CN111246493A - 一种环境反向散射通信中基于标签的中继方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环境反向散射通信（Ambient backscatter communication）中基于标签（Tag）的中继方法。首先接入点（AP）发送寻呼信号，用于通知中继Tag准备传输；其次，中继Tag保持静默，不调制信号；接下来，中继Tag将AP发送的信号作为载波信号，调制导频（或训练）序列信号到它的上面，以方便信号源AP估计经过中继Tag反射的信道环境；然后，AP发送寻呼信号，用于通知目标Tag进行传输。目标Tag将AP发送的信号作为载波信号，调制所需发送的信号到经过其反射的载波信号上，并被中继Tag接收。目标Tag传输结束后，进入休眠状态；最后，中继Tag将AP发送的信号作为载波信号，调制所需发送的信号到经过其反射的载波信号上，并被AP接收，完成中继传输。

Description

一种环境反向散射通信中基于标签的中继方法

技术领域

本发明是一种适用于环境反向散射通信(Ambient backscatter communication)中基于标签(Tag)的中继方法，可以扩大Tag的传输距离，属于无线通信系统中的信号处理领域。

背景技术

环境反向散射通信(Ambient backscatter communications)系统主要由三部分组成，分别为信号源、标签(Tag)和读写器(Reader)。Tag不产生射频信号，而是通过对其反射的射频信号进行调制来传输信息。射频信号可以是电视塔产生的无线电视信号，局域网路由器产生Wi-Fi信号或独立信号源产生的特殊信号。Tag传输的信号由读写器(Reader)解调。Reader可以是单独的接收机。比如：Tag传输的信号由单独的Reader解调。局域网路由器(Wi-Fi Helper)产生Wi-Fi信号，标签(Wi-Fi Backscatter tag)将其需要传输的数据调制到该信号上，Wi-Fi Reader作为接收机解调Tag传输的数据，如图1所示。Reader也可以是产生射频信号的信号源。例如：局域网路由器接入点(AP)产生发送给用户(Client)的Wi-Fi信号，Tag通过改变Wi-Fi信号的相位来调制其需要传输的数据。AP首先估计环境反射(Environmental reflections)引起的自干扰，然后通过在接收信号中消除掉自干扰来解调Tag传输的数据，如图2所示。

由于Tag只有简单，不产生射频信号，通过调制信号源发送的射频信号传送信息，所以传送距离较近，通常小于10米。另外，Tag与Reader之间的信道需要有LOS(Line-of-sight)路径，如果受到遮挡，接收信号的信噪比会快速下降，产生大量误码。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供了一种环境反向散射通信中基于标签的中继方法，将目标Tag需发送的信息先传输到中继Tag，然后再由中继Tag传输到接收端，从而有效扩大了Tag的通信距离。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种环境反向散射通信中基于标签的中继方法，包括以下步骤：

步骤1)、接入点(AP)发送寻呼信号，用于通知中继Tag准备传输；

步骤2)、中继Tag保持静默，不调制信号。AP在此期间发送导频(或训练)序列，用于估计经过环境反射后到达的自干扰信号的信道参数；

步骤3)、中继Tag将AP发送的信号作为载波信号，调制导频(或训练)序列信号到它的上面，以方便信号源AP估计经过中继Tag反射的信道环境；

步骤4)、AP发送寻呼信号，用于通知目标Tag进行传输；

步骤5)、目标Tag将AP发送的信号作为载波信号，调制所需发送的信号到经过其反射的载波信号上，并被中继Tag接收。目标Tag传输结束后，进入休眠状态；

步骤6)、中继Tag将AP发送的信号作为载波信号，调制所需发送的信号到经过其反射的载波信号上，并被AP接收，完成中继传输。

有益效果：

1.本发明的方法能提高Tag的传输距离，从而扩大覆盖范围；并解决Tag与Reader之间无LOS径的问题。

2.相比于其它中继技术，由于Tag是无源设备，所以实现简单，功耗低。

3.本发明适用范围广，除了环境反向散射，本发明还适用于其它反向散射通信系统，比如：双站反向散射、基于全双工的反向散射技术和转型反向散射技术，等等。

附图说明

图1是单独的读写器。

图2是信号源作为读写器。

图3是中继Tag场景。

图4是寻呼信号。

图5是中继Tag信道估计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好的理解本发明。需要特别注意的是，在以下的描述中，由于对一些已知的技术和功能的详细描述可能会淡化本发明的内容，这些描述在这里将被忽略。

