CN110430148A - 一种背向散射通信系统及其能量波束赋形的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种背向散射通信系统及其能量波束赋形的优化方法，属于无线通信系统，包括：在信道估计阶段，根据阅读器接收到的信道估计阶段的反弹信号估计背向散射信道状态信息；在信息传输阶段，根据各背向散射电路标签的接收信号计算能量收集速率；根据阅读器接收到的信息传输阶段的反弹信号，计算各背向散射电路标签的可达速率；根据能量收集速率和可达速率，以最大化标签最小可达速率为目标函数，结合电路功耗约束和阅读器的最大发送功率约束，构建波束赋形的优化模型；本发明充分考虑了无线能量传输与信息传输建立波束赋形的优化模型，更加能够保证背向散射通信系统的公平性及整体提升多用户背向散射系统的通信性能。

Description

一种背向散射通信系统及其能量波束赋形的优化方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种背向散射通信系统及其能量波束赋形的优化方法。
背景技术
近年来，无线供能背向散射通信(Wirelessly Powered BackscatterCommunication,WPBC)被广泛应用于具有多样化需求的物联网场景，该技术摒弃了产生射频信号所需的高功耗的模拟器件，无线设备不仅从环境中的无线信号中不间断的获取能量，还通过调整和反射环境中相同的无线信号来完成信息传输，因此显著降低了无线设备的功率消耗以及硬件成本，这使其成为解决未来无线通信能耗问题的关键技术之一。虽然背向散射电路标签可以实现微瓦级超低功耗通信，然而，由于标签收集少量的无线能量以及标签反射之后显著衰减信号功率，阻碍了无线供能背向散射通信系统提供更远距离和更高传输速率的通信。
能量波束赋形是一种将电磁能量集中到窄光束中以提高无线能量的传输效率的多天线技术，已经在传统的无线信号和能量同时传输(Simultaneous WirelessInformation and Power Transfer,SWIPT)系统中引起了广泛关注。能量波束赋形通常依赖于能量发射端到能量接收端的信道状态信息，然而，在无线供能背向散射通信中无法获得前向信道状态信息，因此利用能量波束赋形来提高能量传输效率以及增强反射信号功率并未得到系统的研究。并且无线能量传输与信息传输在波束设计中存在权衡关系，而现有的少量研究中要么只考虑能量效率最大化，要么只考虑信息传输速率最大化，没有更全面的考虑无线供能背向散射通信系统需求，因此，性能比较差。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种背向散射通信系统及其能量波束赋形的优化方法，旨在解决现有的无线供能背向散射通信系统因未兼容无线能量传输与信息传输对波束赋形进行设计，导致多用户无线供能背向散射通信系统的性能较差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种背向散射通信系统，包括：阅读器、K个背向散射电路标签和波束赋形模块；
阅读器用于获取背向散射信道状态信息，且采用波束赋形的方法为背向散射电路标签提供电路功耗能量和载波信号；
背向散射电路标签用于接收阅读器发射的载波信号，并将待获取的信息搭载在接收的载波信号上得到信息传输阶段的反弹信号传递至阅读器；
其中，背向散射信道状态信息利用阅读器接收到的信道估计阶段的反弹信号获取。
根据波束赋形方法，所述背向散射通信系统的工作阶段划分为信道估计阶段和信息传输阶段；
优选地，阅读器包括：M根发射天线、R根接收天线和信道估计模块；
M根发射天线和R根接收天线均与信道估计模块连接；
M根发射天线在信道估计阶段用于发射导频信号，在信息传输阶段为背向散射电路标签提供电路功耗能量和载波信号；R根接收天线用于接收信道估计阶段的反弹信号和信息传输阶段的反弹信号；信道估计模块根据阅读器接收到的信道估计阶段的反弹信号估计背向散射信道状态信息。
