CN112202535B - 一种基于反向散射的多用户共生通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反向散射的多用户共生通信系统及方法，通过将发射帧信息的前导部分和载波部分进行编译后发送至被动用户，利用被动用户对接收到的发射帧信息进行解析得到控制信令信息，根据被动用户接入的先后时刻，分别对不同的被动用户分配不同的乘积因子；被动用户将其接收解析得到控制信令信息与其得到的乘积因子相乘得到该被动用户在进行编码时所需的码片长度和码片传输速率，以此来保证多个被动用户相互间的正交性，从而各自的反向散射通信不会受到其他用户的干扰，通过随机接入被动用户来实现与主传输的共生通信，减弱了传统多用户接入中多址技术的同步要求，来实现被动通信链路。

Description

一种基于反向散射的多用户共生通信系统及方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于反向散射的多用户共生通信系统及方法。

背景技术

物联网作为新一代信息技术的重要组成部分，在近年来得到了快速发展；由于物联网设备在能源、成本和复杂度等方面的严格要求，使得反向散射这一低传输速率、低成本、低功耗的通信技术应用越来越广。反向散射技术是被动用户通过调节其天线阻抗将所要传输的数据调制到射频源信号的幅度或者相位上，向读写器反射信号，读写器对接收到的反射信号进行处理，从而恢复出被动用户发送的数据。

随着应用场景的增加，对反向散射下多用户通信的需求更加明显。由于反向散射通信中被动用户的反射信号强度较弱，对多个被动用户所反射的混合信号分离难度较大。为了减少多个被动用户之间的干扰，目前存在着多址接入方法，防碰撞算法及边缘检测算法等，且都只针对于多个被动用户同时进行反射的情况，而无法解决任意时间接入的被动用户接入信号处理；现有共生系统，以两个被动用户异步接入的共生系统为例，如图2所示，每个被动用户均配备有一个对应的被动接收机，用来解码对应用户发送的数据信息，主接收机用来解码射频源发送的信息。除了有用信息外，各个接收机都会受到干扰。在实际场景中，如何对任意时间接入的多个被动用户进行反向散射通信，同时能实现低功耗低复杂度的通信系统，成为物联网通信要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于反向散射的多用户共生通信系统及方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于反向散射的多用户共生通信方法，包括以下步骤：

步骤1)、将发射帧信息的前导部分和载波部分进行编译后发送至被动用户；

步骤2)、被动用户对接收到的发射帧信息进行解析得到控制信令信息，根据被动用户接入的先后时刻，分别对不同的被动用户分配不同的乘积因子；

步骤3)、被动用户将其接收解析得到控制信令信息与其得到的乘积因子相乘得到该被动用户在进行编码时所需的码片长度和码片传输速率；以此来保证多个被动用户相互间的正交性，从而各自的反向散射通信不会受到其他用户的干扰，

步骤4)、被动用户根据得到的码片长度和码片传输速率对要发送的数据进行μcode编码发送；

步骤5)、采用μcode译码方法对被动用户编码发送的信息进行解码得到不同被动用户的发射信号，从而实现多用户共生通信。

进一步的，发射帧信息的前导部分包括前导序列和控制信令，前导序列用于射频源发射端的发射帧信息到协同接收单元同步；控制信令用于被动用户进行编码的码片长度和码片传输速率。

进一步的，载波部分包含调制的连续载波和进行频偏估计的导频。

进一步的，反向散射用户采用的μcode编码方式，根据反向散射设备只有反射和不反射两种状态，使用零和一交替的芯片序列101010··10编码数据“1”位，使用芯片序列000000··00编码数据“0”位。

进一步的，对于不同码片长度的编码，将上述译码算法简化为计算接收信号在一个码片长度中1的个数。

进一步的，对于相同码片长度，不同码片传输速率的编码，计算接收信号在一个码片持续时间内的同相和正交分量，当二者和不小于码片长度，或当二者差不小于所译码用户码片的一个零一交替传输时间，则接收机输出为1，否则输出为0。

一种基于反向散射的多用户共生通信系统，包括发射机模块、被动用户信号接收处理模块和协同接收模块；

发射机模块用于发送发射帧信息给被动用户，发射机模块对需要发送的发射帧信息的前导部分和载波部分进行编译后发送至协同接收模块和不同被动用户信号接收处理模块；

被动用户信号接收处理模块对接收到的发射帧信息进行解析得到控制信令信息；根据被动用户接入的先后时刻，分别对不同的被动用户分配不同的乘积因子，然后将其接收解析得到控制信令信息与其得到的乘积因子相乘得到该被动用户在进行编码时所需的码片长度和码片传输速率，根据得到的码片长度和码片传输速率对要发送的数据进行μcode编码发送至协同接收模块；

协同接收模块将接收到的混合信号通过串行干扰消除方法进行分离得到发射帧信息和被动用户信号接收处理模块发送的编码信息，通过μcode译码方法对被动用户信号接收处理模块发送的编码信息进行解码得到不同被动用户的发射信号，实现多用户共生通信。

