CN111654314A - 一种多反射设备共生无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种多反射设备共生无线通信系统。本发设计了反射设备和发送机的信号格式，接收机先检测直接链路符号，然后重构直接链路信号，利用干扰消除(IC)技术从接收信号中减去重构的直接链路信号，接着在导频符号中取出每个反射设备对应的信号段，从而估计反射链路信道，最后联合检测各个反射设备的符号。本发明的有益效果为，将串行干扰消除技术应用于共生无线通信系统，有效简化了共生无线通信系统中反射设备符号的恢复方法，同时使解调的可靠性得到提高。

Description

一种多反射设备共生无线通信系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种多反射设备共生无线通信系统。

背景技术

物联网技术是实现未来智慧社会的重要技术手段之一，能够将各种各样的设备连接起来进行统一的管理，方便人类的日常生活和工作。由于物联网中存在大量设备，设备的功耗和造价是必须考虑的因素，即物联网设备应该满足功耗低和造价低的要求，这样才能大量布置物联网设备，实现万物互联。

共生无线通信系统是一种低能耗，低造价的通信系统。在这个系统中，存在发送机、反射设备和接收机三种设备，发送机发送无线信号，反射设备收到这一信号后根据自身信息改变无线信号的幅度和相位，接收机收到信号后对信号进行解调，同时恢复出发送机和反射设备发送的符号。其中反射设备通过选择不同的阻抗来实现不同的反射系数，实现对信号的调制。共生无线通信的特点使得其成为一种具有广大应用前景的物联网技术，在未来的物联网中，低功耗通信设备可以大规模布置，实现设备信息的传输和广地域的覆盖。

串行干扰消除技术在第三代移动通信技术中提出，用于在多用户检测中降低或消除用户间的干扰。具体做法是先解调出信号功率大的用户的符号，然后利用这些符号重构该用户的信号，从接收信号中减去这个用户的信号，再检测其它用户的符号，直到所有用户的符号检测完成。利用串行干扰消除技术，用户符号解调的可靠性可以得到很大的提高。

发明内容

本发明提供了一种多反射设备共生无线通信系统，本发明基于共生无线通信系统中，存在直接链路和反射链路两条链路，直接链路信号强度比反射链路信号强，利用串行干扰消除技术的思想，先将直接链路解调和重构，从接收信号中减去这一重构信号，在消除效果理想时，得到的信号可以看作是经过噪声污染的反射链路信号，接着再对反射链路进行解调，得到反射设备发送的符号。

本发明采用的技术方案是，设计了反射设备和发送机的信号格式，接收机先检测直接链路符号，然后重构直接链路信号，利用干扰消除(IC)技术从接收信号中减去重构的直接链路信号，接着在导频符号中取出每个反射设备对应的信号段，从而估计反射链路信道，最后联合检测各个反射设备的符号，具体为：

一种多反射设备共生无线通信系统，包括发送机、接收机和M个反射设备，发送机、接收机以及反射设备采用单天线，且发送机的发送信号和反射设备信号同步；定义发送机发送的OFDM信号为s_cb[n]，子载波个数为N，循环前缀长度为N_cp，接收机接收到的时域信号为r_cb[n]，反射设备产生的信号为c[n]，采用开关键控调制方式，比特1对应反射设备为反射状态，比特0对应反射设备为不反射状态，发送机与接收机之间的信道用f[n]表示，总功率为1，为直接链路信道，第m个反射设备和发送机以及和接收机之间的信道分别用g_m和v_m[n]表示，总功率都为1，g_m和v_m[n]一起组成了反射链路信道，m＝0,1,…,M-1；

信号发送：

为了保证接收机估计出完整的直接链路信道，发送机在OFDM信号的第一个导频的所有子载波上放入符号，后面的OFDM符号以W＝2M为间隔在Q＝N/(2M)个子载波上放入符号，，生成的第i个OFDM符号时域表达式为：

其中s_i[k]是第i个OFDM符号中第k个子载波上的符号，N_f是一帧OFDM信号包含的OFDM符号数，也是一帧反射设备信号包含的反射设备符号数；

即一帧OFDM信号表示为：

发送机发送的OFDM信号经过直接链路信道到达接收机，直接链路信号为：

其中P_d为接收机收到的直接链路信号平均功率：

其中P_t是发送机的平均发送功率，G_t是发送机的天线增益，G_r是接收机的天线增益，λ是载波的波长，D_f是发送机到接收机的距离，v₁是路径损耗因子；

在每条反射链路的信号传输过程中，OFDM信号先经过一个平坦块衰落信道，然后在反射设备处加载上反射设备的信号，经过一个多径信道到达接收机。所有反射设备先发送导频符号0，即都不反射信号，接着对于导频符号1的发送，对应的OFDM导频符号以W为间隔在Q个子载波上放入符号，这个符号除去循环前缀可以分为W段序列，每段序列取值相同，长度为N/W，每个反射设备对应2段这样的序列，在这2段序列发送期间，有一个反射设备反射信号。反射链路信号为：

