CN109547039B - 一种智能的环境反向散射通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能的环境反向散射通信方法，该方法中反向散射设备设定两种通信模式，一种是工作在反向散射通信模式下，充当无源传感器标签的功能，与其对应的信息接收机进行通信；另一种是工作在放大转发中继通信模式下，辅助射频发射机通信。无源设备可以根据射频通信用户间的通信质量，选择工作模式。具体而言，如果射频发射机和射频接收机的通信质量满足射频通信服务质量需求，反向散射设备通过反向散射通信模式进行信息传输，反之，则工作在中继通信模式下，辅助射频发射机与射频接收机通信。与传统的通信系统相比，本发明中提出的智能的环境散射通信方法，可以明显提升系统的通信性能。

Description

一种智能的环境反向散射通信方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别是基于环境反向散射技术的通信网络，具体涉及一种智能的环境反向散射通信方法。

背景技术

随着互联网的普及和发展，网络已经渗透到人们日常生活中的点点滴滴。如今不再是单纯地进行人与人之间的通信，而越来越迫切地需要与物体保持网络联系，这就是物联网日益蓬勃发展的原因。作为物联网的核心技术，射频识别技术依靠其便捷性与可靠性，在军事领域与商业领域迅速蔓延。但随着人们对物联网需求的不断升温，射频识别面临着通信距离短，路径损耗大及射频能源浪费等诸多发展问题。而环境反向散射(AmbientBackscatter)技术在一定程度上解决了这些难题。

环境反向散射技术是一种新颖的射频识别技术，反向散射设备(BackscatterDevice)可以将自己所需要传输的信息比特调制在周围环境的射频信号上，比如WIFI信号，电视塔信号，基站信号等，实现与其接收机之间的通信。环境反向散射技术利用环境中已存在的射频信号作为通信唯一的电力来源,而通信繁荣发展的今天，这种射频信号几乎无处不在，所以该技术几乎可以实现任何地点下设备之间的通信。在这个过程中，环境反向散射设备并不需要专门的射频发射机，可以避免频繁的更换电池和充电的麻烦，成本低，耗电少，其应用前景十分广阔,可以进一步推动移动物联网的发展，是一种绿色的通信技术。

目前，对环境反向散射通信方法的研究还处于起步阶段。在公开的文献资料上的关于环境反向散射通信方法的研究大多着眼于环境反向散射设备信号的检测，或者环境反向散射设备信号传输信息的方式，且通信方式较为单一。且目前研究的环境散射通信系统，反向散射设备不考虑射频链路的通信质量，当射频链路的通信质量较差的时候仍然进行通信，这严重干扰了射频链路设备间的通信，针对以上问题，我们提出了一种智能的环境反向散射通信方法，散射设备依据射频通信设备间的通信质量决定通信模式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能的环境反向散射通信方法，用于解决现有环境散射通信系统中，反向散射设备与其接收机通信时，影响射频通信的通信质量问题。与传统的通信技术相比，该方法在保证射频通信质量的同时，可以显著的提高通信系统的吞吐量。

本发明通过如下的技术方案予以实现：

一种智能的环境反向散射通信方法，该方法采用的环境反向散射通信系统包括射频发射机，射频接收机，反向散射设备及其信息接收机，该方法包括以下步骤：

1)信道估计阶段：射频发射机实时估计所有的信道信息，并将相关的信道信息发送给反向散射设备；

2)通信模式选择阶段：反向散射设备接收信道信息并依据信道信息，确定当前的工作模式；工作模式包括反向散射通信模式和中继通信模式，如果射频发射机和射频接收机的通信质量满足射频通信服务质量需求，即射频接收机接收到的信干噪比大于译码射频源信号的信干噪比阈值γ_th，则反向散射设备工作在反向散射通信模式下，与其信息接收机建立通信，此时反向散射设备相当于一个无源的标签节点；反之，则工作在中继通信模式下，辅助射频发射机与射频接收机通信，此时反向散射设备相当于一个放大转发中继，默认工作状态为放大转发中继通信模式。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，射频发射机通过发送导频，实时估计射频发射机到射频接收机之间的直接链路信道信息，和射频发射机到反向散射设备再到射频接收机间的散射链路信道信息，并将这些信道信息发送给反向散射设备。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，反向散射设备依据信道信息自适应的选择工作模式，工作模式包含反向散射通信模式和中继通信模式；当反向散射设备处于反向散射通信模式时，反向散射设备的信息接收机采用SIC检测器。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，设定通信网络中包括一个射频发射机S，一个射频接收机D，一个反向散射设备C以及反向散射设备C的信息接收机R；

