CN112039553A - 基于环境反向散射的两节点机会互协作通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种基于环境反向散射的两节点机会互协作通信方法及系统。用于通过计算反向散射节点BD1和BD2的最优反射系数α₁ ^*和α₂ ^*，并根据α₁ ^*和α₂ ^*的取值，选择反向散射节点BD1和BD2的发射和接收关系，实现反向散射节点间高可靠对等传输的目的。本发明能自适应提升传输可靠性，与现有环境反向散射协作通信方法相比，能够根据无线信道衰落的动态波动特性，灵活选择两节点间反向散射传输方向，并自适应配置节点的反射系数来保证主系统和反向散射系统传输速率要求，提高节点间传输的可靠性。

Description

基于环境反向散射的两节点机会互协作通信方法及系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于环境反向散射的两节点机会互协作通信方法及系统。

背景技术

环境反向散射通信技术通过利用环境中已经存在的电磁波来承载信息和实现通信，是无源物联网传输系统的关键技术，在5G移动通信时代具有良好的应用前景。该技术通过环境电磁波的二次利用来解决物联网可用频谱资源稀缺和能耗高的问题。

在环境反向散射通信系统中，反向散射发射机具有主系统信号的协作中继转发功能，而反向散射接收机则可以同时译码主系统信号和反向散射信号，这种反向散射通信系统也称为环境反向散射协作通信系统。2019年H.Guo等人在IEEE WirelessCommunications Letters发表的论文“Cooperative ambient backscatter system:Asymbiotic radio paradigm for passive IoT”中，提出了环境反向散射协作通信系统的概念，并给出了系统的资源优化分配方法。2020年H.Ding等人在IEEE WirelessCommunications Letters发表的论文“Outage analysis for cooperative ambientbackscatter systems”分析了环境反向散射协作通信系统中“共生、寄生、竞争”三种频谱共享策略的可达传输可靠性，传统的环境反向散射协作通信系统采用固定协作方式，即其中一个固定为反向散射发射节点，另一个固定为反向散射接收节点。但由于所提出的反向散射协作通信方法没有充分利用无线信道的动态衰落特性，使得系统传输可靠性欠佳，且反向散射节点间不具有对等传输的能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于环境反向散射的两节点机会互协作通信方法及系统，用以解决现有技术中的反向散射系统不具有对等传输能力和传输可靠性较弱等问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种基于环境反向散射的两节点机会互协作通信方法，用于通过动态配置一对反向散射节点的发射和接收状态，并自适应设置发射和接收节点的反向散射系数，实现一对反向散射节点间高可靠对等传输的目的，方法包括如下步骤：

步骤1：计算反向散射节点BD1和BD2的最优反射系数α₁ ^*和α₂ ^*，α₁ ^*和α₂ ^*满足式Ⅰ和式Ⅱ：

其中，h₁和h₂表示提供环境载波信号的主系统发射机到BD1和BD2的信道系数，h₁₂表示BD1与BD2间的信道系数，h₀表示提供环境载波信号的主系统发射机和主系统接收机的信道系数，P_s表示主系统发射机发射功率，η₁和η₂分别表示BD1和BD2的反向散射效率；

步骤2：根据α₁ ^*和α₂ ^*的取值，选择反向散射节点BD1和BD2的发射和接收关系：

若α₁ ^*＝0且α₂ ^*＝0时，停止通信；

若α₁ ^*＝0且α₂ ^*＞0时，则选用BD2作为发射节点，BD1作为接收节点，进行通信；

若α₁ ^*＞0且α₂ ^*＝0时，则选用BD1作为发射节点，BD2作为接收节点，进行通信；

若α₁ ^*＞0且α₂ ^*＞0时，则根据BD1处译码的信干噪比的取值γ₁和BD2处译码的信干噪比的取值γ₂进行判断：若γ₁≥γ₂，则选用BD2作为发射节点，BD1作为接收节点，进行通信；否则，选用BD1作为发射节点，BD2作为接收节点，进行通信。

一种基于环境反向散射的两节点机会互协作通信系统，包括主系统发射机和接收机，以及一对反向散射节点BD1和BD2，所述主系统发射机用于在和主系统接收机互相通信的过程中向反向散射节点BD1和BD2提供环境载波信号；

所述反向散射节点BD1和BD2通过分布式控制和交互协商完成发射和接收状态的选择，并在状态选择完成后相互进行通信；

所述交互协商是指BD1和BD2分别计算反射系数α₁ ^*和α₂ ^*并交互各自的反射系数，α₁ ^*和α₂ ^*满足式Ⅰ和式Ⅱ：

其中，h₁和h₂表示提供环境载波信号的主系统发射机到BD1和BD2的信道系数，h₁₂表示BD1与BD2间的信道系数，h₀表示提供环境载波信号的主系统发射机和主系统接收机间的信道系数，P_s表示主系统发射机发射功率，η₁和η₂分别表示BD1和BD2的反向散射效率；

