CN110809200A

CN110809200A - 一种无源backscatter长距离通信系统

Info

Publication number: CN110809200A
Application number: CN201911102141.3A
Authority: CN
Inventors: 彭瑶; 上官龙飞; 陈晓江; 房鼎益; 何娟; 胡悦; 钱玉洁; 林贤上; 王俊
Original assignee: Northwestern University
Current assignee: Northwestern University
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2019-11-12
Publication date: 2020-02-18

Abstract

本发明公开了一种无源backscatter长距离通信系统，该系统可将环境当中的LoRa、WiFi、GSM和蓝牙等信作号为激励信号，通过将激励信号调制成另一个标准信号来传送数据，并将该新信号移位到不同的信道，从而使得得到的反向散射信号在标准网络中进行接收。

Description

一种无源backscatter长距离通信系统

技术领域

本发明设计的领域为backscatter通信领域，该系统可以利用Wifi，LoRa，蓝牙，GSM等多种周围信号，作为载波信号，经过本系统将传感器信息加在到载波上进行通信，并可为无电池物联网设备提供远程无线连接，涉及一种无源 backscatter长距离通信系统。

背景技术

下一代物联网(IoT)设想无处不在，廉价和低数据速率的连接，人类，机器和物体。这一愿景的一个关键推动因素是无线通信技术，它使非常贫困的物联网设备能够持续交换低速率数据。这种无线通信技术理想地应满足以下三个要求：

无电池，物联网设备应该是无电池的，纯粹从周围环境中获取能量，并消耗超低功率来连接网关。

长距离，物联网设备应该能够长距离通信，以便那些在农场和大型仓库等中稀疏部署的物联网设备可以传输数据。

环境激励信号，物联网设备应使用环境信号作为其电源和载波，而不是需要单独的窄带连续波激励信号，它始终消耗宝贵的无线频谱。

如果上述三个要求都令人满意，我们就会想象一个普遍联系的世界，例如，农民可以远程监控田间的营养水平；仓库经理可以识别大型仓库中的每个项目，而无需手动盘点整个仓库；生物学家可以跟踪野生动物运动，群体制定，人口统计数据，并防止偷猎事件。

然而，据我们所知，不存在满足所有上述三个要求的无线通信技术。LoRa， NB-IoT，SigFox实现了远程无线传输，但消耗了大量能量。无源RFID纯粹从RFID读取器中收集能量，但仅在有限范围内工作(最长30米)。LoRa反向散射和LOREA是低功率和长距离，但两者都需要专用的连续波发射器来发送激励信号，恒定的正弦波作为反向散射传输的电源和载波。这种专用激励发生器的部署增加了安装和维护成本，使这种系统不太实用并浪费无线频谱资源，特别是在户外或大型地理区域。LoRaWAN网络已成功部署在城市和农村地区，用于智能城市(例如，智能照明，空气质量监测，停车和车辆管理)和工业应用(例如，运输和运输，智能农业和牲畜管理等)。这些LoRaWAN网络中的网关和 LoRa节点定期相互通信，使用可以以非常低的信噪比(SNR)解码的线性调频信号进行数据交换，因此原则上用作远程反向散射的优良激励信号。

发明内容

本发明的目的提供一种无源backscatter长距离通信系统，可以基于环境当中多种激励信号实现物联网设备的远程连接，而无需专用激励发生器，该系统不含电池，可从RF信号和环境光中获取能量。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种无源backscatter长距离通信系统，该系统中包括LoRaPHY和MAC层，所述LoRa采用chirp扩频(CSS) 调制，它使用频率随时间的线性变化对数据进行编码；所述LoRa广域网 (LoRaWAN)采用ALOHA型MACAC协议，利用低功耗数据包检测，反向散射信号调制技术，将有源LoRa chirp调制到另一个标准无源LoRachirp来传递信息，将Chirp信号混合得到移位信号的带内部分及其带外部分，这里我们使用的是带内的信息，以此实现将无源LoRa信号转换到不同的信道以避免干扰，使用反向散射信号接收及数据包检测技术，实现接收器能够检测到活动的LoRa包和被动的LoRa包，最后消除频移影响。

其中，所述LoRa采用chirp扩频(CSS)调制技术流程：接收器对输入的 chirp信号，再与进行相关处理得到的down chirp相乘，并执行FFT变换，其频率从BW/2线性变化到-BW/2(BW是LoRa chirp带宽)，FFT峰值高的地方就显示chirp信号的时间，从而得到接收chirp的时间延迟，通过跟踪FFT峰值的位置，接收器解调chirp信号。