其中△γ为直接链路和各个反射链路的相对信噪比：

其中α为反射系数，G_tag是接收机的天线增益，D_g是发送机到反射设备的距离，D_v是反射设备到接收机的距离，v₂、v₃是路径损耗因子，F＝λ²/(4π)²；

总的反射链路信号为：

信号接收：

接收机同时收到直接链路信号、反射链路信号和噪声，信号为：

r_cb[n]＝r_d[n]+r_b[n]+u[n]

其中u[n]是循环对称的复高斯变量，均值为0，方差为

收到这一信号后，由于反射链路信号强度弱于直接链路信号强度，接收机先对直接链路信号进行解调，根据OFDM信号中的导频符号，对直接链路信道进行估计，恢复发送机符号，然后估计直接链路信号得到直接链路信号

从接收信号中减去恢复的直接链路信号，得到：

去掉r_rem[n]中每个符号的循环前缀，得到

接着使用反射设备导频符号1对应的OFDM导频符号，取出每个反射设备反射的导频信号段的第2段：

重复W次，得到序列如下：

其中，

表示n对N/W求余；

对上述序列进行DFT变换，得到B_m[k]，然后估计各个反射设备对应的信道：

估计信道后，使用最大似然检测恢复各个反射设备的符号，得到如下表达式：

其中，c_i＝(c_i,0,c_i,1,…,c_i,M-1)^T是各反射设备发送的第i个符号组成的列向量，A_c是反射设备符号的取值集合，R_rem,i[k]是

的N点DFT变换。

上述方案中，估计直接链路信号的具体方法是：

去掉r_cb[n]中每个OFDM符号的循环前缀，第i个去掉循环前缀的OFDM符号表达式为：

接着进行DFT变换，得到第一个导频符号的表达式：

以及第二个导频符号和数据符号的表达式为

其中，F[k]是信道f[n]的N点DFT变换，

是噪声和反射链路信号的DFT变换之和。

接着利用已知导频符号s₀[k]，估计直接链路信道为

这里为了便于说明，在表达式右边除以了

实际中不需要这么做。

由中心极限定理可知，OFDM信号可以看成是独立同分布的复高斯随机变量序列。因此使用最大似然检测恢复每个OFDM数据符号的子载波符号，可以得到以下表达式：

其中，A_s为子载波符号的取值集合。

利用恢复出的子载波符号，先使用所有子载波符号重构第一个OFDM导频符号，接着重构第二个OFDM导频符号和数据符号：

以及发送机的发送信号：

对估计得到的信道

进行IFFT，得到直接链路信道的时域估计为

接着可以估计到达接收机的直接链路信号为

本发明的有益效果为，将串行干扰消除技术应用于共生无线通信系统，有效简化了共生无线通信系统中反射设备符号的恢复方法，同时使解调的可靠性得到提高。

附图说明

图1示出了本发明的系统结构示意图；

图2示出了本发明中反射设备导频符号1的设计原理；

图3为本发明设计的接收机在不同相对信噪比情况下，发送机符号的误码率性能；

图4为本发明设计的接收机在不同相对信噪比情况下，反射设备符号的误码率性能。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细描述：

本发明考虑多个反射设备，发送机、接收机以及反射设备采用单天线的情况，发送机的发送信号和反射设备信号同步，即射频源符号和反射设备符号的开始位置和结束位置相同。假设发送机发送的OFDM信号为s_cb[n]，子载波个数为N，循环前缀长度为N_cp，接收机接收到的时域信号为r_cb[n]，反射设备产生的信号为c[n]，采用开关键控(OOK)调制方式，比特1对应反射设备的反射状态，比特0对应反射设备不反射的状态。假设反射设备有M个，为了方便讨论，令M为2的整数次幂，当M为其它值时，将M设为大于该值的最小的2的整数次幂即可。各反射设备距离发送机很近，以此保证能够被激活。发送机与接收机之间的信道用f[n]表示，总功率为1，称为直接链路信道。第m个反射设备和发送机以及和接收机之间的信道分别用g_m和v_m[n]表示，总功率都为1，g_m和v_m[n]一起组成了反射链路信道，m＝0,1,…,M-1。整个系统结构如图1所示。

