CN111654460A - 一种共生无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种共生无线通信系统。本发明设计了反射设备的信息传输格式，接收机先检测发送机符号，然后重构直接链路信号，利用干扰消除技术从接收信号中减去重构的直接链路信号，接着利用能量检测(ED)的方法检测反射设备符号。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，具体涉及一种共生无线通信系统。

背景技术

物联网技术是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，因此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，设计了反射设备的信息传输格式，接收机先检测发送机符号，然后重构直接链路信号，利用干扰消除技术从接收信号中减去重构的直接链路信号，接着利用能量检测(ED)的方法检测反射设备符号，具体为：

一种共生无线通信系统，包括发送机、接收机和反射设备，发送机、接收机以及反射设备采用单天线，发送机的发送信号和反射设备信号同步，即发送机符号和反射设备符号的开始位置和结束位置相同，并且1个反射设备符号对应1个OFDM符号；定义发送机发送的时域复基带信号为s_cb[n]，接收机接收到的时域复基带信号为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，称为直接链路信道，发送机与反射设备之间的信道为g，反射设备与接收机之间的信道v[n]表示，总功率都为1，g和v[n]一起组成了反射链路信道；

信号发送：

发送机生成的第i个OFDM符号的时域表达式为：

其中，N表示子载波个数，N_cp表示循环前缀长度，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；

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；

反射设备先发送一个导频符号0，接收机根据这一导频符号估计出直接链路信道，接着反射设备发送一个导频符号1以及数据符号，反射链路信号为：

其中Δγ为直接链路和反射链路的相对信噪比：

其中a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；

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]

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：

对r_rem[n]进行能量检测，计算出每个反射设备符号对应的平均能量值为：

反射设备前两个符号为导频符号，对应能量值为E₀和E₁，然后使用最小距离检测的方法恢复反射设备符号：

其中，A_c为反射设备符号的取值集合。

上述方案中，估计直接链路信号的具体方法是：

去掉每个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：

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。

接着利用第一个导频符号上的子载波符号s₀[k]，估计直接链路信道，得到如下表达式：

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，重构发送机发送的第i个OFDM符号为：

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链路信号传输格式的设计；

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：

本发明考虑单个反射设备，发送机、接收机以及反射设备采用单天线的情况。假设发送机发送的时域复基带信号为s_cb[n]，接收机接收到的时域复基带信号为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。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，发送机与反射设备之间的信道为g，反射设备与接收机之间的信道v[n]表示，总功率都为1，g和v[n]一起组成了反射链路信道。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。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a，则反射设备反射的信号的平均功率为

P_tag＝|a|²P_g (4)

接着该信号经过信道v[n]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，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c[n]是反射设备的信号。

设置噪声方差为1，可以定义直接链路信噪比为

相应地，定义反射链路信噪比为

接着定义直接链路和反射链路的相对信噪比为

所以式(9)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

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]是经过噪声污染的反射链路信号，此时可以利用能量检测的方法，计算出反射设备发送的每个符号的能量值，利用这些能量值判决出反射设备符号。

为了保证直接链路信号的导频符号经历的是直接链路信道，而不是直接链路信道和反射链路信道组成的和信道，需要设计反射链路信号的传输格式。反射设备先发送一个导频符号0，接收机根据这一导频符号估计出直接链路信道，接着反射设备发送一个导频符号1以及数据符号。干扰消除过后，利用两个导频符号，接收机可以计算出这两种导频符号对应的能量值，将数据符号的能量值与这两个能量值比较，如果数据符号对应的能量值距离导频符号0的能量值近，则判决数据符号为0，否则判决数据符号为1。反射链路信号的传输格式如图2所示。

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。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。反射设备一帧信号中符号个数为10，一帧OFDM信号中的符号个数也为10。信道f[n]和v[n]是相互独立的8径等功率的信道，总功率为1，每一径信道的衰落满足复高斯分布。信道g是瑞利衰落信道，即满足复高斯分布，复高斯分布的均值为0，方差为1。信道实现次数为10⁶，噪声功率为

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。在反射链路信号功率比噪声小时，也就是γ_d小于-(Δγ)_dB时，发送机符号的误码率曲线和OFDM系统的误码率曲线非常接近。在反射链路信号功率比噪声大时，即γ_d大于-(Δγ)_dB时，发送机符号的误码率曲线下降速度变慢，逐渐趋于一个错误平台，随着相对信噪比减小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。

图4中，ED标记的曲线表示接收机对接收信号直接使用能量检测时，反射设备符号的误码率。可以看出，当Δγ为一个固定的值时，ED的性能很差，曲线下降很慢，采用干扰消除后再进行能量检测(IC-ED)的算法性能比ED好，在直接链路信噪比γ_d大于-(Δγ)_dB时，曲线明显下降。当Δγ减小10dB，IC-ED算法的性能也变差10dB。仿真结果说明IC-ED算法的性能比ED的性能要优越。

Claims (1)

1.一种共生无线通信系统，其特征在于，包括发送机、接收机和反射设备，发送机、接收机以及反射设备采用单天线，发送机的发送信号和反射设备信号同步，即发送机符号和反射设备符号的开始位置和结束位置相同，并且1个反射设备符号对应1个OFDM符号；定义发送机发送的时域复基带信号为s_cb[n]，接收机接收到的时域复基带信号为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，称为直接链路信道，发送机与反射设备之间的信道为g，反射设备与接收机之间的信道v[n]表示，总功率都为1，g和v[n]一起组成了反射链路信道；

信号发送：

发送机生成的第i个OFDM符号的时域表达式为：

其中，N表示子载波个数，N_cp表示循环前缀长度，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；

反射设备先发送一个导频符号0，接收机根据这一导频符号估计出直接链路信道，接着反射设备发送一个导频符号1以及数据符号，反射链路信号为：

其中，Δγ为直接链路和反射链路的相对信噪比：

a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；

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]

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：

对r_rem[n]进行能量检测，计算出每个反射设备符号对应的平均能量值为：

反射设备前两个符号为导频符号，对应能量值为E₀和E₁，然后使用最小距离检测的方法恢复反射设备符号：

其中，A_c为反射设备符号的取值集合。

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