CN110224965A - 一种基于ofdm反向散射通信系统半盲接收机设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于OFDM反向散射通信系统半盲接收机设计方法。本发明提出的半盲信道估计算法不依赖环境信号的帧结构或者环境导频符号，仅依靠接收信号和环境信号调制阶数来估计信道信息，再利用有限个标签的导频符号区分不同发送符号对应的信道。距离检测算法操作简单，将估计得到的信道信息和参考信道信息进行比较，取距离较近的假设为相应的解调标签信号，参考信道是导频符号标记的估计信道。本发明的有益效果是：对环境信号全盲，适用于大规模接入的物联网通信系统，并且在信道估计的同时将标签信号解调，判决规则简单，大大降低了接收机的复杂度，有利于物联网系统的节能。

Description

一种基于OFDM反向散射通信系统半盲接收机设计方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种基于无线环境中的正交频分复用(OFDM)系统的反向散射通信系统的低复杂度半盲接收机设计方法。
背景技术
环境反向散射通信技术的提出，解决了传统的反向散射通信系统，如射频识别(RFID)系统、Bistatic(双站)反向散射系统的高消耗、低能效问题。该技术利用周围环境中的射频信号作为载波，标签接收载波信号，收集一部分信号的能量用来满足标签电路的正常工作。标签通过调节自身阻抗，改变反射信号的幅度和相位，将自身的信息加载到载波上并反向散射给接收机。接收机收到环境信号以及被标签信号调制了的环境信号，并通过检测算法将标签信号解调。环境反向散射通信的方式既不影响现有通信系统，又通过被动式通信的方式节约了能耗，是物联网通信系统的重要技术。传统的信道估计算法要求已知发送信号导频信息，依赖于环境信号，不能直接用在环境反向散射通信系统中。现有检测算法主要分为两类：能量检测和基于机器学习的检测，前者简单易操作但检测准确度差，后者检测性能好但需要迭代学习参数。环境反向散射通信系统的接收机设计应该平衡算法复杂度和性能，因为物联网系统的大连接特性需要考虑到能耗问题，并且要满足标签信号检测误码率要求。OFDM信号在4G、5G移动通信中广泛应用，包括LTE、WIFI等信号都采用OFDM调制方式，OFDM调制方式不仅能提高信号传输效率，还能有效地避免码间串扰。
发明内容
本发明基于环境反向散射通信系统，如图1所示，系统由发射机、标签和接收机构成，三个设备都配置单天线。为了在对环境信号全盲的情况下，将标签信号解调出来，本发明提出了针对频率选择性衰落信道的半盲信道估计和距离检测算法。本发明提出的半盲信道估计算法不依赖环境信号的帧结构或者环境导频符号，仅依靠接收信号和环境信号调制阶数来估计信道信息，再利用有限个标签的导频符号区分不同发送符号对应的信道。距离检测算法操作简单，将估计得到的信道信息和参考信道信息进行比较，取距离较近的假设为相应的解调标签信号，参考信道是导频符号标记的估计信道。
时域信道为频率选择性多径信道时，无线通信系统提出采用正交频分复用(OFDM)调制方式将发送符号通过不同子载波信道进行传输，以抵抗码间干扰。本发明提出的半盲信道估计和距离检测算法同样适用于频率选择性衰落信道，接收端将收到的经过各子载波信道的信号作为已知信息，利用半盲信道估计算法估计到标签信号所对应的OFDM子载波信道，并采用和平坦衰落信道相同的距离检测算法将标签信号解调。
本发明中OFDM信号的各个子载波信号采用相移键控(MPSK)调制，M为调制阶数。在实际系统中，对OFDM信号全盲是很实际的假定，因为在未来物联网系统，将有大量的标签设备接入，不依赖于OFDM信号的结构解调标签信号，这样的方法更加具有普适性，有利于大范围的推广。
根据无线通信系统的协议，图2示出了环境OFDM信号和标签信号的时域帧结构图，标签信号和OFDM信号等周期，每一个OFDM信号包含了Ncp个循环前缀(CP)符号和N个数据符号，标签在发送数据符号前首先发送两个导频符号。本发明假设标签信号和OFDM信号完美同步，这在实际中可以通过同步算法实现。
