系统速率低的瓶颈问题。
附图说明
图1：多用户多天线共生无线通信系统示意图；
图2：射频信号源的模块框图；
图3：反向散射设备的模块框图；
图4：协同接收机的模块框图；
图5：波束赋形优化流程图；
图6：最优波束赋形和全向传输方法的反向散射链路和速率对比图；
图7：不同直接链路速率要求下的反向散射链路和速率性能图；
图8：不同反向散射设备能量需求下的反向散射链路和速率性能图。
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。
首先，如图1所示，本发明提出一种多天线共生无线通信系统，它由含一个配置Q(Q>1)根天线的射频信号源，K(K≥1)个配置单根天线的反向散射设备、以及一个配置M(M>1)根天线的协同接收机组成。为了将信息传输给协同接收机，每一个反向散射设备通过改变天线的负载阻抗以改变其反向散射信号的幅值和相位，实现对接收到环境信号的反向散射调制。协同接收机同时检测恢复射频信号源的信息和反向散射设备的信息。在上述共生无线通信系统中，反向散射通信系统与传统通信系统共用同一频带、同一射频信号源、以及同一接收机，这使得反向散射系统和传统通信系统可以相互协作。
如图2所示，所述射频信号源包括以下模块：
电源及时钟模块：用于给射频信号源各模块提供电能和时钟；
存储单元模块：用于存储控制指令信息、射频信号源欲发送的数据信息等各种信息；
主控模块：用于控制射频信号源、反向散射设备、以及协同接收机的通信过程、信号编解码、信号检测、数据存储等；
编码调制模块：生成下行发送信号，包括信源/信道编码、星座映射等功能；
波束赋形模块：根据优化设计的波束赋形矩阵，对调制符号进行幅度调整、相位调整和线性叠加处理，形成每根天线欲发送的数字信号；
数模转换模块：将欲发送的数字信号转换为模拟信号；
射频发送前端模块：对应于每根发送天线配备的射频前端，包括上变频和功放等单元；
发送天线模块：用于通过辐射电磁场来向协同接收机和反向散射设备发送信号。
所述射频信号源使用多根天线在同一频率同时进行信息发送，为所有反向散射设备提供环境信号源，同时为协同接收机提供直接链路信号来源。
如图3所示，所述的每个反向散射设备包括：
反向散射天线模块：用于接收和反射来自射频信号源的环境信号；
反向散射调制模块：根据信息符号改变天线的负载阻抗，实现反向散射调制；
微控制器模块：用于控制反向散射设备的通信过程；
信号处理器模块：用于反向散射设备进行基本的信号处理，比如控制信号的解码等；
射频能量收集器和电池模块：从环境信号中收集能量并为电池充电，给所有模块供电；
其他模块：包括存储、感测、时钟等单元。
反向散射设备通过故意切换负载阻抗来调制其接收到的环境载波，以改变其反向散射信号的幅度和/或相位，并且反向散射信号被协同接收机接收并最终解码。
如图4所示，所述协同接收机包括以下模块：
接收天线模块：将接收的电磁信号转化为电流信号；
射频接收前端模块：位于天线与基带处理之间，包括滤波、低噪放大、下变频等单元；
源信号检测模块：检测射频信号源的信号，包括自动增益控制、模数转换、同步、信道估计、源信号解调、信源/信道译码、星座逆映射等单元；
串行干扰消除模块：利用检测的源信号及直接链路信道信息，重构直接链路接收信号，并将其作为串行干扰从总的接收信号中消除；
反射设备信号检测模块：检测来自多个反向散射设备的信号，包括反射设备信号解调、信源/信道译码、星座逆映射等单元；
主控模块：用于控制接收机的通信过程、信号编解码、信号检测、数据存储等；
存储单元模块：用于存储控制指令信息、来自信号源的信息、以及从反向散射设备接收的信息等各种信息；
电源及时钟模块：用于给接入点各模块提供电能和时钟。
为便于描述，先介绍所涉及的信道系数。假设平坦衰落信道模型。在每个衰落(时间)块内，射频信号源与协同接收机之间的(直接链路)MIMO信道记为矩阵H∈CM×Q，其中，元素hm，q表示射频信号源第q根发送天线与协同接收机第m根接收天线之间的信道系数，m＝1，...，M，q＝1，...，Q；射频信号源与K个反向散射设备之间的多用户(前向链路)MIMO信道记为矩阵F∈CK×Q，其中，元素fk，q表示射频信号源第q根发送天线与第k个反向散射设备的天线之间的信道系数；K个反向散射设备与协同接收机之间的(后向链路)MIMO信道记为矩阵G∈CM×K，其中，元素gm，k表示第k个反向散射设备的天线与协同接收机第m根接收天线之间的信道系数，k＝1，...，K。