其中，所述低功耗数据包检测技术流程：进行两条电路设计，首先对输入信号进行降采样，一路是并利用ADC采集数据，此并在这些输入信号和预先存储的前导码之间执行互相关，以进行数据包检测和同步。同时放置另一路电路，即利用三极管，比较器等设计了模拟ADC电路，即将采集的信号输入到比较器当中(比较器阈值可根据具体使用环境进行调整)，当检测到比较器输出为高时，也表示接收到chirp信号。

其中，所述反向散射信号调制技术将输入的有效LoRa chirp移动BW/2和 -BW/2，并将这两个移位的LoRa chirp的带内部分拼接成新的chirp信号。同时也可以在相同带宽条件下，搬移更多的频谱，比如分成1/4，1/8的带宽搬移，提高相同频带条件下的信息量。

其中，所述反向散射信号接收技术流程：接收器接收Sa和Sp并解调两者，接收机执行两次FFT，第一次FFT在Sp和Sd的乘积上，第二次FFT在Sa和 Sd的乘积上；这两个FFT运算将导致FFT区间中出现两个峰值，接收器通过检查这两个FFT峰值的位置的一致性来解调反向散射数据。

其中，所述消除频移影响技术流程：将得到的FFT峰值的位置差异与预定义的阈值进行比较来解调数据y：

其中loc 1和loc 2分别是第一和第二FFT峰值的位置，将阈值设置为7，从而优化解调精度。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本系统实现了无源backscatter 长距离通信，并且无需专属的激励信号发生装置，可直接利用周围环境激励进行通信，该系统中包括低功耗数据包检测电路，盲chirp信号调制技术和低功耗能量技术，同时还具有MAC层协议的反向散射信号解码技术，它们共同工作在系统标签和活动LoRa节点网络之中，为未来的无源物联网提供网络互连。

附图说明

图1无源backscatter长距离通信系统时域中的chirp图；

图2无源backscatter长距离通信系统数据包检测电路图；

图3无源backscatter长距离通信系统LoRa包结构图；

图4无源backscatter长距离通信系统Chirp信号混合图；

图5无源backscatter长距离通信系统减轻带内干扰原理图；

图6无源backscatter长距离通信系统反向散射信号解调图；

图7无源backscatter长距离通信系统数据包结构的比较图；

图8无源backscatter长距离通信系统电源管理电路结构图。

具体实施方式

本发明一种无源backscatter长距离通信系统，该系统中包括LoRa PHY和 MAC层，所述LoRa采用chirp扩频(CSS)调制，它使用频率随时间的线性变化对数据进行编码；所述LoRa广域网(LoRaWAN)采用ALOHA型MACAC 协议，利用低功耗数据包检测，反向散射信号调制技术，将有源LoRa chirp调制到另一个标准无源LoRa chirp来传递信息，将Chirp信号混合得到移位信号的带内部分及其镜像，实现将无源LoRa信号转换到不同的信道以避免干扰，使用反向散射信号接收及数据包检测技术，实现接收器能够检测到活动的LoRa包和被动的LoRa包，最后消除频移影响。

步骤一：下面分别说明本发明以上关键技术：

LoRaPHY和MAC层设计。

LoRa采用chirp扩频(CSS)调制，它使用频率随时间的线性变化对数据进行编码。图1给出了时域中的chirp“0”和chirp“1”，这两个chirp在初始频率上彼此不同。为了解调信号，接收器对输入chirp和down chirp的乘法执行FFT，其频率从BW/2线性变化到-BW/2。该操作导致FFT频率集中在峰值，从而揭示接收chirp的时间延迟。通过跟踪FFT峰值的位置，接收器解调chirp信号。由于chirp信号充分利用其整个分配的带宽来编码数据，因此它对信道噪声，多普勒和多径效应更加鲁棒。

MAC层。LoRa广域网(LoRaWAN)采用ALOHA型MACAC协议。对于每个传输，LoRa节点随机选择上行链路信道来发送分组，由此产生的频率分集使系统对干扰更加鲁棒。LoRaWAN采用自适应数据速率(ADR)方案进行数据速率控制，同时LoRa节点改变扩频因子以控制在chirp信号中编码的比特数，从而实现不同的数据速率。

步骤二：数据包检测。

我们现在描述本发明PHY层设计，因为单个数据包通过本系统标记：从输入激励数据包检测到系统标记上的反向散射信号调制，然后到解调LoRa网关。为清楚起见，我们将网关发出的LoRa chirp信号和活动LoRa节点表示为活动LoRa chirp，将本系统反向散射LoRachirp表示为无源LoRa chirp。