所述分布式控制是指反向散射节点BD1和BD2任选其一进行如下判断和控制：

若α₁ ^*＝0且α₂ ^*＝0时，系统停止工作；

若α₁ ^*＝0且α₂ ^*＞0时，则选用BD2作为发射节点，BD1作为接收节点，系统开始通信；

若α₁ ^*＞0且α₂ ^*＝0时，则选用BD1作为发射节点，BD2作为接收节点，系统开始通信；

若α₁ ^*＞0且α₂ ^*＞0时，则根据BD1处译码的信干噪比的取值γ₁和BD2处译码的信干噪比的取值γ₂进行判断：若γ₁≥γ₂，则选用BD2作为发射节点，BD1作为接收节点，系统开始通信；否则，则选用BD1作为发射节点，BD2作为接收节点，系统开始通信。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

(1)本发明能自适应提升传输可靠性，与现有环境反向散射协作通信方法相比，能够根据无线信道衰落的动态波动特性，灵活选择两节点间反向散射传输方向，并自适应配置节点的反射系数来保证主系统和反向散射系统传输速率要求，提高节点间传输的可靠性。

(2)本发明具有节点间对等传输能力，与现有环境反向散射协作通信方法不同，本发明提出的反向散射传输方法适用于节点间有对等传输需求的场合，如Tag-to-Tag反向散射通信，可以满足环境反向散射系统中节点间的信息交换需求。

(3)本发明能够有效降低环境反向散射协作通信系统的传输中断概率，同时提高系统的平均和速率。

附图说明

图1是本发明所提出的环境反向散射两节点机会互协作系统示意图；

图2是对于环境反向散射两节点机会互协作系统，本发明所提出的反向散射互协作传输方法与反向散射固定协作传输方法的中断概率对比图；

图3是对于环境反向散射两节点机会互协作系统，本发明所提出的反向散射互协作传输方法与反向散射固定协作传输方法的平均和速率对比图。

具体实施方式

以下首先对本发明中出现的技术词语进行解释说明：

串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)：SIC的基本原理是首先译码功率最大用户的信号，并将其消除，在此基础上译码功率排第二位的用户的信号，并消除该信号，从而达到在多用户干扰中译码较弱信号的目的。

环境反向散射协作通信系统：是指发射机不需要自身产生载波，通过利用周围环境中存在的数字电视广播、WiFi、蜂窝网信号等作为载波信号源，进而对其进行射频阻抗匹配调制，完成信号的调制和反射。在接收端通过译码该反射信号恢复发射机原始信息的无线通信系统。

在本实施例中公开了一种基于环境反向散射的两节点机会互协作通信方法，用于反向散射节点间具有对等传输需求，且对传输可靠性要求较高的应用场景，通过动态配置一对反向散射发射和接收节点，并自适应设置发射节点的反射系数，实现一对反向散射节点间高可靠对等传输的目的，具体工作过程如下步骤：

步骤1：计算反向散射节点BD1和BD2的最优反射系数，记为α₁ ^*和α₂ ^*；所述最优反射系数是指能够使得接收端译码的信干噪比最大的反射系数；

步骤2：根据α₁ ^*和α₂ ^*的取值，选择反向散射节点BD1和BD2的发射和接收关系：

若α₁ ^*＝0且α₂ ^*＝0时，停止通信；

若α₁ ^*＝0且α₂ ^*＞0时，则选用BD2作为发射节点，BD1作为接收节点，进行通信；

若α₁ ^*＞0且α₂ ^*＝0时，则选用BD1作为发射节点，BD2作为接收节点，进行通信；

若α₁ ^*＞0且α₂ ^*＞0时，则根据BD1处译码的信干噪比的取值γ₁和BD2处译码的信干噪比的取值γ₂进行判断：若γ₁≥γ₂，则选用BD2作为发射节点，BD1作为接收节点，进行通信；否则，选用BD1作为发射节点，BD2作为接收节点，进行通信。

在本实施例中公开了一种基于环境反向散射的两节点机会互协作通信系统，包括主系统发射机和接收机，以及一对反向散射节点BD1和BD2，所述主系统发射机用于在和主系统接收机互相通信的过程中向反向散射节点BD1和BD2提供环境载波信号，BD1和BD2为无源节点，自身不产生载波，通过调制周围环境中的载波信号进行通信；