当反向散射设备C处于反向散射通信模式时，此时射频接收机D接收到的信号y_d1为：

上式中，P_s表示射频发射机的发送功率，α表示路径损耗系数，x表示射频发射机发送的信息信号，并且E{|x|²}＝1；c表示反向散射设备发送的信息信号，η表示反向散射设备的反向散射系数；w表示热噪声，

d_(a,b)和h_(a,b)分别表示设备a和设备b间的距离和小尺度衰落，这里a,b∈{S,D,R,C}；

此时，射频接收机D接收到的用于译码信号x的信干噪比γ_d1为

信息接收机R接收到的信号y_r1为

对于反向散射设备C的信息接收机R而言，其检测的信号c附着在射频信号x上，且包含信号c的散射信号较弱，因此这里采用SIC检测，先检测出射频发射机发送的射频信号x，然后消除射频信号x的影响，再去检测反向散射设备发送的信息信号c；在检测射频信号x时，反向散射设备C的信息接收机R端接收到的对应的信干噪比γ_r为

在消除射频信号的干扰后，反向散射设备C的信息接收机R接收到的信噪比

为

当反向散射设备C处于反向散射通信模式时，射频发射机S和射频接收机D之间的通信发生中断的概率

为

上式中，

是服从指数分布的随机变量||h_(S,D)||²的均值，

是服从指数分布的随机变量||h_(S,C)||²的均值，

是服从指数分布的随机变量||h_(C,R)||²的均值；γ₀是正确译码信号x的信干噪比门限，

这里R_x表示信号x的传输速率；

是指数积分函数；

反向散射设备C与其信息接收机R之间的通信发生中断的情况与射频发射机S和射频接收机D之间的通信发生中断的情况是不同的；当反向散射设备C工作在反向散射通信模式下时，反向散射设备C与其信息接收机R之间的通信发生中断包括两部分，当信息接收机R不能正确恢复射频信号的信息时，反向散射设备C与其信息接收机R之间的通信发生中断；其次，当信号x的信息能够正确译码时，如果信息接收机R接收到的关于反向散射设备C的信息c的信噪比低于门限γ_b时也会发生中断，这里

R_b表示反向散射设备的传输速率，因此能够得到反向散射设备C与其信息接收机R之间的通信发生中断的概率

为

上式中

上述的表达式中涉及到的函数

相关的系数为

其中，

是服从指数分布的随机变量||h_(S,R)||²的均值，

是服从指数分布的随机变量||h_(C,D)||²的均值。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，当反向散射设备C处于中继通信模式时，此时射频接收机D接收到的信号y_d2为：

这里，反向散射设备C辅助射频发射机S和射频接收机D进行通信，此时，反向散射设备C依据信道信息发送一个复信号

其相位和幅度通过阻抗调节实现；此时，接收机D接收到的信噪比γ_d2为

此时能够得到当反向散射设备C工作在中继通信模式下，射频发射机S和射频接收机D之间的通信发生中断的上界为

上式中，

K_n(z)表示n阶第二类修正贝塞尔函数；很显然，此处得到的中断概率是比实际系统发生的中断要大；

考虑时间概率关系，则系统的吞吐量为

C_sum＝C_B1+C_B2+C_R

上式中，C_B1为反向散射设备C工作在散射通信模式下，射频发射机S和射频接收机D之间通信的吞吐量；C_B2为反向散射设备C工作在反向散射通信模式下，反向散射设备C与其信息接收机R之间通信的吞吐量；C_R为反向散射设备C工作在放大转发中继通信模式下，射频发射机S和射频接收机D之间通信的吞吐量，它们分别为

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种智能的环境反向散射通信方法，该方法中，反向散射设备可以根据射频通信用户间的通信质量，选择工作模式，尤其在射频通信质量较差的时候，无源的散射标签可以辅助射频通信用户间进行通信。从仿真结果来看，与传统的环境反向散射通信系统的通信方式相比，能够看出本发明中提出的智能的环境散射通信方法，可以明显提升系统的通信性能。