传统的反向散射系统省略了反向散射标签上的包检测，因为它们使用专用节点发送连续波作为激励信号。在本系统网络中，激励信号是正常的LoRa流量本身，网关和活动的LoRa节点间歇性地生成。因此，本系统需要检测该LoRa 包，与这些LoRa符号同步，并将它们用作反向散射的载波信号。标准的LoRa 数据包检测算法由于其大量的能耗而无法用于我们的低功率反向散射标签：它需要高功率DAC和VCO，并执行计算密集型FFT。

我们的方法是对输入信号进行降采样，并在这些输入信号和预先存储的前导码之间执行互相关，以进行数据包检测和同步。在某种程度上下采样是安全的，因为接收器不对输入信号进行解码，因此不需要采样至少两倍于发送信号的带宽。功耗随采样率而下降，因此下采样降低了数据包检测的能耗。我们描述了当信号流过图2所示的电路时，数据包检测的过程。天线检测到的输入信号首先通过阻抗匹配电路。我们优化阻抗匹配系数，以确保其大部分功率从无线电波传输到负载。然后，信号通过无源带通滤波器，并使用包络检波器进一步下变频到基带。然后用三位低功率ADC将得到的基带信号数字化。ADC的采样率设置为BW/4，远低于其正常采样率。系统通过将这些数字样本与存储在FPGA中的前导码相关联来检测前导码的开始。同时放置另一路电路，即利用三极管，比较器等设计了模拟ADC电路，即将采集的信号输入到比较器当中 (比较器阈值设为16mV)，当检测到比较器输出为高时，也表示接收到chirp 信号。

但是，本系统上的低功耗FPGA存储有限(代码和数据存储为36K)，因此无法存储LoRa数据包的整个前导码。我们注意到LoRa前导码由十个相同的up chirp组成(图3)，因此，我们只需要存储其中一个相同的chirp，并将输入信号与其中的十个副本相关联。相关窗口设置为BW/4，等于LoRa符号的样本数。检测到十个连续的上行chirp表示存在LoRa前导码。然后，FPGA 等待2.25个符号时间(时间同步的持续时间)并开始反向散射。这确保了本系统将感测数据调制到激励分组的有效载荷符号上。我们的系统可以成功地检测到距离发射器50米远的LoRa激励信号。

步骤三：反向散射信号调制

本系统通过将有源LoRa chirp调制到另一个标准无源LoRa chirp来传递信息。这很有挑战性，因为有源LoRa chirp(激励信号)传递数据并随时间变化。具体而言，与使用连续波作为激励的RFID和其他反向散射系统不同，本系统中的激励信号是随着有效载荷数据而变化的正常LoRa信号。因此很难将输入的LoRa chirp调制成另一个标准的反向散射LoRachirp，而且也不知道这个输入的 LoRa chirp是什么样的。我们设计了一种新颖的盲chirp调制算法来解决这一挑战。我们的基本思想是将输入的有效LoRachirp移动BW/2和-BW/2，并将这两个移位的LoRa chirp的带内部分拼接成新的chirp信号。这种新的chirp信号占用了整个分配的带宽，因此本质上是标准的LoRa chirp信号。同时也可以在相同带宽条件下，搬移更多的频谱，比如搬移1/4，1/8的带宽，提高相同频带条件下的信息量。下面以搬移BW/2为例进行说明。

步骤四：信号混合。

本系统使用方波生成数字基带信号，并使用频移键控(FSK)调制基带。FSK 的标记频率和空间频率分别设置为BW/2和0。通过在这两个频率之间切换，标签可以传送“1”和“0”位。我们将每个FSK符号的持续时间设置为等于LoRa chirp的符号时间。在检测到有效的LoRa chirp时，本系统将其乘以FSK帧，如图5所示。具体地，令sin(2πf1 t)为FSK帧(f 1＝0或BW/2)并且sin f (t)为激励线性调频信号。基于基本的三角函数，我们知道这两个信号的混合将激励LoRa chirp同时移动f 1和-f 1(镜像复制)。如图4(b)所示，移位信号的一部分及其镜像移出频带，而其余部分保持在带内。我们的目标是移位信号的带内部分及其镜像，当拼接在一起时，构成了一个新的chirp。这种新的 chirp是标准的LoRa chirp，它充分利用其整个分配的带宽来编码数据。它传送在基带FSK帧上调制的数据，并将它们发送到网关或主动LoRa节点。人们可能会担心带外信号部分会对相邻信道造成干扰。但是，与Wi-FiOFDM和蓝牙标准不同，保护频带相对较大(1.1MHz，明显更大)相邻的LoRa信道之间存在LoRa信道带宽。所有带外chirp频率内容都将落入保护频带，因此不会造成干扰。