背向散射通信系统的工作阶段划分方法为：
在背向散射通信系统的一个时隙T个符号间隔中，将前α个符号间隔作为信道估计阶段，用于阅读器获取背向散射信道状态信息；将后T-α个符号间隔作为信息传输阶段，阅读器向背向散射电路标签传输能量，且背向散射电路标签向阅读器传递信息传输阶段的反弹信号。
另一方面，本发明提供了一种能量波束赋形的优化方法，包括：
(1)在信道估计阶段，阅读器依次向各背向散射电路标签发射导频信号，并且接收经其背向散射电路标签反射后的信道估计阶段的反弹信号；
(2)根据阅读器接收到的信道估计阶段的反弹信号，利用最小二乘法估计各背向散射电路标签对应的背向散射信道状态信息；
(3)根据各背向散射电路标签对应的背向散射信道状态信息，获取含有能量分配权重的波束赋形器；
(4)在信息传输阶段，阅读器通过波束赋形的方式向各背向散射电路标签发送载波信号，获取各背向散射电路标签的接收信号；
(5)根据各背向散射电路标签的接收信号，计算各背向散射电路标签对应的能量收集速率；
(6)满足能量收集速率超过电路功耗速率条件的背向散射电路标签向阅读器反射信息传输阶段的反弹信号，转至步骤(7)；
且不满足上述条件的背向散射电路标签持续接收阅读器发射的载波信号，并将其转换为直流电，直至背向散射电路标签的累积能量超过其电路功耗速率后向阅读器反射信息传输阶段的反弹信号，转至步骤(7)；
(7)根据阅读器接收到的各背向散射电路标签在信息传输阶段的反弹信号，计算各背向散射电路标签的可达速率；
(8)根据各背向散射电路标签的能量收集速率构建各标签的电路功耗约束，且根据各背向散射电路标签的可达速率建立最大化标签最小可达速率的优化目标函数；
(9)以最大化标签最小可达速率为目标函数，根据电路功耗约束和阅读器的最大发送功率约束，构建波束赋形的优化模型；
(10)利用波束赋形的优化模型优化波束向量、最佳信道估计时间和导频信号功率。
优选地，背向散射信道状态信息为：
其中，为背向散射信道状态信息；为阅读器接收的信道估计阶段的反弹信号；δk为第k个背向散射电路标签的反射系数；满足GHG＝IM；是以Dpce为对角线元素的对角矩阵；pce为每根发射天线发送的导频信号的功率；D为导频信号的长度；上标H为向量或矩阵的共轭转置；M为发射天线的条数；表示D×M维的矩阵空间；表示M×M维的矩阵空间；IM为M阶单位矩阵；
优选地，第k个背向散射电路标签的能量收集速率为：PEk＝η(1-δk)PIk；
其中，表示第k个背向散射电路标签的接收信号功率；表示求期望函数；u表示阅读器发送的载波信号；Φ表示波束赋形器；表示阅读器到各背向散射电路标签的前向信道向量；η∈(0,1]表示将载波信号转换为直流电的整流效率；δk为第k个背向散射电路标签的反射系数；
优选地，各背向散射电路标签的可达速率为：
其中，γk表示信干燥比；表示求期望函数；
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明构建的波束赋形的优化模型中的目标函数是根据各背向散射电路标签的可达速率建立，约束条件中的各标签的电路功耗约束是基于各背向散射电路标签的能量收集速率建立，充分考虑了无线能量传输与信息传输建立波束赋形的优化模型，与现有的波束赋形的设计要么只考虑能量效率最大化，要么只考虑信息传输速率最大化相比，本发明提出的能量波束赋形的优化方法更加能够保证背向散射通信系统的公平性及整体提升多用户背向散射系统的通信性能。
(2)考虑到阅读器获取前向和后向信道状态信息的艰难程度，本发明采用阅读器依次向各背向散射电路标签发送导频信号，并通过获取的信道估计阶段的反弹信号，估计阅读器到各背向散射电路标签再到阅读器的闭环链路的信道状态信息的响应矩阵，利用背向散射信道状态信息代替前向信道状态信息进行波束赋形极大地降低了实现的复杂度。