所述反向散射节点BD1和BD2通过分布式控制和交互协商完成发射和接收状态的选择；

所述交互协商是指BD1和BD2分别计算反射系数α₁ ^*和α₂ ^*并交互各自的反射系数，α₁ ^*和α₂ ^*满足式Ⅰ和式Ⅱ：

其中，h₁和h₂表示提供环境载波信号的主系统发射机到BD1和BD2的信道系数，h₁₂表示BD1与BD2间的信道系数，h₀表示提供环境载波信号的主系统发射机和主系统接收机间的信道系数，P_s表示主系统发射机发射功率，η₁和η₂分别表示BD1和BD2的反向散射效率；

所述分布式控制是指反向散射节点BD1和BD2任选其一进行如下判断和控制：

若α₁ ^*＝0且α₂ ^*＝0时，系统停止工作；

若α₁ ^*＝0且α₂ ^*＞0时，则选用BD2作为发射节点，BD1作为接收节点，系统开始通信；

若α₁ ^*＞0且α₂ ^*＝0时，则选用BD1作为发射节点，BD2作为接收节点，系统开始通信；

若α₁ ^*＞0且α₂ ^*＞0时，则根据BD1处译码的信干噪比的取值γ₁和BD2处译码的信干噪比的取值γ₂进行判断：若γ₁≥γ₂，则选用BD2作为发射节点，BD1作为接收节点，系统开始通信；否则，则选用BD1作为发射节点，BD2作为接收节点，系统开始通信。

本发明的系统在工作时，工作流程如下：

首先主系统发射机PT发送信号，其中PT发送的第n个信号记为s(n)，n＝1,2,3......，该信号为独立同分布零均值循环对称复高斯信号，具有归一化方差E[|s(n)|²]＝1，E(x)表示期望，P_s表示PT发射功率，两反向散射节点BD1和BD2接收到的信号可以分别表示为：

其中，h₁和h₂表示PT到BD1和BD2的信道系数，h₁₂表示BD1与BD2间的信道系数，c(n)表示反向散射节点发送的第n个信号，为独立同分布零均值循环对称复高斯信号，满足归一化方差E[|s(n)|²]＝1，u_I(n)～CN(0,1)为零均值加性高斯白噪声(AWGN)，α₁和α₂分别表示反向散射节点BD1和BD2的归一化反射系数，η₁和η₂分别表示BD1和BD2的反向散射效率。

利用串行干扰消除(SIC)方法恢复反向散射系统发射信号，具体来讲，反向散射接收机首先译码功率较大的环境载波信号s(n)，然后减去该载波信号分量来译码反向散射信号c(n)。这样，在反向散射节点BD1和BD2处译码s(n)的信干噪比(the signal-to-interference-plus-noise ratio，SINR)可以分别写为：

于是，BD1作反向散射发射节点，BD2作接收节点时译码的信噪比(SNR)可以写为：

γ₃＝P_sα₁η₁|h₁|²|h₁₂|² (5)

同理，BD2作反向散射发射节点，BD1作接收节点时译码的SNR可以写为：

γ₄＝P_sα₂η₂|h₂|²|h₁₂|² (6)

另一方面，对于主系统，考虑PR远离BD的应用场景，并忽略在PR处接收到的BD1和BD2的微弱信号，可以将PR处的接收信号表示为：

其中u_p(n)是PR处的归一化AWGN。于是，在PR处译码s(n)的SNR为：

γ₀＝P_s|h₀|² (8)

当BD1为反向散射发射节点，根据BD2利用SIC译码s(n)和c(n)的信号处理流程，需要满足γ₂≥γ₁，等价地：

同理，BD2为反向散射发射节点，根据BD1利用SIC译码s(n)和c(n)的信号处理流程，需要满足γ₁≥γ₂，等价地：

因此，BD1和BD2的最优的反射系数分别为：

实施例1

公平比较起见，采用与2020年H.Ding等人在IEEE Wireless CommunicationsLetters发表的论文“Outage analysis for cooperative ambient backscattersystems”相对应的仿真参数设置如下：接收信噪比门限值τ₀＝-35dB，路径损耗指数β＝3，平均信道功率增益与节点间距离关系满足

l＝1,2,3。不失一般性，平均信道功率增益设为λ₀＝1，λ₁＝0.5，λ₂＝0.4，反向散射效率设为η₁＝η₂＝η＝0.6。

仿真程序代码思路如下：设置参数，分别对|h₀|²、|h₁|²、|h₂|²、|h₁₂|²产生服从指数分布的随机样本10⁷个，再根据前文中对应的表达式，用已知参数表示α₁ ^*和α₂ ^*，当α₁ ^*和α₂ ^*大于1时，取1，当α₁ ^*和α₂ ^*小于等于0时，取0。这里需要定义一个根据反向散射节点接收信干噪比而得到的判决函数criterion：

criterion＝γ₁-γ₂ (13)