附图说明

图1为本发明中整个系统的模型框图；

图2为中断概率随发送功率P的变化图；

图3为系统吞吐量随发送功率P的变化图；

图4为系统吞吐量随散射节点传输速率的变化图；

图5为系统吞吐量随反射系数η的变化图。

图3-图5同时也提供了本发明中提出的方法与传统的通信方式的系统吞吐量的对比。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

假设环境散射通信系统包括一个射频发射机S，一个射频接收机D，一个反向散射设备C和设备C的信息接收机R。h_(a,b)是设备a与设备b之间的小尺度衰落，d_(a,b)是设备a与设备b之间的距离，(a,b)∈{S,D,C,R}。

参见图1，本发明提供了一种智能的环境反向散射通信方法，包括以下步骤：

1)信道估计阶段：射频发射机实时估计信道信息h_(S,D)和h_(S,C)·h_(C,D)，并将此信道信息发送给反向散射设备；

2)通信模式选择阶段：反向散射设备依据信道信息，确定当前的工作模式。工作模式包括反向散射通信模式和中继通信模式，如果射频发射机与射频接收机之间的通信质量满足射频通信服务质量需求，即射频接收机接收到的信干噪比大于译码射频源信号的信干噪比阈值γ_th，则反向散射设备工作在反向散射通信模式下，与其信息接收机建立通信，此时反向散射设备相当于一个无源的标签节点；如果射频发射机与射频接收机之间的通信质量已无法满足射频通信服务质量需求，则反向散射设备工作在中继通信模式下，辅助射频发射机与射频接收机进行通信，此时反向散射设备相当于一个特殊的放大转发中继。默认工作状态为放大转发中继通信模式。由于无源的环境反向散射设备以接收到的射频信号为载波，所以过程中不产生噪声，其工作在放大转发中继通信模式下，仅是发送特定的信息，并将该信息调制到射频信号上，相比于传统的放大转发中继，避免了噪声信号的放大。对于无源的环境反向散射设备而言，选择不同的工作模式，仅取决于发送何种数据包，并不需要太过复杂的处理过程。

当反向散射设备处于反向散射通信模式时，此时射频接收机D接收到的信号y_d1为：

上式中，x为射频发射机的信息信号，并且E{|x|²}＝1，c为反向散射设备的信息信号，η是反向散射设备的反射系数，

是加性高斯白噪声，射频发射机的发送功率为P_s。相应地，射频接收机D的接收到的信干噪比γ_d1为

当反向散射设备处于反向散射通信模式时，反向散射设备的信息接收机会接收到直接来自于射频发射机的信号

和来自于反向散射设备的散射信号

反向散射设备的信息接收机R接收到的信号y_r1为

从上述表达式中可以看到，因为反向散射设备的散射信号是从射频发射机到反向散射设备再到其信息接收机，在这个过程中，该信号经历了两次衰落，且与直接来自于射频发射机的信号相比，有更大的路径损耗，所以接收到的直接来自射频发射机的信号典型的强于反向散射设备的散射信号；其次，来自反向散射设备的散射信号中也包含射频发射机的信息信号x。基于这两个特点，反向散射设备的信息接收机采用SIC检测器。

接收机R先检测信号x，此时，接收机R接收到对应的信干噪比γ_r为

在检测x后，消除信号x的影响，接收机R译码反向散射设备的信息信号c，当信号x被成功检测后，译码信号c所对应的信噪比

为

当反向散射设备C处于环境散射通信模式时，射频发射机S和射频接收机D之间的通信发生中断的概率

为

上式中，

是服从指数分布的随机变量||h_(S,D)||²的均值，

是服从指数分布的随机变量||h_(S,C)||²的均值，

是服从指数分布的随机变量||h_(C,R)||²的均值。γ₀是正确译码信号x的信干噪比门限，

这里R_x表示信号x的传输速率。

是指数积分函数。

反向散射设备C与其信息接收机R之间的通信发生中断的情况与射频发射机S和射频接收机D之间的通信发生中断的情况是不同的。当反向散射设备C工作在散射通信模式下时，反向散射设备C与其信息接收机R之间的通信发生中断包括两部分，当接收机R不能正确恢复射频信号的信息时，反向散射设备C与其信息接收机R之间的通信发生中断；其次，当信号x的信息可以正确译码时，如果接收机R接收到的关于散射设备C的信息c的信噪比低于门限γ_b时，也会发生中断，因此可以得到反向散射设备C与其信息接收机R之间的通信发生中断的概率