附图说明
图1是本发明提供的背向散射通信系统的结构示意图；
图2是本发明提供的能量波束赋形的优化方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种背向散射通信系统，包括：阅读器、K个背向散射电路标签和波束赋形模块；
阅读器用于获取背向散射信道状态信息，且采用波束赋形的方法为背向散射电路标签提供电路功耗能量和载波信号；
背向散射电路标签用于接收阅读器发射的载波信号，并将待获取的信息搭载在接收的载波信号上得到信息传输阶段的反弹信号传递至阅读器；
其中，背向散射信道状态信息利用阅读器接收到的信道估计阶段的反弹信号获取。
优选地，根据波束赋形方法，所述背向散射通信系统的工作阶段划分为信道估计阶段和信息传输阶段；
更为具体地，背向散射通信系统的工作阶段划分方法为：
在背向散射通信系统的一个时隙T个符号间隔中，将前α个符号间隔作为信道估计阶段，用于阅读器获取背向散射信道状态信息；将后T-α个符号间隔作为信息传输阶段，阅读器向背向散射电路标签传输能量，且背向散射电路标签向阅读器传递反弹信号。
优选地，阅读器包括：M根发射天线、R根接收天线和信道估计模块；
M根发射天线和R根接收天线均与信道估计模块连接；
M根发射天线在信道估计阶段用于发射导频信号，在信息传输阶段为背向散射电路标签提供电路功耗能量和载波信号；R根接收天线用于接收信道估计阶段的反弹信号和信息传输阶段的反弹信号；信道估计模块根据阅读器接收到的信道估计阶段的反弹信号估计背向散射信道状态信息。
如图2所示，另一方面，本发明提供了一种能量波束赋形的优化方法，包括：
(1)在信道估计阶段，阅读器依次向各背向散射电路标签发射导频信号，并且接收经其背向散射电路标签反射后的信道估计阶段的反弹信号；
具体地，阅读器依次向各背向散射电路标签发射导频信号，导频信号的序列为且满足GHG＝IM；表示D×M维的矩阵空间；IM表示M阶单位矩阵；且是以Dpce为对角线元素的对角矩阵；pce为每根发射天线发送的导频信号的功率；D为导频信号的长度；上标H为向量或矩阵的共轭转置；M为发射天线的条数；K个背向散射电路标签依次反射导频信号生成信道估计阶段的反弹信号；其第k个背向散射电路标签的反射系数为δk，
(2)根据阅读器接收到的信道估计阶段的反弹信号，利用最小二乘法估计各背向散射电路标签对应的背向散射信道状态信息；
具体地，阅读器根据接收的信道估计阶段的反弹信号利用最小二乘法可以估计出各背向散射电路标签对应的背向散射信道状态信息，其估计值为：其中，为背向散射信道状态信息；同理，也可基于最小均方误差(MMSE)算法、矩阵分解等方法估计本发明中的背向散射信道矩阵；
(3)根据各背向散射电路标签对应的背向散射信道状态信息，获取含有能量分配权重的波束赋形器；
具体地，含有能量分配权重的波束赋形器为：其中，并且表示阅读器M根发射天线到第k个背向散射电路标签，再到阅读器的第r根接收天线的背向散射信道向量；表示上述信道向量的共轭；
(4)在信息传输阶段，阅读器通过波束赋形的方式向各背向散射电路标签发送载波信号，获取各背向散射电路标签的接收信号；
第k个背向散射电路标签的接收信号为：
其中，u表示阅读器向各背向散射电路标签发送的载波信号；表示阅读器到各背向散射电路标签的前向信道向量；为噪声；表示M维的列向量空间；表示以零为均值，为方差的复高斯分布；
(5)根据各背向散射电路标签的接收信号，计算各背向散射电路标签对应的能量收集速率；
具体地，第k个背向散射电路标签的能量收集速率为：PEk＝η(1-δk)PIk；
其中，表示第k个背向散射电路标签的接收信号功率；表示求期望函数；u表示阅读器发送的载波信号；Φ表示波束赋形器；表示阅读器到各背向散射电路标签的前向信道向量；η∈(0,1]表示将载波信号转换为直流电的整流效率；δk为第k个背向散射电路标签的反射系数；