图1示出了本发明环境反向散射通信系统的模型，发送端、标签和接收机均配备一根天线，发送端到接收机和标签的信道分别是多径数为L的频率选择性衰落信道f和v，即f和v是L维的向量，每个向量元素表示一条径的时域信道响应，可表示为和标签到接收机为单径平坦衰落信道g。将f定义为直接链路信道，发送信号xq(n)经过信道f到达接收机，直接链路接收信号为发送信号和信道的卷积。
(这个和实施例里面的不一样，还有未知参数fl和Ll(已在加高亮部分定义了fl的含义))
反射链路信道为v和g的乘积。假设标签发送信号为c(n)，在时域上xq(n)先经过信道v后，再和标签信号c(n)相乘，并通过信道g到达接收机。
接收机接收到的时域信号为
√Ps是发送信号功率，u(n)是接收机噪声，服从复高斯分布CN(0,Σ)。
接收机端信号变换到频域后，第n个OFDM符号的第k个子载波的信号表示如下：
Yk(n)是第n个OFDM符号所对应的第k个子载波接收信号，Fk(n)是第n个OFDM符号所对应的第k个子载波频域直接链路信道响应，Vk(n)*g*c(n)是第n个OFDM符号所对应的第k个子载波频域反射链路信道响应。组合信道所以Hk(n)的值取决于对应于第n个OFDM符号的标签信号c(n)的取值。标签信号调制方式为OOK，即发送符号非0即1，状态为不反射和反射。所以，第n个接收信号的向量表示为：
其中，所以，基于信道的差异性，本发明将一个OFDM信号对应的K个子载波信道组成的信道向量H(n)的M次方G(n)的估计值作为判决统计量。标签信号发送的两个导频c(0)＝0及c(1)＝1，用作标记两种参考信道：和本发明利用了此特点，将标签发送数据符号时估计所得的信道参量与两种标记信道参量做比较，从而将标签符号解调，和平坦衰落信道时采用同样的判决规则，如(1.3)。不同的是，频率选择性衰落信道的估计值是一个N维向量，对应N个子载波信道组成的信道向量。所以对应于(1.3)的判决准则在频率选择性衰落信道时为：
本发明的有益效果是：对环境信号全盲，适用于大规模接入的物联网通信系统，并且在信道估计的同时将标签信号解调，判决规则简单，大大降低了接收机的复杂度，有利于物联网系统的节能。
附图说明
图1为本发明环境反向散射通信系统的系统框图；
图2为频率选择性衰落信道时环境OFDM信号和标签信号的帧结构框图；
图3为本发明环境反向散射通信系统的系统模型；
图4为本发明环境反向散射通信系统的接收机操作框图；
图5为本发明提出的接收机设计方案在频率选择性衰落信道的误码率性能。
具体实施方式
图3表示了本发明的系统框图，在此系统中有两个共存的通信系统：传统的OFDM系统，由射频源(比如卫星通信信号、WIFI、LTE信号等)、专用接收机(如手机终端)组成；环境反向散射通信系统，由射频源、标签和接收机组成。本发明关注环境反向散射通信系统，在该系统中，标签将自身信息加载在来自于射频源的OFDM信号上，传送到阅读器。标签的反向散射天线连接着负载阻抗的开关和射频能量收集模块，标签通过切换天线阻抗的开关进而改变反射信号的幅度和/或相位以调制接收到的OFDM载波，射频能量收集模块收集来自于环境中的OFDM信号的能量。
发送端OFDM信号的生成从生成N个频域MPSK符号sk(n)开始。首先，对频域符号做IFFT变换生成N个时域符号，再根据OFDM信号的生成规则，将时域符号的后Ncp个符号添加到信号的前端构成一个完整的时域OFDM信号，长度为(N+Ncp)。用xq(n)表示第n个OFDM符号对应的时域发送信号：
其中，q表示子载波的索引，不同子载波的发送符号有不同的频偏。
发送信号xq(n)经过信道f到达接收机，直接链路接收信号为发送信号和信道之间卷积。
其中，Ps是平均传输功率。标签端收到的低通信号为：
s(n)经过反射通过标签到接收机的信道，到达接收机。
接收机接收到的低通信号为：
接收机接收到信号y(n)后先将循环前缀去除，每个接收到的OFDM信号长度变为N，再进行N点FFT变换，将信号变换到频域。变换后第k个子载波上的信号表示为：
观察可知，标签信号两种假设：c(0)＝0及c(1)＝1的区别在于环境信号xq(n)前的信道不同：和两者的区别在于是否加上了反射链路的影响，但是由于反射系数较小，在低信噪比时，两者的差别并不大。本发明从降低接收机复杂度的角度出发，用估计所得信道来区分标签信号的两种假设。