所述多天线共生无线通信系统的传输机制，包括以下步骤：
S11.射频信号源发送导频信号；
S12.协同接收机接收导频信号并估计直接链路信道矩阵H，各个反向散射设备接收导频信号并估计其前向信道向量fk＝[fk，1 fk，2 … fk，Q]∈C1×Q；
S13.各个反向散射设备以时分复用的方式将其估计的前向信道向量反馈至协同接收机；
S14.射频信号源再次发送步骤S11中的导频信号；
S15.各个反向散射设备以时分复用的方式进行反向散射，协同接收机逐个估计各个反向散射设备的后向信道向量gk＝[g1，k f2，k … fM，k]T∈CM×1；
S16：协同接收机将直接链路信道矩阵H、所有反向散射设备的前向信道矩阵F及后向信道矩阵G反馈至射频信号源；
S17.射频信号源利用获取的信道信息来设计最优的发送波束赋形预编码矩阵，并用于发送数据信号；
S18.各个反向散射设备同时进行反向散射和射频能量收集；
S19.协同接收机首先从接收信号中检测来自射频信号源的数据信号，然后进行串行干扰消除，进而检测反向散射设备的数据信号。
进一步的，所述步骤S11中的导频符号可以是任何已知的符号，包括但不限于Zadoff-Chu序列、PN序列、以及其他具有较低峰均功率比的符号序列：
所述步骤S12中，各个反向散射设备将负载阻抗切换至匹配状态，没有信号被反向散射；
所述步骤S12和S15中，信道估计方法包括但不限于最小二乘(Least Square，LS)、最小均方误差(Minimum Mean Square Error，MMSE)等现有方法；
所述步骤S15中，各个反向散射设备的功率反射系数配置为协同接收机已知的固定常数；协同接收机首先利用已知的发送导频信号和估计的直接链路信道矩阵H，将来自直接链路的导频信号从接收信号中消除，然后利用反馈得到的前向信道向量fk，逐个估计各个反向散射设备的后向信道向量gk；前述功率反射系数是取值为0到1之内的非负实数，其定义为反向散射系数(该系数由天线阻抗和负载阻抗决定，是绝对值不超过1的复数)的绝对值的平方。
所述步骤S17中，射频信号源发送数据信号的波束赋形预编码矩阵采用本发明提出的优化方法(后文有详细阐述)；
所述步骤S18中，各个反向散射设备按照功率反射系数对部分入射信号进行反向散射，并从余下的射频信号中收集能量；本发明中，所有反向散射设备以空分复用(SpatialDivision Multiple Access，SDMA)的方式同时进行反向散射，协同接收机检测各个设备的数据信号。
下面，详细介绍在数据发送阶段的信号处理流程，进而提出优化的波束赋形设计方法。
射频信号源在第n个符号周期内的发送信号记为a(n)＝[a1(n)，…，aQ(n)]T∈CQ×1，其中n＝1，2，…。射频信号源发送的基带信号s(n)可表示为：
其中，W是波束赋形预编码矩阵。设定射频信号源在所有发送天线上的总发送功率不超过固定值P，即
所有反向散射设备的发送信号向量记为x(n)＝[x1(n)，…，xK(n)]T∈CK×1，其中xk(n)表示第k个反向散射设备的发送信号，k＝1，...，K。假设信号xk(n)之间相互独立，并且遵从相同的循环对称复高斯(Circularly Symmetric Complex Gaussian，CSCG)分布，即 第k个反向散射设备的功率反射系数记为λk，相应的功率反射系数矩阵记为其中diag{…}表示以大括号内数值为对角线元素的对角矩阵。
协同接收机不仅接收来自射频信号源的直接链路信号，同时也接收从反向散射设备反向散射过来的信号。协同接收机接收到的信号y(n)可表示为：
其中，z(n)∈CM×1是加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)，均值为0、功率为σ2，即