上面的信道是对小尺度衰落的建模，接下来讨论信道的大尺度衰落以及信号接收功率，为了方便讨论，考虑各反射设备到发送机以及接收机的距离相同，路径衰落因子也相同。首先对直接链路的大尺度衰落和信号接收功率进行介绍。假设发送机的平均发送功率为P_t，接收机收到的直接链路信号平均功率为P_d，根据自由空间路径损耗模型，可以得到以下表达式：

其中，G_t是发送机的天线增益，G_r是接收机的天线增益，λ是载波的波长，D_f是发送机到接收机的距离，v₁是路径损耗因子。为了简化上述式子的描述，令F＝λ²/(4π)²，则上述式子变为

接着介绍反射链路的大尺度衰落和信号接收功率。反射链路由两条路径组成，分别是发送机到反射设备和反射设备到接收机的路径。首先讨论第一条路径，假设反射设备处的信号平均功率为P_g，则有

其中，G_tag是接收机的天线增益，D_g是发送机到反射设备的距离，v₂是路径损耗因子。

接着讨论第二条路径，假设反射系数为α，则反射设备反射的信号的平均功率为

P_tag＝|α|²P_g (4)

接着该信号经过信道v到达接收机，此时信号的功率为

其中，D_v是反射设备到接收机的距离，v₃是路径损耗因子。

综合式(3)、(4)和(5)，可以得到反射链路信号的平均功率为

接收机收到的信号表达式为

r_cb[n]＝r_d[n]+r_b[n]+u[n] (7)

其中，r_d[n]为到达接收机的直接链路信号，r_b[n]为到达接收机的反射链路信号，由M条反射链路信号组成，u[n]是循环对称的复高斯变量，均值为0，方差为

直接链路信号的表达式为

反射链路信号的表达式为

其中r_b,m[n]是第m个反射设备的反射链路信号，表达式为

设置噪声方差为1，可以定义直接链路信噪比为

相应地，定义各个反射链路信噪比为

接着定义直接链路和各个反射链路的相对信噪比为

所以式(10)可以写成：

由于反射链路信号功率比直接链路信号弱，所以接收机先利用导频符号估计直接链路信道，然后将反射链路视为干扰并检测发送机符号，接着重构直接链路信号得到

接着从接收信号中减去这一信号，得到如下表达式

在干扰消除效果理想的情况下，上一步得到的r_rem[n]是各个反射链路信号和噪声的和信号，接着在导频符号中取出每个反射设备对应的信号段，可以得到各个反射链路信道的估计，最后利用联合最大似然检测恢复各个反射设备符号。

接下来说明反射设备信号的设计。反射设备的信号由两部分组成，分别是导频和数据符号，一帧信号中前两个符号为导频符号，其余的为数据符号。第一个导频符号为0，各个反射设备不反射信号。第二个导频符号为1，各个反射设备分时反射信号。根据OFDM信号的性质，当以M为间隔在子载波上放入符号时，经过IDFT后得到的序列由M段相同的序列组成，每个序列长度为N/M，可以对应一个反射设备。同时，考虑到多径的影响，参考循环前缀的作用，可以将上面长度为N/M的序列再次划分成两段，第一段作为循环前缀。因此，发送机将以W为间隔在子载波上放入符号。

反射设备导频符号1的信号设计原理如图2所示，其中给出两个反射设备接入时的情况。图中导频信号为反射设备发送导频符号1时的直接链路和反射链路导频信号，直接链路信号按4为间隔在子载波上放入符号，得到4段相同的长度为N/4的序列，前两段对应的时间内反射设备1反射信号，图中用数字1标记，后两段对应的时间内反射设备2反射信号，图中用数字2标记。经过信道后，最后一条多径在图中给出。接收机去掉循环前缀后，取出第二段长度为N/4的序列，重复4次，得到一个新序列，这个序列等价于只有OFDM导频符号和反射设备1导频符号的和信号。同理，将第四段序列取出，重复4次，得到的序列是只有OFDM导频符号和反射设备2导频符号的和信号。通过这种方式，将2条反射链路分开，接收机分别进行处理。

图3为本发明设计的接收机在不同相对信噪比的情况下，发送机符号的误码率性能。图4为本发明设计的接收机在不同相对信噪比的情况下，反射设备符号的误码率性能，在仿真中，由于存在多个反射设备，本发明使用误码率性能最差的反射设备的误码率曲线来说明结果。仿真中，OFDM子载波数N＝64，循环前缀长度N_cp＝16，子载波符号为4QAM符号。反射设备个数为2，一帧符号个数为10。信道f[n]和v_m[n]是8径等功率信道，总功率都是1，每一径信道的衰落满足复高斯分布。信道g_m是瑞利衰落信道，其均值为0，方差为1，噪声功率为