为

上式中

上述的表达式中涉及到的函数

相关的系数为

其中，

是服从指数分布的随机变量||h_(S,R)||²的均值，

是服从指数分布的随机变量||h_(C,D)||²的均值。

在步骤2)中，当反向散射设备C处于放大转发中继通信模式时，此时射频接收机D接收到的信号y_d2为：

这里，反向散射设备C辅助射频发射机S和射频接收机D进行通信，此时，反向散射设备C依据信道信息发送一个复信号

其相位和幅度可以通过阻抗调节实现。此时，接收机D接收到的信噪比γ_d2为

此时我们可以得到当反向散射设备C工作在放大转发模式下，射频发射机S和射频接收机D之间的通信发生中断的上界为

上式中，

K_n(z)表示n阶第二类修正贝塞尔函数。很显然，我们这里得到的中断概率是比实际系统发生的中断要大的。

在步骤2)中，考虑时间关系，则系统的吞吐量为

C_sum＝C_B1+C_B2+C_R

上式中，C_B1为反向散射设备C工作在散射通信模式下，射频发射机S和射频接收机D之间通信的吞吐量；C_B2为反向散射设备C工作在散射通信模式下，反向散射设备C与其信息接收机R之间通信的吞吐量；C_R为反向散射设备C工作在放大转发中继模式下，射频发射机S和射频接收机D之间通信的吞吐量，它们分别为

仿真实验和效果分析：

仿真参数：通信设备间的距离为d_(S,D)＝2m，d_(S,C)＝2m，d_(C,D)＝3m，d_(C,R)＝2m，d_(S,R)＝2m，对应的小尺度衰落均服从瑞利衰落，且||h_(a,b)||²,(a,b)∈{S,D,C,R}的均值为1，反向散射设备的反射系数η＝1。

根据上表的参数仿真了本发明提出的系统的中断概率和吞吐量的性能曲线，并仿真了不同参数对系统性能的影响。

图2中菱形和三角形分别表示反向散射设备工作在反向散射通信模式下和工作在放大转发中继通信模式下，射频发射机和射频接收机之间通信的中断概率的仿真结果；点划线和实线分别表示反向散射设备工作在反向散射通信模式下和工作在放大转发中继通信模式下，射频发射机和射频接收机之间通信的中断概率的分析结果；圆形和虚线对应的是反向散射设备工作在反向散射通信模式下，反向散射设备和其信息接收机通信中断概率的仿真结果和分析结果，分析结果给的是中断概率的上界。图3-图5中的C_B1为反向散射设备C工作在散射通信模式下，射频发射机S和射频接收机D之间通信的吞吐量；C_B2为反向散射设备C工作在散射通信模式下，反向散射设备C与其信息接收机R之间通信的吞吐量；C_R为反向散射设备C工作在放大转发中继模式下，射频发射机S和射频接收机D之间通信的吞吐量，C_sum系统的总吞吐量，C_t为传统通信系统的总吞吐量。从图3-图5中能够看出本发明中提出的智能的环境散射通信方式与传统的通信方式相比，可以明显提升系统的通信性能。

Claims (5)

1.一种智能的环境反向散射通信方法，其特征在于，该方法采用的环境反向散射通信系统包括射频发射机，射频接收机，反向散射设备及其信息接收机，该方法包括以下步骤：

1)信道估计阶段：射频发射机实时估计所有的信道信息，并将相关的信道信息发送给反向散射设备；

2)通信模式选择阶段：反向散射设备接收信道信息并依据信道信息，确定当前的工作模式；工作模式包括反向散射通信模式和中继通信模式，如果射频发射机和射频接收机的通信质量满足射频通信服务质量需求，即射频接收机接收到的信干噪比大于译码射频源信号的信干噪比阈值γ_th，则反向散射设备工作在反向散射通信模式下，与其信息接收机建立通信，此时反向散射设备相当于一个无源的标签节点；反之，则工作在中继通信模式下，辅助射频发射机与射频接收机通信，此时反向散射设备相当于一个放大转发中继，默认工作状态为放大转发中继通信模式。

2.根据权利要求1所述的一种智能的环境反向散射通信方法，其特征在于，步骤1)中，射频发射机通过发送导频，实时估计射频发射机到射频接收机之间的直接链路信道信息，和射频发射机到反向散射设备再到射频接收机间的散射链路信道信息，并将这些信道信息发送给反向散射设备。