在现实应用中不可能得到准确的信道信息，所以根据图2可发现，本发明设定，在标签信号发送数据之前，先发送两个导频信号：c(0)＝0，c(1)＝1，这两个标签信号所对应的估计信道作为参考信道：和
针对此规则，本发明设计了OFDM信号的子载波为MPSK调制时的频域信道估计算法。
信道相位估计利用了OFDM信号的结构特性以及MPSK信号的相位特性。以c(0)＝0作为示例，本发明提出的信道估计算法是低复杂度的，得到的估计值是信道相位的参量：
由于Yk(0)＝Hk(0)sk(0)+uk(0)，sk(0)是MPSK调制信号，
[Yk(0)]M＝[Hk(0)sk(0)+uk(0)]M＝[Hk(0)sk(0)]M+εk(0)
εk(0)是误差项，由噪声项和交叉项组成。观察sk(0)的相位特性可知，M倍的sk(0)相位等于2πm,m＝1,2,...,M，即[sk(0)]M＝1。故：
[Yk(0)]M＝[Hk(0)]M+εk(0)
本发明将作为信道的估计参量，并在信号判决时。受误差项εk(0)影响，是信道Hk(0)的M次方的估计。同样的，在标签信号发送导频c(1)＝1时，估计出信道Hk(1)的参量由于OFDM信号各个子载波符号经过不一样的子载波信道，所以一个OFDM信号所对应的信道是N维的，在每个子载波上进行同样的估计操作，并将对应于同一个标签信号的子载波信道组合成信道向量。以c(0)＝0为例，同样地，得到将和作为参考量，为标签信号的解调提供参考。假设第n个标签信号对应的估计信道参量为本发明提出的两种距离检测算法的判决规则为：
下面通过仿真结果来验证本发明设计的收发信机的性能。
图5示出了本发明提出的两种距离检测器在频率选择性衰落信道的性能。假定环境信号为QPSK调制的OFDM信号，一个OFDM信号有128个子载波，32个循环前缀符号，标签信号为OOK。并且，载波发送机到接收机以及标签的信道为8径频率选择性衰落信道，反射链路与直接链路的信噪比差别分别为20dB，10dB和0dB。对比发现，反射链路信噪比增加时检测性能相应提升。

Claims (1)

1.一种基于OFDM反向散射通信系统半盲接收机设计方法，所述反向散射通信系统包括均配置单天线的发射机、标签和接收机；所述方法用于频率选择性衰落信道，OFDM信号的各个子载波信号采用相移键控调制，调制阶数为M，标签信号和OFDM信号等周期，每一个OFDM信号包含了Ncp个循环前缀符号和N个数据符号，令标签信号和OFDM信号同步；所述方法包括：
令发射机到接收机和标签的信道分别是多径数为L的频率选择性衰落信道f和v，标签到接收机为单径平坦衰落信道g，将f定义为直接链路信道，发送信号xq(n)经过信道f到达接收机，直接链路接收信号为发送信号和信道之间卷积：
其中，是平均传输功率；
反射链路信道为v和g的乘积，令标签发送信号为c(n)，在时域上xq(n)先经过信道v后，再和标签信号c(n)相乘，并通过信道g到达接收机，反射链路接收信号为：
α表示标签的反射系数；
接收机接收到的时域信号为：
y(n)＝yd(n)+yb(n)+u(n)
u(n)是接收机噪声；
接收机端时域信号去循环前缀后变换到频域，第n个OFDM符号的第k个子载波的接收信号为：
其中，Fk(n)是第n个OFDM符号所对应的第k个子载波频域直接链路信道响应，Vk(n)gc(n)是第n个OFDM符号所对应的第k个子载波频域反射链路信道响应，组合信道所以Hk(n)的值取决于对应于第n个OFDM符号的标签信号c(n)的取值；
令标签采用二进制启闭键控，即发送符号非0即1，则第n个接收信号的向量表示为：
令标签在发送数据符号前首先发送两个导频符号c(0)＝0及c(1)＝1，将一个OFDM信号对应的N个子载波信道组成的信道向量H(n)的M次方G(n)的估计值作为判决统计量，将标签发送数据符号时估计所得的信道参量与两种标记信道参量和做比较，从而将标签符号解调：
其中，为N维向量，对应N个子载波信道组成的信道向量，
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