(6)满足能量收集速率超过电路功耗速率条件的背向散射电路标签向阅读器反射信息传输阶段的反弹信号，转至步骤(7)；
且不满足上述条件的背向散射电路标签持续接收阅读器发射的载波信号，并将其转换为直流电，直至背向散射电路标签的累计能量超过其电路功耗速率后向阅读器反射信息传输阶段的反弹信号，转至步骤(7)；
(7)根据阅读器接收到的各背向散射电路标签在信息传输阶段的反弹信号，计算各背向散射电路标签的可达速率；
优选地，阅读器在信息传输阶段的接收信号为其中，和分别表示前向信道矩阵和后向信道矩阵；s＝[s1,s2,...,sK]T表示背向散射电路标签搭便车发送的信号；pk＝δkPIk表示背向散射电路标签对载波信号的反射功率；μ是加性白噪声向量，表示Hadamard乘积；计算得到第k个背向散射电路标签的可达速率，可表示为其中，为信干燥比，其中qk H为线性检测器的第k列向量的共轭转置，表示第k个背向散射电路标签的后向信道的估计值，表示第i个背向散射电路标签的后向信道的估计误差，为该标签前向信道的函数，表示加性白噪声的功率；其计算方法为采用线性检测器作用于上述的接收信号y，得到第k个背向散射电路标签的接收信号其中，qk，εk分别为Q，ε的列向量，为估计误差，为后向信道矩阵的估计值；
需指明，阅读器在信息传输阶段的接收信号是在各背向散射电路标签的接收信号上搭载待获取的信息(背向散射电路标签搭便车发送的信号)得到的，也就是说各背向散射电路标签不仅接收阅读器发送的载波信号得到接收信号，同时也会将自身具有的待获取的信息通过反射的形式搭载在接收信号上得到反弹信号，阅读器接收信息传输阶段的反弹信号后，将通过计算不仅可获取背向散射电路标签的可达速率，同时也可获取待获取的信息，只是待获取信息是在实际应用中会比较关注，在构建波束赋形的优化模型的过程中并不需要特别关注；
(8)根据各背向散射电路标签的能量收集速率构建各标签的电路功耗约束，且根据各背向散射电路标签的可达速率建立最大化标签最小可达速率的优化目标函数；
(9)以最大化标签最小可达速率为目标函数，根据电路功耗约束和阅读器的最大发送功率约束，构建波束赋形的优化模型；
(10)利用波束赋形的优化模型优化波束向量、最佳信道估计时间和导频信号功率。
步骤(8)～(10)根据上述背向散射电路标签的可达速率以及能量收集速率，得到波束赋形优化模型的优化目标函数为：其中，约束条件为：式中，ζ＝[ζ1,ζ2,...,ζK]为波束赋形器Φ的能量分配权重，α为信道估计阶段所需的时间，pce表示每根天线发送导频序列的功率，Rk，PEk分别表示第k个背向散射电路标签的可达速率和能量收集速率，ρ为背向散射电路标签的电路功耗率。即，找到合适的波束赋形向量权重，保证给定的背向散射通信系统满足功率需求的基础上，最大化背向散射电路标签的最小可达速率；该波束赋形的优化模型的设计转换为典型的最大最小化的多目标优化问题，通过序列二次规划法(SQP)即可求解。
综上所述，本发明构建的波束赋形的优化模型中的目标函数是根据各背向散射电路标签的可达速率建立，约束条件中的各标签的电路功耗约束是基于各背向散射电路标签的能量收集速率建立，充分考虑了无线能量传输与信息传输建立波束赋形的优化模型，更加能够保证背向散射通信系统的公平性及整体提升多用户背向散射系统的通信性能。
本发明采用阅读器依次向各背向散射电路标签发送导频信号，并通过获取的信道估计阶段的反弹信号，估计阅读器到各背向散射电路标签再到阅读器的闭环链路的信道状态信息的响应矩阵，利用背向散射信道状态信息代替前向信道状态信息进行波束赋形极大地降低了实现的复杂度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种背向散射通信系统，其特征在于，包括：阅读器、K个背向散射电路标签和波束赋形模块；
阅读器用于获取背向散射信道状态信息，且采用波束赋形的方法为背向散射电路标签提供电路功耗能量和载波信号；