3.根据权利要求2所述的一种智能的环境反向散射通信方法，其特征在于，步骤2)中，反向散射设备依据信道信息自适应的选择工作模式，工作模式包含反向散射通信模式和中继通信模式；当反向散射设备处于反向散射通信模式时，反向散射设备的信息接收机采用SIC检测器。

4.根据权利要求3所述的一种智能的环境反向散射通信方法，其特征在于，步骤2)中，设定通信网络中包括一个射频发射机S，一个射频接收机D，一个反向散射设备C以及反向散射设备C的信息接收机R；

当反向散射设备C处于反向散射通信模式时，此时射频接收机D接收到的信号y_d1为：

上式中，P_s表示射频发射机的发送功率，α表示路径损耗系数，x表示射频发射机发送的信息信号，并且E{|x|²}＝1；c表示反向散射设备发送的信息信号，η表示反向散射设备的反向散射系数；w表示热噪声，

d_(a,b)和h_(a,b)分别表示设备a和设备b间的距离和小尺度衰落，这里a,b∈{S,D,R,C}；

此时，射频接收机D接收到的用于译码信号x的信干噪比γ_d1为

信息接收机R接收到的信号y_r1为

对于反向散射设备C的信息接收机R而言，其检测的信号c附着在射频信号x上，且包含信号c的散射信号较弱，因此这里采用SIC检测，先检测出射频发射机发送的射频信号x，然后消除射频信号x的影响，再去检测反向散射设备发送的信息信号c；在检测射频信号x时，反向散射设备C的信息接收机R端接收到的对应的信干噪比γ_r为

在消除射频信号的干扰后，反向散射设备C的信息接收机R接收到的信噪比

为

当反向散射设备C处于反向散射通信模式时，射频发射机S和射频接收机D之间的通信发生中断的概率

为

上式中，

是服从指数分布的随机变量||h_(S,D)||²的均值，

是服从指数分布的随机变量||h_(S,C)||²的均值，

是服从指数分布的随机变量||h_(C,R)||²的均值；γ₀是正确译码信号x的信干噪比门限，

这里R_x表示信号x的传输速率；

是指数积分函数；

反向散射设备C与其信息接收机R之间的通信发生中断的情况与射频发射机S和射频接收机D之间的通信发生中断的情况是不同的；当反向散射设备C工作在反向散射通信模式下时，反向散射设备C与其信息接收机R之间的通信发生中断包括两部分，当信息接收机R不能正确恢复射频信号的信息时，反向散射设备C与其信息接收机R之间的通信发生中断；其次，当信号x的信息能够正确译码时，如果信息接收机R接收到的关于反向散射设备C的信息c的信噪比低于门限γ_b时也会发生中断，这里

R_b表示反向散射设备的传输速率，因此能够得到反向散射设备C与其信息接收机R之间的通信发生中断的概率

为

上式中

上述的表达式中涉及到的函数

相关的系数为

其中，

是服从指数分布的随机变量||h_(S,R)||²的均值，

是服从指数分布的随机变量||h_(C,D)||²的均值。

5.根据权利要求4所述的一种智能的环境反向散射通信方法，其特征在于，步骤2)中，当反向散射设备C处于中继通信模式时，此时射频接收机D接收到的信号y_d2为：

这里，反向散射设备C辅助射频发射机S和射频接收机D进行通信，此时，反向散射设备C依据信道信息发送一个复信号

其相位和幅度通过阻抗调节实现；此时，接收机D接收到的信噪比γ_d2为

此时能够得到当反向散射设备C工作在中继通信模式下，射频发射机S和射频接收机D之间的通信发生中断的上界为

上式中，

K_n(z)表示n阶第二类修正贝塞尔函数；很显然，此处得到的中断概率是比实际系统发生的中断要大；

考虑时间概率关系，则系统的吞吐量为

C_sum＝C_B1+C_B2+C_R

上式中，C_B1为反向散射设备C工作在散射通信模式下，射频发射机S和射频接收机D之间通信的吞吐量；C_B2为反向散射设备C工作在反向散射通信模式下，反向散射设备C与其信息接收机R之间通信的吞吐量；C_R为反向散射设备C工作在放大转发中继通信模式下，射频发射机S和射频接收机D之间通信的吞吐量，它们分别为

Images