由于反向散射链路信号受到两次信道衰落，其强度明显弱于直接链路信号。因此，协同接收机首先将反向散射链路信号视为干扰并检测来自射频信号源的信号s(n)(也即a(n))，然后重构直接链路信号并将其从接收信号中消除，最后检测来自反向散射设备的信号x(n)。下面分析可以达到的通信速率性能。
协同接收机首先解码射频信号源的信号s(n)。根据反向散射链路信号(视为干扰)和噪声信号z(n)之间的独立性，干扰及噪声信号的协方差矩阵可表示为：
其中，第二个等式来自于x(n)和s(n)之间的相互独立性，第三个等式中的diag{T}表示由矩阵T的对角线元素构成的对角矩阵。直接链路的通信速率可记为：
在得到射频信号源发送信号的估计后，协同接收机首先进行串行干扰消除(Succissive Interference Cancellation，SIC)，即将重构的直接链路信号从接收信号y(n)中去除，然后检测反向散射设备的信号x(n)。假定协同接收机能够进行理想的串行干扰消除，所有反向散射设备的反向散射链路的和速率可记为：
第k个反向散射设备的能量转换效率记为ηk∈(0，1)。第k个反向散射设备在单位时间内收集的能量可表示为：
进一步的，在所述步骤S17中，本发明还提供一种多天线共生无线通信系统的发送波束赋形优化设计方法。以最大化所有反向散射设备的反向散射链路总速率Cb(W)为目标，在直接链路速率需求、反向散射设备能量收集需求、射频信号源发送功率限制、以及功率反射系数的约束下，优化发送波束赋形矩阵W。具体优化问题如下：
P1：maxWCb(W) (7a)
s.t.Cd(W)≥Cmin (7b)
Ek(W)≥Emin，k，for k＝1，…，K (7c)
Tr(W)≤P (7d)
0≤λk≤1，for k＝1，…，K (7e)
其中，正常数Cmin表示直接链路通信的最低速率需求，正常数Emin，k表示第k个反向散射设备的最低收集能量需求，P表示射频信号源的最大发送功率，约束(7e)是功率反向散射系数的范围限制，K是反向散射设备的数量。
以上优化问题(P1)的目标函数(7a)是凹函数，并且约束条件(7c)和(7d)关于矩阵W是线性的。然而，约束条件(7b)左边的函数Cd(W)是两个与W有关的凹函数ln det(.)的差，既不是凸函数也不是凹函数。因此问题(P1)是非凸优化问题。
进一步的，本发明提出一种基于序列参数化凸逼近(Sequential ParametricConvex Approximation，SPCA)的高效迭代算法来求解问题7，得到所述步骤S17中的发送波束赋形优化设计方案。
更具体的，在第j(j≥0)次迭代中，对非凸约束(7b)中的直接链路速率Cd(W)进行近似。由于函数ln det(X)可在任一点X0附近被以下一阶泰勒展开的线性函数所近似
第(j-1)次迭代中得到的最优波束赋形矩阵记为Wj-1。通过应用公式(8)式在点Wj-1处的估计，如公式(9)所示，约束函数Cd(W)能够被其下界函数C′d(W，Wj-1)(由公式(10)给出)进行近似。
Cd(W)≥C′d(W，Wn-1) (公式9)
即是，在第j步迭代中，原始非凸问题(P1)可以被下面的凸优化问题近似，
P2：maxWCb(W) (10a)
s.t.C′d(W，Wj-1)≥Cmin (10b)
Ek(W)≥Emin，k，for k＝1，…，K (10c)
Tr(W)≤P (10d)
本发明通过应用SPCA技术提出了针对问题(P1)的迭代求解算法。在每次迭代中，以上一次迭代中得到的最优解作为中心对直接链路速率Cd(W)进行近似。迭代算法终止的判决门限值(很小的正数)记为∈。具体而言，如图5所示，本发明所提出的波束赋形优化方法包括以下步骤：
步骤S21：初始化可行解W0、及小正数∈(例如10-8)，令j＝0；
步骤S22：计算Cb(W0)；
步骤S23：求解(P2)，得到解W1；
步骤S24：判断|Cb(Wj+1)-Cb(Wj)|＞∈是否满足，如果满足，进入步骤S25，否则进入步骤S27；
步骤S25：求解(P2)，得到解Wj+2；
步骤S26：令j＝j+1；
步骤S27：返回最优解W*＝Wj+1。
因为在每次迭代中只需要解决一个凸优化问题，算法复杂度较低。因此，上述算法在多用户共生无线通信系统中可以快速收敛。