信道实现次数为10⁶。

图3中，OFDM标记的曲线表示的是只有直接链路时，接收机采用线性最小二乘信道估计和最大似然检测的误码率曲线，需要注意的是，这里使用的子载波个数是Q个，在时域信噪比相同的情况下，每个子载波上的功率比使用所有子载波的OFDM系统高，因此误码率性能更好。可以观察到，当△γ为一个固定值时，直接链路信噪比在0到-(△γ)_dB-10这一区间，曲线和只有直接链路时的OFDM信号的误码率曲线接近。当直接链路信噪比大于-(△γ)_dB-10，曲线会逐渐趋于一个错误平台。同时随着相对信噪比降低10dB，错误平台对应的误码率降低一个数量级。由分析可知，发送机符号的误码率性能是可以接受的。

从图4可以看出，当△g为一个固定值时，直接链路信噪比在0到-(△g)_dB这一区间，曲线变化缓慢。当直接链路信噪比大于-(△g)_dB，曲线出现明显下降，还可以看到，△g为-20dB的曲线出现错误平台，这是发送机符号误码率出现错误平台，干扰消除程度趋于稳定导致的。另外可以观察到，各条曲线的性能在直接链路信噪比范围为0到60dB时都能达到10^-2以下，这说明了系统的有效性。

Claims (1)

1.一种多反射设备共生无线通信系统，其特征在于，包括发送机、接收机和M个反射设备，发送机、接收机以及反射设备采用单天线，且发送机的发送信号和反射设备信号同步；定义发送机发送的OFDM信号为s_cb[n]，子载波个数为N，循环前缀长度为N_cp，接收机接收到的时域信号为r_cb[n]，反射设备产生的信号为c[n]，采用开关键控调制方式，比特1对应反射设备为反射状态，比特0对应反射设备为不反射状态，发送机与接收机之间的信道用f[n]表示，总功率为1，为直接链路信道，第m个反射设备和发送机以及和接收机之间的信道分别用g_m和v_m[n]表示，总功率都为1，g_m和v_m[n]一起组成了反射链路信道，m＝0,1,…,M-1；

信号发送：

发送机在OFDM信号的第一个导频的所有子载波上放入符号，后面的OFDM符号以W＝2M为间隔在Q＝N/W个子载波上放入符号，生成的第i个OFDM符号时域表达式为：

其中s_i[k]是第i个OFDM符号中第k个子载波上的符号，N_f是一帧OFDM信号包含的OFDM符号数，也是一帧反射设备信号包含的反射设备符号数；

即一帧OFDM信号表示为：

发送机发送的OFDM信号经过直接链路信道到达接收机，直接链路信号为：

其中P_d为接收机收到的直接链路信号平均功率：

其中P_t是发送机的平均发送功率，G_t是发送机的天线增益，G_r是接收机的天线增益，λ是载波的波长，D_f是发送机到接收机的距离，v₁是路径损耗因子；

所有反射设备先发送导频符号0，即都不反射信号，接着对于导频符号1的发送，对应的OFDM导频符号以W为间隔在Q个子载波上放入符号，这个符号除去循环前缀可以分为W段序列，每段序列取值相同，长度为N/W，每个反射设备对应2段这样的序列，在这2段序列发送期间，有一个反射设备反射信号；反射链路信号为：

其中△g为直接链路和各个反射链路的相对信噪比：

其中α为反射系数，G_tag是接收机的天线增益，D_g是发送机到反射设备的距离，D_v是反射设备到接收机的距离，v₂、v₃是路径损耗因子，F＝λ²/(4π)²；

总的反射链路信号为：

信号接收：

接收机同时收到直接链路信号、反射链路信号和噪声，信号为：

r_cb[n]＝r_d[n]+r_b[n]+u[n]

其中u[n]是循环对称的复高斯变量，均值为0，方差为

接收机先对直接链路信号进行解调，恢复发送机符号，然后估计直接链路信号

从接收信号中减去恢复的直接链路信号，得到：

去掉r_rem[n]中每个符号的循环前缀，得到

接着使用反射设备导频符号1对应的OFDM导频符号，取出每个反射设备反射的导频信号段的第2段：

重复W次，得到序列如下：

其中，

表示n对N/W求余；

对上述序列进行DFT变换，得到B_m[k]，然后估计各个反射设备对应的信道：

估计信道后，使用最大似然检测恢复各个反射设备的符号，得到如下表达式：

其中，c_i＝(c_i,0,c_i,1,…,c_i,M-1)^T是各反射设备发送的第i个符号组成的列向量，A_c是反射设备符号的取值集合，R_rem,i[k]是

的N点DFT变换。

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