当γ₁≥γ₂时，即满足criterion≥0时，BD2为反向散射发射节点。否则，BD1为反向散射发射节点。利用criterion判断出反向散射发射节点后，即可得BD1和BD2分别作为发射节点时所对应的接收信干噪比，当接收信干噪比小于门限值时即发生中断，最后以发射信噪比为横坐标，反向散射系统中断概率为纵坐标，画出本发明方法的中断性能曲线，并与固定协作方法的中断性能曲线对比，从而完成仿真。

仿真得到了环境反向散射协作通信系统在瑞利衰落信道条件下，使用固定协作方法和本发明所提出的机会互协作方法得到的中断概率随信噪比的变化曲线，如图2所示。可以看出，本发明所提出的机会互协作方法相较于固定协作方法，能够有效降低系统的中断率，提高系统的传输可靠性。

仿真得到了环境反向散射协作通信系统在瑞利衰落信道条件下，使用固定协作方法和本发明所提出的机会互协作方法的平均和速率随信噪比的变化曲线，如图3所示。可以看出，本发明所提出的反向散射机会互协作方法相较于现有的固定协作方法，具有最高的平均和速率，即能够提高系统传输的有效性。

Claims (2)

1.一种基于环境反向散射的两节点机会互协作通信方法，其特征在于，用于通过动态配置一对反向散射节点的发射和接收状态，并自适应设置反向散射发射节点的反射系数，实现一对反向散射节点间高可靠对等传输的目的，方法包括如下步骤：

步骤1：计算反向散射节点BD1和BD2的最优反射系数α₁ ^*和α₂ ^*，α₁ ^*和α₂ ^*满足式Ⅰ和式Ⅱ：

其中，h₁和h₂表示提供环境载波信号的发射机到BD1和BD2的信道系数，h₁₂表示BD1与BD2间的信道系数，h₀表示提供环境载波信号的主系统发射机和主系统接收机间的信道系数，P_s表示主系统发射机发射功率，η₁和η₂分别表示BD1和BD2的反向散射效率；

步骤2：根据α₁ ^*和α₂ ^*的取值，选择反向散射节点BD1和BD2的发射和接收关系：

若α₁ ^*＝0且α₂ ^*＝0时，停止通信；

若α₁ ^*＝0且α₂ ^*＞0时，则选用BD2作为发射节点，BD1作为接收节点，进行通信；

若α₁ ^*＞0且α₂ ^*＝0时，则选用BD1作为发射节点，BD2作为接收节点，进行通信；

若α₁ ^*＞0且α₂ ^*＞0时，则根据BD1处译码的信干噪比的取值γ₁和BD2处译码的信干噪比的取值γ₂进行判断：若γ₁≥γ₂，则选用BD2作为发射节点，BD1作为接收节点，进行通信；否则，选用BD1作为发射节点，BD2作为接收节点，进行通信。

2.一种基于环境反向散射的两节点机会互协作通信系统，包括主系统发射机和接收机，以及一对反向散射节点BD1和BD2，所述主系统发射机用于在和主系统接收机互相通信的过程中向反向散射节点BD1和BD2提供环境载波信号，其特征在于，

所述反向散射节点BD1和BD2通过分布式控制和交互协商完成发射和接收状态的选择，并在状态选择完成后相互进行通信；

所述交互协商是指BD1和BD2分别计算反射系数α₁ ^*和α₂ ^*并交互各自的反射系数，α₁ ^*和α₂ ^*满足式Ⅰ和式Ⅱ：

其中，h₁和h₂表示提供环境载波信号的主系统发射机到BD1和BD2的信道系数，h₁₂表示BD1与BD2间的信道系数，h₀表示提供环境载波信号的主系统发射机和接收机间的信道系数，P_s表示发射功率，η₁和η₂分别表示BD1和BD2的反向散射效率；

所述分布式控制是指反向散射节点BD1和BD2任选其一进行如下判断和控制：

若α₁ ^*＝0且α₂ ^*＝0时，系统停止工作；

若α₁ ^*＝0且α₂ ^*＞0时，则选用BD2作为发射节点，BD1作为接收节点，系统开始通信；

若α₁ ^*＞0且α₂ ^*＝0时，则选用BD1作为发射节点，BD2作为接收节点，系统开始通信；

若α₁ ^*＞0且α₂ ^*＞0时，则根据BD1处译码的信干噪比的取值γ₁和BD2处译码的信干噪比的取值γ₂进行判断：若γ₁≥γ₂，则选用BD2作为发射节点，BD1作为接收节点，系统开始通信；否则，则选用BD1作为发射节点，BD2作为接收节点，系统开始通信。

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