步骤五：减轻带内干扰原理。

直接应用上述信号混合将导致带内干扰，因为所产生的信号与有效LoRa信号(激励)位于相同的信道中。我们注意到LoRaWAN将ISM频段划分为多个频道。因此，我们利用这种结构将无源LoRa信号转换到不同的信道以避免干扰。为实现这一目标，本系统的FPGA计划生成两个频率，分别控制两个用于反向散射的RF开关，如图5所示。这两个RF开关共享相同的时钟，因此可以及时同步。具体来说，当节点发送“0”位时，FPGA在频率fshift时产生两个相同的，时间对齐的FSK符号，允许两个RF开关将输入的LoRa符号从以f0为中心的通道移位到以f0+fshift为中心的另一个通道。相反，如果节点发送“1”位，FPGA会以略微不同的频率生成两个时间对齐的FSK符号：fshift+BW/2 和fshift-BW/2。这两个频率规划将输入的LoRa符号的不同部分移位到以f0 +fshift为中心的新信道。这两个移位符号的带内部分将拼接成新的LoRa符号，该符号占据整个分配的信道。因此，我们成功地将无源LoRa信号转换到新信道，同时避免了有源LoRa信号和无源LoRa信号之间的带内干扰。另一方面，无源LoRa信号的镜像将移出LoRa频带，因此不会引起干扰。

步骤六：在低功耗和准确性之间进行权衡。

FS-Backscatter使用环形振荡器产生频移所需的信号。但是，随着温度的变化，环形振荡器的频率会显着漂移(高达几MHz)。由于本系统主要用于温度随时间变化的室外环境，因此环形振荡器不适用。因此，在本系统中，我们使用Microsemi IGLOO nano FPGA的振荡器直接生成所需的基带信号。与环形振荡器相比，直接使用FPGA振荡器会消耗更多能量，但会产生更稳定的频率。为了确保网关或活动LoRa节点可以解码被动LoRa数据包，本系统采用与标准 LoRa数据包相同的数据包结构：数据包以包含目标和源地址的LoRa物理头(PHDR)开始。紧接着是PHDR CRC，然后是有效负载位。数据包以CRC结束，接收器可以使用CRC来检测比特错误。整个数据包还受到前向纠错(汉明码)的保护，该纠错允许由于干扰损坏而恢复信息比特。

步骤七：反向散射信号接收

本系统接收器解码无源LoRa信号，首先，设Sa，Sp和Sd分别表示有效 LoRa chirp，无源LoRa chirp和LoRa down chirp。基本的想法是接收器接收Sa 和Sp并解调两者，为了解调Sp，接收机执行两次FFT，第一次FFT在S p和Sd的乘积上，第二次FFT在Sa和Sd的乘积上。这两个FFT运算将导致FFT 区间中出现两个峰值。实质上，如果Sp发送“0”位，这两个峰将落在同一个FFT 区间中。相反的，当Sp传送“1”位时，这两个FFT峰值将落入不同的FFT区间，如图6(a)所示。这是因为发送“1”位会将有效LoRa chirp(激励)Sa改变为另一个标准LoRa chirp，如图6(b)和图6(c)中的第五个chirp所示。因此，接收器可以通过检查这两个FFT峰值的位置的一致性来解调反向散射数据。

步骤八：接收器上的数据包检测。

为了接收器应该能够检测到活动的LoRa包和被动的LoRa包。与其他无线系统一样，接收器使用标准前导码相关算法检测活动LoRa分组。但是，接收器无法以类似的方式检测被动LoRa数据包，因为被动LoRa数据包没有前导码，如图7所示。这是因为本系统依赖于用于分组检测的激励信号的前导码，因此不反向散射前导码本身。

我们的被动LoRa分组检测方案的动机是观察到主动和被动LoRa分组几乎同时到达接收器，因为这两个分组的传输时间差很短。一旦接收器使用标准相关算法检测到活动LoRa数据包的开始，它就会计算出对应于活动LoRa数据包的PHDR部分开头的样本位置，并通过检查所有其他通道上从该位置开始的采样来检测被动LoRa数据包。

步骤九：消除频移影响。

在实际过程中，由于存在噪声，当系统节点在激励上调制“0”位时，两个FFT 峰值可能不会精确地位于相同的FFT区间中。因此，我们通过将得到的FFT 峰值的位置差异与预定义的阈值进行比较来解调数据y：