下面通过仿真实验来验证本发明的有益效果。考虑一个具有两个反向散射设备(K＝2)的共生无线通信系统，协同接收机配置两根接收天线(M＝2)。射频信号源的载波频率设置为915兆赫兹。假设信道hm，q，fk，q为独立的瑞利衰落信道，信道系数都服从零均值的复高斯分布。对于射频信号源与协同接收机的距离为10米，信道hm，q的功率增益为βh＝E[|hm，q|2]＝10-5，射频信号源与反向散射设备的距离为9米，信道fk，q的功率增益为βf＝E[|fk，q|2]＝10-3.5。实际应用中反向散射设备和协同接收机距离较短，因此假设信道gm，k服从因子为2的莱斯衰落，信道功率增益为βg＝E[|hm，k|2]＝10-1.5。功率反射系数设为λk＝0.2，(k＝1，...，K)。射频信号源的发送功率P＝1瓦特，每个反向散射设备的信号功率为ξ＝0.5瓦特(W)，因此接收端直接链路信号的强度是反向散射链路信号强度的10倍。协同接收机的噪声功率根据直接链路信噪比计算而得到。每个反向散射设备的能量转换效率为η＝0.5。所有速率性能是对1000次随机信道实现后取平均得到。算法1的每一步迭代，问题(P2)的求解使用CVX工具包。为进行性能比较，考虑一种射频信号源采用全向传输的基准方案，即波束赋形预编码矩阵W为Q阶单位矩阵。
图3示出了最优波束赋形和全向传输两种方案下反向散射链路和速率随着信噪比的变化情况。设定每个反向散射设备的接收能量需求为Emin＝0.01毫瓦(mW)，直接链路速率要求为Cmin＝0.6bit/sec/Hz(bps/Hz)。首先，对于每条速率曲线，总和速率随着SNR增加而增加。进一步地，与全向传输相比，最佳波束赋形显着增强了反向散射链路和速率。这是因为射频信号源形成朝向反向散射设备和协同接收机的多个波束，增强了直接链路和反向散射链路的接收功率。并且，对于最佳波束赋形或全向传输，当射频信号源的发送天线数目Q从2增加到4，可以取得更高的和速率。
图4示出了不同直接链路速率需求Cmin对反向散射链路和速率Cb的影响。设定射频信号源的天线数量为Q＝2，每个反向散射设备的能量需求为Emin.1＝Emin.2＝0.01mW，直接链路速率需求Cmin分别为0.3，0.6，0.9和1.2bps/Hz。图中作出了在不同直接链路速率需求Cmin下反向散射链路总速率Cb和SNR的关系曲线。对于每条速率曲线，和速率仍然随着SNR的增加而增加。仿真结果表明，反向散射链路和速率Cb与直接链路速率需求Cmin之间存在折衷。例如，对于直接链路SNR＝16dB，当Cmin从1.2bps/Hz降低到0.3bps/Hz时，Cb从1.0bps/Hz增加到1.4bps/Hz。这是因为根据直接链路速率需求，射频信号源必须平衡波束之间朝向反向散射设备和协同接收机的功率。
图5示出了反向散射设备在不同能量需求下的反向散射链路和速率。固定射频信号源天线数为Q＝2、直接链路速率需求为Cmin＝0.6bps/Hz。设置每个反向散射设备的能量需求分别改变为Emin，1＝Emin，2＝0.02，0.04，0.06，0.08，0.1mW。图中作出了反向散射设备在不同能量需求Emin下反向散射链路和速率Cb与SNR之间的关系。对于每条速率曲线，反向散射设备和速率Cb随着SNR的增加而增加。仿真结果表明，反向散射设备和速率Cb与能量需求Emin之间存在折衷。例如，对于直接链路SNR＝14dB，当Emin从0.1mW降至0.02mW时，和速率Cb从0.8bps/Hz增加到1.05bps/Hz。这是因为每个反向散射设备需遵从能量守恒定律，反向散射功率随着收集功率的降低而增加。
Claims (8)
1.多天线共生无线通信系统，包括一个多天线的射频信号源，多个反向散射设备、以及一个多天线协同接收机，其特征在于：
所述射频信号源配置多根天线用于信号的发送和接收，包括信道估计和反向散射通信两种模式：
1)信道估计模式，系统有两种工作方式：
a、射频信号源发送下行导频信号，反向散射设备估计其与射频信号源之间的前向信道，协同接收机估计其与射频信号源之间的直接链路信道；
b、射频信号源发送下行导频信号，反向散射设备以固定反向散射系数进行反向散射，协同接收机估计其与反向散射设备之间的后向信道；
2)反向散射通信模式，射频信号源发送下行数据信号，每一个反向散射设备通过改变负载阻抗以改变它反向散射信号的幅值和相位的方法调制接收到的环境信号；
