CN110601738A - 一种基于频谱共享的环境反向散射阵列通信系统速率分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频谱共享的环境反向散射阵列通信系统速率分析方法，所述方法包括：首先，射频源根据它到协作接收机的信道，生成发送波束成形向量，对射频源发送信号进行处理；其次，协作接收机根据射频源到它的信道，生成主链路接收合并向量；然后，使用非相干检测方法，建立频谱共享的主链路的遍历速率性能分析模型；接着，协作接收机根据反向散射信道，生成次链路接收合并向量；最后，使用连续干扰消除方法和最大比合并方法，建立频谱共享的次链路的遍历速率性能分析模型。本发明应用于实际的环境反向散射阵列通信系统，分别给出了主、次链路遍历速率上界的表达式，能够有效地评估系统性能。

Description

一种基于频谱共享的环境反向散射阵列通信系统速率分析 方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于频谱共享的环境反向散射阵列通信系统速率分析方法。

背景技术

环境反向散射技术能够实现不受电池约束的低成本通信，在射频识别(RFID)和物联网(IoT)中具有良好的应用前景，引起国内外的广泛关注。在环境反向散射通信中，环境反向散射发射机从周围的射频信号波形中采集能量，驱动内部电路；同时，它将待发送信号调制到接收信号上，并反向散射给接收机，实现低速率的信息传输功能。环境反向散射发射机可以是低功耗的物联网终端。周围的射频信号波形可以由蜂窝网络中的基站提供，称之为射频源。射频源发送信号的接收机与环境反向散射信号的接收机可以是同一个设备，此时该设备被称为协作接收机。一个典型的应用场景是蜂窝网络中的智能手机同时从蜂窝基站和可穿戴传感器接收信号。

环境反向散射技术面临的主要挑战之一是处理来自射频源的较强的直接链路干扰。现有的信号处理方法和性能分析结果通常不能直接应用于环境反向散射系统中，相关的通信理论仍需完善。上述挑战的常见解决方案是将干扰视为背景噪声，并在接收端通过能量检测来解码反向散射信号。当环境反向散射复用射频源通信频段时，可以建立频率共享模型，将射频源到协作接收机的传输链路视为主链路，将环境反向散射传输链路视为次链路，并依次解码主、次链路的传输信号。本发明基于频谱共享理论，提出了一种适用于环境反向散射阵列通信系统的性能分析方法，射频源根据它到协作接收机的信道，生成发送波束成形向量；协作接收机根据射频源到它的信道和环境反向散射信道，分别生成主、次链路的接收合并向量；使用非相干检测方法，建立主链路遍历速率性能分析模型；使用连续干扰消除方法和最大比合并方法，建立次链路遍历速率性能分析模型。本发明分别给出了主、次链路的遍历速率上界的表达式，运算复杂度低，与实际仿真结果差距相当小。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是使用环境反向散射技术的蜂窝协作传输通信系统的性能分析问题，提供了一种基于频谱共享的环境反向散射阵列通信系统速率分析方法，直接有效地衡量系统性能。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于频谱共享的环境反向散射阵列通信系统速率分析方法，具体包含如下步骤：

步骤1，设该环境反向散射阵列通信系统中，包含1个射频源、1个环境反向散射发射机和1个协作接收机；频谱共享的主链路指从射频源到协作接收机的传输链路，次链路指从射频源经环境反向散射发射机到协作接收机的传输链路；射频源配置M根天线，环境反向散射发射机装有1根天线，协作接收机配置N根天线，M、N均是大于1的整数；射频源进行发送波束成形，用w表示，w是M×1维向量；环境反向散射发射机将它的发送信号调制到接收到的射频信号上，反向散射给协作接收机，环境反向散射发射机的发送符号周期是射频源的发送符号周期的K倍，K是大于1的整数；协作接收机同时收到来自主、次链路的信号，并进行处理，解码信号时的接收合并向量分别用v_s和v_c表示，v_s、v_c均是N×1维向量；

步骤2，射频源根据估计得到的它到协作接收机的信道，将该信道矩阵的最大奇异值对应的右奇异向量作为发送波束成形向量，使用该发送波束成形向量对射频源发送信号进行处理，并将处理后的信号发送给协作接收机；

步骤3，协作接收机收到来自主、次两条链路的叠加信号，根据上述信道矩阵的最大奇异值对应的左奇异向量，生成主链路的接收合并向量，使用该接收合并向量对接收到的叠加信号进行处理；