假设环境反向散射通信系统由三部分组成，分别为：AP、中继Tag和目标Tag。AP既产生射频信号，也负责读取Tag信息，如图3所示。此时，AP与目标Tag距离较远，且由于墙的阻挡，没有LOS径，通信时接收信噪比较低。但是，中继Tag和目标Tag相距较近，可以将目标Tag的数据先传送到中继Tag，再由中继Tag传送回AP。另外，本发明的原理也适用于Tag传输的信号由单独的Reader解调。

步骤1)、接入点(AP)发送寻呼信号，用于通知中继Tag准备传输。

Tag为了节约能量，平时处于休眠模式，不传输任何信号。当传感器收集到足够的信息需要传输时，Tag进入苏醒模式，并检测是否有信号来寻呼自己。寻呼信号承载某一特定的识别(ID)信号，该特定的识别信号与某一特定标签一一对应。寻呼信号通过能量来表示识别信号，方便标签通过能量检测来读取寻呼内容。由于标签只具有简单的电路，无法进行变频和DFT等复杂的数字信号处理操作，所以只能采用能量检测的方式读取寻呼信号的内容。寻呼信号是由比特1和0组成的伪随机序列(Pseudo-random sequence)。当传输比特1时，AP发送一个特定周期和功率的脉冲，当比特为0时，不发送任何信号，如图4所示。伪随机序列与Tag的地址一一对应，不同的伪随机序列对应不同的Tag地址。

步骤2)、中继Tag保持静默，不调制信号。AP在此期间发送导频(或训练)序列，用于估计经过环境反射后到达的自干扰信号的信道参数。

在此期间，AP发送导频序列，而Tag进入静默模式，不调制任何信号。该静默期可以预先设置，比如16μs，且在AP和Tag端都是已知的。

在环境反向散射通信系统中，AP发送的信号一部分到达Tag，经Tag调制后返回到信号源AP，一部分信号经过环境反射后回到AP。通过测量环境反射信道，可以估计出自干扰信号。只有将自干扰信号消除后，才可以解调Tag调制的信号。具体来说，假设AP发送的导频信号x(t)，经过环境，比如图4所示的一堵墙，反射后到达接收端的信号为：

其中，h_env(t)表示信号经历的多径衰落信道(Multipath fading channel)；‘*’表示卷积操作；v(t)表示白高斯噪声。由于x(t)是已知的，采用现有的任何信道估计方法都可得到h_env(t)的估计值。

步骤3)、中继Tag将AP发送的信号作为载波信号，调制导频(或训练)序列信号到它的上面，以方便信号源AP估计经过中继Tag反射的信道环境。

中继Tag调制的导频序列对信号源AP是已知的，以方便AP估计经过其反射的信道环境。该信道估计时间可以预先设置，比如32μs，且在AP和中继Tag端都是已知的。

具体来说，假设AP发送信号x(t)，到达中继Tag后，其调制导频信号e^jθ(t)，并将x(t)反射回AP，如图5所示。此时，接收信号为：

其中，h_f(t)表示x(t)从AP到达中继所经历的前向信道(Forward channel)；h_b(t)表示信号从中继Tag返回到AP所经历的反向信道(Backward channel)；y_env(t)表示环境散射引入的自干扰信号。假设y_env(t)已在步骤2)中估计出来，且没有误差，将其去除可得到：

此时，由于x(t)和e^jθ(t)都是已知的，[公式三]变成了一个标准的信道估计问题，可以采用任何现有的估计方法。需要注意的是，信道估计只能得到复合信道参数，无法得到单独的h_f(t)或h_b(t)。在这种情况下，接收信号可以进一步表示为：

其中

表示复合信道参数。

步骤4)、AP发送寻呼信号，用于通知目标Tag进行传输。

AP发送相应的伪随机序列，唤醒目标Tag准备进行传输。其过程与步骤1)类似。

步骤5)、目标Tag将AP发送的信号作为载波信号，调制所需发送的信号到经过其反射的载波信号上，并被中继Tag接收。目标Tag传输结束后，进入休眠状态。

该传输时间可以预先设置，比如1ms，且在AP、中继Tag和目标Tag端都是已知的。Tag可以通过切换电路阻抗的多种状态来改变功率反射系数，从而改变射频信号的幅度或相位来传递信息。在图3给出的一个简单例子中，目标Tag通过改变电路阻抗调制“0”和“1”的信息到AP发送的射频信号上，并反向散射给中继Tag。中继Tag收到的是射频信号和目标Tag反向散射的叠加信号。具体来说，假设x(t)是正弦波信号，目标Tag采用了幅度键控(ASK)，当调制的信息是“1”时，中继Tag收到的叠加信号为：