所述协同接收机先检测来自射频信号源的信号，然后进行串行干扰消除，最后检测来自反向散射设备的信号。
2.用于如权利要求1所述多天线共生无线通信系统的信号传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
S11.射频信号源发送导频信号；
S12.协同接收机接收导频信号并估计直接链路信道矩阵H，各个反向散射设备接收导频信号并估计其前向信道向量fk＝[fk,1fk,2…fk,Q]∈C1×Q；
S13.各个反向散射设备以时分复用的方式将其估计的前向信道向量反馈至协同接收机；
S14.射频信号源再次发送步骤S11中的导频信号；
S15.各个反向散射设备以时分复用的方式进行反向散射，协同接收机逐个估计各个反向散射设备的后向信道向量gk＝[g1,kf2,k…fM,k]T∈CM×1；
S16：协同接收机将直接链路信道矩阵H、所有反向散射设备的前向信道矩阵F及后向信道矩阵G反馈至射频信号源；
S17.射频信号源利用获取的信道信息来设计最优的发送波束赋形预编码矩阵，并用于发送数据信号；
S18.各个反向散射设备同时进行反向散射和射频能量收集；
S19.协同接收机首先从接收信号中检测来自射频信号源的数据信号，然后进行串行干扰消除，进而检测反向散射设备的数据信号。
3.根据权利要求2所述的信号传输方法，其特征在于，所述步骤12中，各个反向散射设备将负载阻抗切换至匹配状态，使得没有信号被反向散射。
4.根据权利要求3所述的信号传输方法，其特征在于，所述步骤S12和S15中，信道估计方法为最小二乘或最小均方误差。
5.根据权利要求4所述的信号传输方法，其特征在于，所述步骤S15中，各个反向散射设备的功率反射系数配置为协同接收机已知的固定常数；协同接收机首先利用已知的发送导频信号和估计的直接链路信道矩阵H，将来自直接链路的导频信号从接收信号中消除，然后利用反馈得到的前向信道向量fk，逐个估计各个反向散射设备的后向信道向量gk；所述功率反射系数是取值为0到1范围之内的非负实数，其定义为反向散射系数的绝对值的平方。
6.根据权利要求5所述的信号传输方法，其特征在于，所述步骤S18中，各个反向散射设备按照功率反射系数对部分入射信号进行反向散射，并从余下的射频信号中收集能量。
7.根据权利要求6所述的信号传输方法，其特征在于，所有反向散射设备以空分复用的方式同时进行反向散射，协同接收机检测各个反向散射设备的数据信号。
8.用于如权利要求1所述多天线共生无线通信系统的波束赋形优化方法，该优化方法以最大化所有反向散射设备的反向散射链路总速率Cb(W)为目标，在直接链路通信速率需求Cmin、反向散射设备能量收集需求Emin,k、射频信号源发送功率限制P、以及功率反射系数的约束下，优化发送波束赋形矩阵W，其特征在于：
建立优化问题为：
s.t.Cd(W)≥Cmin
Ek(W)≥Emin,k,fork＝1,…,K
Tr(W)≤P
0≤λk≤1,fork＝1,…,K
其中，正常数Cmin表示直接链路通信的最低速率需求，正常数Emin,k表示第k个反向散射设备的最低收集能量需求，P表示射频信号源的最大发送功率，约束λk是功率反向散射系数的范围限制，K是反向散射设备的数量；
采用迭代算法对建立的优化问题求解，设置迭代算法终止的判决门限值为∈，具体包括：
S21：初始化可行解W0、及小正数∈，令j＝0；
S22：计算Cb(W0)；
S23：求解：
s.t.C′d(W,Wj-1)≥Cmin
Ek(W)≥Emin,k,fork＝1,…,K
Tr(W)≤P
其中，直接链路和速率的下界为C′d(W,Wj-1)；
得到解W1；
S24：判断|Cb(Wj+1)-Cb(Wj)|>∈是否满足，如果满足，进入步骤S25，否则进入步骤S27；
S25：求解：
s.t.C′d(W,Wj-1)≥Cmin
Ek(W)≥Emin,k,fork＝1,…,KTr(W)≤P
得到解Wj+2；
S26：令j＝j+1；
S27：返回最优解W*＝Wj+1。
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