步骤4，协作接收机使用非相干检测方法，建立主链路的遍历速率性能分析模型，给出主链路的遍历速率的上界表达式；

步骤5，协作接收机使用连续干扰消除方法，对接收到的叠加信号进行处理，并将环境反向散射发射机到它的信道归一化，作为次链路的接收合并向量；

步骤6，协作接收机使用最大比合并方法，建立次链路的遍历速率性能分析模型，给出次链路的遍历速率的上界表达式。

进一步优选方案，在步骤2中，射频源估计得到的它到协作接收机的信道用H_RC表示，H_RC是N×M维矩阵，射频源的发送波束成形向量w的生成公式如下：

w＝v_m

其中，v_m表示信道矩阵H_RC的最大奇异值对应的右奇异向量，射频源使用上述发送波束成形向量w进行处理后的信号可以表示为：

x(k)＝ws(k)，k＝1，2，…，K

其中，k表示符号周期的序号，s(k)表示第k个符号周期内射频源的发送信号。

进一步优选方案，在步骤3中，协作接收机同时收到来自射频源和环境反向散射发射机的叠加信号，表示如下：

其中，c表示环境反向散射发射机的发送信号，它是具有零均值、单位方差的随机变量，α∈(0,1]表示环境反向散射发射机的反射系数，表示射频源到环境反向散射发射机的信道，h_BC表示环境反向散射发射机到协作接收机的信道，n(k)表示零均值加性高斯噪声向量，上标H表示矩阵或向量的共轭转置。

协作接收机的主链路接收合并向量v_s的生成公式如下：

v_s＝u_m

其中，u_m表示信道矩阵H_RC的最大奇异值对应的左奇异向量，协作接收机使用上述主链路接收合并向量v_s进行处理后的叠加信号可以表示为：

进一步优选方案，在步骤4中，根据步骤3中处理后的叠加信号，协作接收机使用非相干检测方法，得到主链路遍历速率的表达式如下：

其中，表示对环境反向散射发射机的发送信号和信道衰落的期望运算，P表示射频源的发送功率，σ²表示噪声向量n(k)的方差。

将步骤2中生成的射频源发送波束成形向量w和步骤3中生成的协作接收机的主链路接收合并向量v_s带入上述表达式，根据詹森不等式和矩阵奇异值理论，计算得到主链路的遍历速率的上界表达式如下：

其中，σ_m表示信道矩阵H_RC的最大奇异值，表示对信道衰落的期望运算，进一步地，根据矩阵奇异值的渐进结果，以及随机变量的期望，得到主链路的遍历速率的上界表达式如下：

其中，表示信道h_BC的方差，表示信道的方差。

进一步优选方案，在步骤5中，协作接收机使用连续干扰消除方法，对接收到的叠加信号进行处理，得到来自次链路的信号，表示如下：

协作接收机的次链路接收合并向量v_c的生成公式如下：

v_c＝h_BC/‖h_BC‖

其中，‖·‖表示符号内向量的模2范数。上述来自次链路的信号经过次链路接收合并向量v_c处理后，可以表示为：

进一步优选方案，在步骤6中，协作接收机使用最大比合并方法，得到次链路遍历速率的表达式如下：

将步骤2中生成的射频源发送波束成形向量w和步骤5中生成的协作接收机的次链路接收合并向量v_c带入上述表达式，根据詹森不等式，计算得到次链路的遍历速率的上界表达式如下：

进一步地，根据随机变量‖h_BC‖²、的期望，得到次链路的遍历速率的上界表达式如下：

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

1、本发明方法有效地解决了环境反向散射接收端的较强直接链路干扰问题，依次解码射频源的发送信号和环境反向散射信号；

2、本发明方法分别构建了主、次链路的遍历速率性能分析模型，并导出了两条链路的遍历速率的上界表达式，计算复杂度低，能够有效且明确地评估系统性能。

附图说明

图1是本发明提出的基于频谱共享的环境反向散射阵列通信系统性能分析方法的系统框图；

图2是假设射频源已知主链路信道、协作接收机已知主链路信道和环境反向散射信道的情况下，通过不同方式得到的主、次链路的遍历速率性能与协作接收机配置天线数量的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施范例对本发明做进一步说明：

如图2所示，该环境反向散射阵列通信系统中，包含1个射频源、1个环境反向散射发射机和1个协作接收机；频谱共享的主链路指从射频源到协作接收机的传输链路，次链路指从射频源经环境反向散射发射机到协作接收机的传输链路；射频源配置M根天线，环境反向散射发射机装有1根天线，协作接收机配置N根天线，M、N均是大于1的整数；射频源进行发送波束成形，用w表示，w是M×1维向量；环境反向散射发射机将它的发送信号调制到接收到的射频信号上，反向散射给协作接收机，环境反向散射发射机的发送符号周期是射频源的发送符号周期的K倍，K是大于1的整数；协作接收机同时收到来自主、次链路的信号，并进行处理，解码信号时的接收合并向量分别用v_s和v_c表示，v_s、v_c均是N×1维向量。