背向散射电路标签用于接收阅读器发射的载波信号，并将待获取的信息搭载在接收的载波信号上得到信息传输阶段的反弹信号传递至阅读器；
其中，背向散射信道状态信息利用阅读器接收到的信道估计阶段的反弹信号获取。
2.根据权利要求1所述的背向散射通信系统，其特征在于，根据波束赋形方法，所述背向散射通信系统的工作阶段划分为信道估计阶段和信息传输阶段。
3.根据权利要求2所述的背向散射通信系统，其特征在于，所述阅读器包括：M根发射天线、R根接收天线和信道估计模块；
所述M根发射天线和R根接收天线均与信道估计模块连接；M根发射天线在信道估计阶段用于发射导频信号，在信息传输阶段为背向散射电路标签提供电路功耗能量和载波信号；R根接收天线用于接收信道估计阶段的反弹信号和信息传输阶段的反弹信号；信道估计模块根据阅读器接收到的信道估计阶段的反弹信号估计背向散射信道状态信息。
4.根据权利要求2所述的背向散射通信系统，其特征在于，所述背向散射通信系统的一个时隙T个符号间隔中，将前α个符号间隔作为信道估计阶段，用于阅读器获取背向散射信道状态信息；将后T-α个符号间隔作为信息传输阶段，阅读器向背向散射电路标签传输能量，且背向散射电路标签向阅读器传递信息传输阶段的反弹信号。
5.基于权利要求1所述的背向散射通信系统的能量波束赋形的优化方法，其特征在于，包括：
S1在信道估计阶段，各背向散射电路标签依次接收导频信号并将其反射，获取信道估计阶段的反弹信号；
S2根据阅读器接收到的信道估计阶段的反弹信号，利用最小二乘法，估计各背向散射电路标签对应的背向散射信道状态信息；
S3根据背向散射信道状态信息，获取含有能量分配权重的波束赋形器；
S4在信息传输阶段，阅读器通过波束赋形的方式向各背向散射电路标签发送载波信号，获取各背向散射电路标签的接收信号，并计算各背向散射电路标签对应的能量收集速率；
S5满足能量收集速率超过电路功耗速率条件的背向散射电路标签向阅读器反射信息传输阶段的反弹信号，转至步骤S6；
且不满足上述条件的背向散射电路标签持续接收阅读器发射的载波信号，并将其转换为直流电，直至背向散射电路标签的累积能量超过其电路功耗速率后向阅读器反射信息传输阶段的反弹信号，转至步骤S6；
S6根据阅读器接收到的各背向散射电路标签在信息传输阶段的反弹信号，计算各背向散射电路标签的可达速率；
S7根据各背向散射电路标签的能量收集速率构建电路功耗约束，根据各背向散射电路标签的可达速率建立最大化标签最小可达速率的优化目标函数；
S8以最大化标签最小可达速率为目标函数，根据电路功耗约束和阅读器的最大发送功率约束，构建波束赋形的优化模型；
S9利用波束赋形的优化模型优化波束向量、最佳信道估计时间和导频信号功率。
6.根据权利要求5所述的优化方法，其特征在于，所述背向散射信道状态信息为：
其中，为背向散射信道状态信息；为阅读器接收的信道估计阶段的反弹信号；δk为第k个背向散射电路标签的反射系数；满足GHG＝IM；是以Dpce为对角线元素的对角矩阵；pce为每根发射天线发送的导频信号的功率；D为导频信号的长度；上标H为向量或矩阵的共轭转置；M为发射天线的条数；表示D×M维的矩阵空间；表示M×M维的矩阵空间；IM为M阶单位矩阵。
7.根据权利要求5或6所述的优化方法，其特征在于，第k个背向散射电路标签的能量收集速率为：PEk＝η(1-δk)PIk；
其中，表示第k个背向散射电路标签的接收信号功率；表示求期望函数；u表示阅读器发送的载波信号；Φ表示波束赋形器；表示阅读器到各背向散射电路标签的前向信道向量；η∈(0,1]表示将载波信号转换为直流电的整流效率；δk为第k个背向散射电路标签的反射系数。
8.根据权利要求5至7任一所述的优化方法，其特征在于，所述各背向散射电路标签的可达速率为：
其中，γk表示信干燥比；表示求期望函数。
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