当调制的信息是“0”时，中继Tag收到的叠加信号为：

[公式六]和[公式七]中，θ_E和

表示正弦波信号和目标Tag信号的相位。假设AP和目标Tag与中继Tag的距离分别为d₂和d₃，目标Tag与中继Tag之间的距离为d₁，我们得到：

其中，c表示光速；f表示正弦波信号的频率；θ_b表示硬件引入的相移；

表示AP与目标Tag之间距离引入的相位差。中继Tag只有简单电路，主要通过包络检测器来检测目标Tag的信号。S¹(t)和S⁰(t)的幅度分别为：

其中

根据Friis传输模型，[公式十]和[公式十一]中的各项可以表示为：

其中，G_E，

和

分别表示AP，目标Tag和中继Tag的天线增益。P_E表示AP的发送功率；λ＝c/f表示波长；k₀和k₁是与反射系数相关的常数；

表示中继Tag检测电路的电阻。

步骤6)、中继Tag将AP发送的信号作为载波信号，调制所需发送的信号到经过其反射的载波信号上，并被AP接收，完成中继传输。

收到目标Tag的数据后，中继Tag可通过改变射频信号的相位或幅度的方式来将其传送至AP。假设符号周期是T_d，则e^jθ(t)将在t₁到t₁+T_d的时刻内保持不变，其中t₁表示符号的开始时间。去除y_env(t)后，我们得到：

其中e^jθ(t)表示未知的符号；t₂＝t₁+T_d。由于x(t)是的采样周期T_x远小于T_d，AP以T_x采样后可得到：

其中t₁＝n₁T_x；t₂＝n₂T_x。考虑到信道有多根路径，[公式十七]可以进一步表示为：

这里，L和M分别表示前向信道和反向信道的多径数目。由于复合信道参数

是前向信道和反向信道的卷积，所以共有L+M根路径。在周期T_d里，尽管x(n)有n₂-n₁+1个不同的采样值，但Beacon Tag调制的符号e^jθ保持不变。因此，我们可以采用时域最大比合并(MRC)的方法来解调中继Tag调制的符号，即：

其中，(·)^C和∠{·}分别表示复数共轭和取相位操作。由于x(t)是AP发送的，所以在AP端是已知的。另外，复合信道参数已由步骤3)估计出，我们于是得到

根据以上描述，可以得到一种适用于环境反向散射通信中基于Tag的中继方法为：

步骤1)、AP发送寻呼信号，用于通知中继Tag准备传输；

步骤2)、中继Tag保持静默，不调制信号。AP在此期间发送导频(或训练)序列，用于估计经过环境反射后到达的自干扰信号的信道参数；

步骤3)、中继Tag将AP发送的信号作为载波信号，调制导频(或训练)序列信号到它的上面，以方便信号源AP估计经过中继Tag反射的信道环境；

步骤4)、AP发送寻呼信号，用于通知目标Tag进行传输；

步骤5)、目标Tag将AP发送的信号作为载波信号，调制所需发送的信号到经过其反射的载波信号上，并被中继Tag接收。目标Tag传输结束后，进入休眠状态；

步骤6)、中继Tag将AP发送的信号作为载波信号，调制所需发送的信号到经过其反射的载波信号上，并被AP接收，完成中继传输。

以上所述即使本发明的实施方法，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，再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。

Claims (1)

1.一种环境反向散射通信中基于标签的中继方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）接入点发送寻呼信号，用于通知中继Tag准备传输；

（2）中继Tag保持静默，不调制信号，AP在此期间发送导频或训练序列，用于估计经过环境反射后到达的自干扰信号的信道参数；

（3）中继Tag将AP发送的信号作为载波信号，调制导频或训练序列信号到它的上面，以方便信号源AP估计经过中继Tag反射的信道环境；

（4）AP发送寻呼信号，用于通知目标Tag进行传输；

（5）目标Tag将AP发送的信号作为载波信号，调制所需发送的信号到经过其反射的载波信号上，并被中继Tag接收；目标Tag传输结束后，进入休眠状态；

（6）中继Tag将AP发送的信号作为载波信号，调制所需发送的信号到经过其反射的载波信号上，并被AP接收，完成中继传输。

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