(1)射频源估计得到的它到协作接收机的信道用H_RC表示，H_RC是N×M维矩阵，射频源的发送波束成形向量w的生成公式如下：

w＝v_m

其中，v_m表示信道矩阵H_RC的最大奇异值对应的右奇异向量，射频源使用上述发送波束成形向量w进行处理后的信号可以表示为：

x(k)＝ws(k)，k＝1，2，…，K

其中，k表示符号周期的序号，s(k)表示第k个符号周期内射频源的发送信号。

(2)协作接收机同时收到来自射频源和环境反向散射发射机的叠加信号，表示如下：

其中，c表示环境反向散射发射机的发送信号，它是具有零均值、单位方差的随机变量，α∈(0，1]表示环境反向散射发射机的反射系数，表示射频源到环境反向散射发射机的信道，h_BC表示环境反向散射发射机到协作接收机的信道，n(k)表示零均值加性高斯噪声向量，上标H表示矩阵或向量的共轭转置。

协作接收机的主链路接收合并向量v_s的生成公式如下：

v_s＝u_m

其中，u_m表示信道矩阵H_RC的最大奇异值对应的左奇异向量，协作接收机使用上述主链路接收合并向量v_s进行处理后的叠加信号可以表示为：

(3)根据步骤3中处理后的叠加信号，协作接收机使用非相干检测方法，得到主链路遍历速率的表达式如下：

其中，表示对环境反向散射发射机的发送信号和信道衰落的期望运算，P表示射频源的发送功率，σ²表示噪声向量n(k)的方差。

将步骤2中生成的射频源发送波束成形向量w和步骤3中生成的协作接收机的主链路接收合并向量v_s带入上述表达式，根据詹森不等式和矩阵奇异值理论，计算得到主链路的遍历速率的上界表达式如下：

其中，σ_m表示信道矩阵H_RC的最大奇异值，表示对信道衰落的期望运算，进一步地，根据矩阵奇异值的渐进结果，以及随机变量的期望，得到主链路的遍历速率的上界表达式如下：

其中，表示信道h_BC的方差，表示信道的方差。

(4)协作接收机使用连续干扰消除方法，对接收到的叠加信号进行处理，得到来自次链路的信号，表示如下：

协作接收机的次链路接收合并向量v_c的生成公式如下：

v_c＝h_BC/‖h_BC‖

其中，‖·‖表示符号内向量的模2范数。上述来自次链路的信号经过次链路接收合并向量v_c处理后，可以表示为：

(5)协作接收机使用最大比合并方法，得到次链路遍历速率的表达式如下：

将步骤2中生成的射频源发送波束成形向量w和步骤5中生成的协作接收机的次链路接收合并向量v_c带入上述表达式，根据詹森不等式，计算得到次链路的遍历速率的上界表达式如下：

进一步地，根据随机变量‖h_BC‖²、的期望，得到次链路的遍历速率的上界表达式如下：

图2是假设射频源已知主链路信道、协作接收机已知主链路信道和环境反向散射信道的情况下，通过不同方式得到的主、次链路的遍历速率性能与协作接收机配置天线数量的关系曲线图。带“□”、“△”标识的虚线分别表示主、次链路的遍历速率上界表达式，“×”、“+”标识分别表示主、次链路的遍历速率仿真值。由图中可以看出，本发明提出的遍历速率上界计算方法能够有效地衡量该通信系统的性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种基于频谱共享的环境反向散射阵列通信系统速率分析方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1，设该环境反向散射阵列通信系统中，包含1个射频源、1个环境反向散射发射机和1个协作接收机；频谱共享的主链路指从射频源到协作接收机的传输链路，次链路指从射频源经环境反向散射发射机到协作接收机的传输链路；射频源配置M根天线，环境反向散射发射机装有1根天线，协作接收机配置N根天线，M、N均是大于1的整数；射频源进行发送波束成形，用w表示，w是M×1维向量；环境反向散射发射机将它的发送信号调制到接收到的射频信号上，反向散射给协作接收机，环境反向散射发射机的发送符号周期是射频源的发送符号周期的K倍，K是大于1的整数；协作接收机同时收到来自主、次链路的信号，并进行处理，解码信号时的接收合并向量分别用v_s和v_c表示，v_s、v_c均是N×1维向量；