其中loc 1和loc 2分别是第一和第二FFT峰值的位置。我们在各种环境中进行基准实验测试，并根据经验将阈值设置为7，从而优化解调精度。

步骤十：能源管理

对于能源管理模块，我们采取以下要求：首先，它应该管理节点状态，在正确的时间在充电状态(能量收集)和放电状态(反向散射和感测)之间切换。其次，它应该保证数据的完整性，防止能量耗尽造成的数据丢失。第三，作为工作在无电池标签上的硬件组件，能量管理模块本身应该是低功率的并且能够消除或最小化由静电能量引起的能量泄漏。

在本系统中，我们用传统的背向散射系统替换了具有超级电容Ccap的微型存储电容，如图8所示。该电容具有更大的容量(在我们的系统中为0.22F)，因此能够提供足够的能量供应以激活和测量传感器，反向散射所有传感数据，从而保证数据的完整性。使用超级电容器的折衷是增加充电时间。因此，我们将基于RF的能量收集与基于环境光的能量收集相结合，将充电时间提高到20 分钟，满足大多数物联网系统的工作循环要求，如精准农业，空气质量监测和废物管理。

评估无源backscatter长距离通信系统在各种室内和室外环境以及不同条件下的性能。广泛的现场研究表明，本系统的传输可以在接收器上成功解码在室外场所497米或1.1公里(取决于网关硬件)距离的信号以及和穿过室内办公楼的两个混凝土墙的LoRa信号，同时仅消耗2.591mWPCB实现中的能量和集成电路实现中预计的几十μW能量。

另一方面，为了消除能量泄漏，我们设计了一个电流门，动态控制能量收集模块的电路连接。该电流门是低功率的，当本系统充电时，将物理切断储能电容与PCB板上所有其他元件之间的电路连接，从而消除由这些元件的静态能耗引起的能量泄漏。

以上所述，仅为本发明中的一个具体实例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种无源backscatter长距离通信系统，其特征在于，该系统中包括LoRa PHY和MAC层，所述LoRa采用chirp扩频(CSS)调制，它使用频率随时间的线性变化对数据进行编码；所述LoRa广域网(LoRaWAN)采用ALOHA型MACAC协议，利用低功耗数据包检测，反向散射信号调制技术，将有源LoRa chirp调制到另一个标准无源LoRa chirp来传递信息，将Chirp信号混合得到移位信号的带内部分及其镜像，实现将无源LoRa信号转换到不同的信道以避免干扰，使用反向散射信号接收及数据包检测技术，实现接收器能够检测到主动的LoRa包和被动的LoRa包，最后消除频移影响。

2.根据权利要求1所述的一种无源backscatter长距离通信系统，其特征在于，所述LoRa采用chirp扩频(CSS)调制技术流程：接收器对输入的chirp信号，再与进行相关处理得到的down chirp相乘，并执行FFT变换，其频率从BW/2线性变化到-BW/2(BW是LoRa chirp带宽)，FFT峰值高的地方就显示chirp信号的时间，从而得到接收chirp的时间延迟，通过跟踪FFT峰值的位置，接收器解调chirp信号。

3.根据权利要求1所述的一种无源backscatter长距离通信系统，其特征在于，所述低功耗数据包，检测技术流程包括：首先对输入信号进行降采样，包括两条电路，其中一条电路是并利用ADC采集数据，此并在这些输入信号和预先存储的前导码之间执行互相关，以进行数据包检测和同步；同时放置另一路电路，利用三极管，比较器模拟ADC电路，将采集的信号输入到比较器当中，当检测到比较器输出为高时，也表示接收到chirp信号。

4.根据权利要求1所述的一种无源backscatter长距离通信系统，其特征在于，所述反向散射信号调制技术将输入的有效LoRa chirp移动BW/2和-BW/2，并将这两个移位的LoRachirp的带内部分拼接成新的chirp信号。

5.根据权利要求1所述的一种无源backscatter长距离通信系统，其特征在于，所述反向散射信号接收技术流程：接收器接收Sa和Sp并解调两者，接收机执行两次FFT，第一次FFT在Sp和Sd的乘积上，第二次FFT在Sa和Sd的乘积上；这两个FFT运算将导致FFT区间中出现两个峰值，接收器通过检查这两个FFT峰值的位置的一致性来解调反向散射数据。

6.根据权利要求1所述的一种无源backscatter长距离通信系统，其特征在于，所述消除频移影响技术流程：将得到的FFT峰值的位置差异与预定义的阈值进行比较来解调数据y：

其中loc1和loc2分别是第一和第二FFT峰值的位置，将阈值设置为7，从而优化解调精度。