步骤2，射频源根据估计得到的它到协作接收机的信道，将该信道矩阵的最大奇异值对应的右奇异向量作为发送波束成形向量，使用该发送波束成形向量对射频源发送信号进行处理，并将处理后的信号发送给协作接收机；

步骤3，协作接收机收到来自主、次两条链路的叠加信号，根据上述信道矩阵的最大奇异值对应的左奇异向量，生成主链路的接收合并向量，使用该接收合并向量对接收到的叠加信号进行处理；

步骤4，协作接收机使用非相干检测方法，建立主链路的遍历速率分析模型，计算主链路的遍历速率的上界；

步骤5，协作接收机使用连续干扰消除方法，对接收到的叠加信号进行处理，并将环境反向散射发射机到它的信道归一化，作为次链路的接收合并向量；

步骤6，协作接收机使用最大比合并方法，建立次链路的遍历速率分析模型，计算次链路的遍历速率的上界。

2.根据权利要求1所述的一种基于频谱共享的环境反向散射阵列通信系统速率分析方法，其特征在于，在步骤2中，射频源估计得到的它到协作接收机的信道用H_RC表示，H_RC是N×M维矩阵，射频源的发送波束成形向量w的生成公式如下：

w＝v_m

其中，v_m表示信道矩阵H_RC的最大奇异值对应的右奇异向量，射频源使用上述发送波束成形向量w进行处理后的信号可以表示为：

x(k)＝ws(k),k＝1,2,…,K

其中，k表示符号周期的序号，s(k)表示第k个符号周期内射频源的发送信号。

3.根据权利要求2所述的一种基于频谱共享的环境反向散射阵列通信系统速率分析方法，其特征在于，在步骤3中，协作接收机同时收到来自射频源和环境反向散射发射机的叠加信号，表示如下：

其中，c表示环境反向散射发射机的发送信号，它是具有零均值、单位方差的随机变量，α∈(0,1]表示环境反向散射发射机的反射系数，表示射频源到环境反向散射发射机的信道，h_BC表示环境反向散射发射机到协作接收机的信道，n(k)表示零均值加性高斯噪声向量，上标H表示矩阵或向量的共轭转置；

协作接收机的主链路接收合并向量v_s的生成公式如下：

v_s＝u_m

其中，u_m表示信道矩阵H_RC的最大奇异值对应的左奇异向量，协作接收机使用上述主链路接收合并向量v_s进行处理后的叠加信号可以表示为：

4.根据权利要求3所述的一种基于频谱共享的环境反向散射阵列通信系统速率分析方法，其特征在于，在步骤4中，根据步骤3中处理后的叠加信号，协作接收机使用非相干检测方法，得到主链路遍历速率的表达式如下：

其中，表示对环境反向散射发射机的发送信号和信道衰落的期望运算，P表示射频源的发送功率，σ²表示噪声向量n(k)的方差；

将步骤2中生成的射频源发送波束成形向量w和步骤3中生成的协作接收机的主链路接收合并向量v_s带入上述表达式，根据詹森不等式和矩阵奇异值理论，计算得到主链路的遍历速率的上界表达式如下：

其中，σ_m表示信道矩阵H_RC的最大奇异值，表示对信道衰落的期望运算，根据矩阵奇异值的渐进结果，以及随机变量的期望，得到主链路的遍历速率的上界表达式如下：

其中，表示信道h_BC的方差，表示信道的方差。

5.根据权利要求3所述的一种基于频谱共享的环境反向散射阵列通信系统速率分析方法，其特征在于，在步骤5中，协作接收机使用连续干扰消除方法，对接收到的叠加信号进行处理，得到来自次链路的信号，表示如下：

协作接收机的次链路接收合并向量v_c的生成公式如下：

v_c＝h_BC/‖h_BC‖

其中，‖·‖表示符号内向量的模2范数。上述来自次链路的信号经过次链路接收合并向量v_c处理后，可以表示为：

6.根据权利要求5所述的一种基于频谱共享的环境反向散射阵列通信系统速率分析方法，在步骤6中，协作接收机使用最大比合并方法，得到次链路遍历速率的表达式如下：

将步骤2中生成的射频源发送波束成形向量w和步骤5中生成的协作接收机的次链路接收合并向量v_c带入上述表达式，根据詹森不等式，计算得到次链路的遍历速率的上界表达式如下：

根据随机变量‖h_BC‖²、的期望，得到次链路的遍历速率的上界表达式如下：