进一步的，发射机模块采用单一天线的射频信号源，协同接收模块采用单一天线的协同接收机。

进一步的，多个被动用户随机接入，被发射机模块发送的发射帧信息激励进行反向散射，协同接收模块采用主动传输和被动传输相结合的互利互惠模型，同时接收发射帧信息和被动用户的反射信号。

进一步的，发射帧信息的前导部分包括前导序列和控制信令，前导序列用于射频源发射端的发射帧信息到协同接收单元同步；控制信令用于被动用户进行编码的码片长度和码片传输速率，载波部分包含调制的连续载波和进行频偏估计的导频。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种基于反向散射的多用户共生通信方法，通过将发射帧信息的前导部分和载波部分进行编译后发送至被动用户，利用被动用户对接收到的发射帧信息进行解析得到控制信令信息，根据被动用户接入的先后时刻，分别对不同的被动用户分配不同的乘积因子；被动用户将其接收解析得到控制信令信息与其得到的乘积因子相乘得到该被动用户在进行编码时所需的码片长度和码片传输速率，以此来保证多个被动用户相互间的正交性，从而各自的反向散射通信不会受到其他用户的干扰，通过随机接入被动用户来实现与主传输的共生通信，减弱了传统多用户接入中多址技术的同步要求，来实现被动通信链路。

进一步的，发射帧信息的前导部分包括前导序列和控制信令，前导序列用于射频源发射端的发射帧信息到协同接收单元同步；控制信令用于被动用户进行编码的码片长度和码片传输速率，便于被动用户识别进行快速编码，提高了信息反射速度。

一种基于反向散射的多用户共生通信系统，接收端针对被动用户的的不同编码方式采用对应的解码算法，不需要设计其他检测方法即可恢复出被动用户发送的数据，结构简单，功耗低、成本低。

进一步的，采用单一天线即可实现通信，易于实现且不需要严格同步所带来的额外成本。

附图说明

图1是本发明实施例中基于反向散射的两用户共生系统的组成示意图；

图2是现有共生系统模型组成示意图；

图3是本发明实施例中发射帧结构示意图；

图4是本发明实施例中被动用户信号处理流程图；

图5是本发明实施例中协同接收机信号处理流程图；

图6是本发明实施例中两用户信号正交干扰验证图；

图7是本发明实施例中协同接收机译码性能图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

一种基于反向散射的多用户共生通信方法，包括以下步骤：

步骤1)、射频源将发射帧信息的前导部分和载波部分进行编译后发送至被动用户；

步骤2)、被动用户对接收到的发射帧信息进行解析得到控制信令信息，根据被动用户接入的先后时刻，分别对不同的被动用户分配不同的乘积因子；

步骤3)、被动用户将其接收解析得到控制信令信息与其得到的乘积因子相乘得到该被动用户在进行编码时所需的码片长度和码片传输速率；以此来保证多个被动用户相互间的正交性，从而各自的反向散射通信不会受到其他用户的干扰。

步骤4)、被动用户根据得到的码片长度和码片传输速率对要发送的数据进行μcode编码发送；

步骤5)、采用μcode译码方法对被动用户编码发送的信息进行解码得到不同被动用户的发射信号，从而实现多用户共生通信。

具体的，步骤1)中，发射帧信息的前导部分包括前导序列和控制信令，前导序列用于射频源发射端的发射帧信息到协同接收单元同步；控制信令用于被动用户进行编码的码片长度和码片传输速率；

载波部分包含调制的连续载波和进行频偏估计的导频。

被动用户采用的μcode编码方式，根据被动用户反向散射设备只有反射和不反射两种状态，从而使用零和一交替的芯片序列101010··10编码数据“1”位，使用芯片序列000000··00编码数据“0”位，随机接入的被动用户具体操作包括如下步骤：

Step1.被动用户1在t1时刻接收到射频源发送编译后的发射帧信息，通过解析数据帧中的控制信令，来设定该被动用户采用μcode编码时所选择的码片长度N和码片传输速率C，对被动用户要发送的数据进行编码，并使用ASK调制到射频信号上进行反射；

Step2.t2时刻被动用户2被射频信号激活，对解析得到的控制信令的数据乘以2来进行编码，即被动用户2选择码片长度为2N和码片传输速率为2C来进行μcode编码。

如图1所示，一种基于反向散射的多用户共生通信系统，包括发射机模块、被动用户信号接收处理模块和协同接收模块；

发射机模块用于发送发射帧信息给被动用户，发射机模块对需要发送的发射帧信息的前导部分和载波部分进行编译后发送至协同接收模块和不同被动用户信号接收处理模块；

被动用户信号接收处理模块对接收到的发射帧信息进行解析得到控制信令信息；根据被动用户接入的先后时刻，分别对不同的被动用户分配不同的乘积因子，然后将其接收解析得到控制信令信息与其得到的乘积因子相乘得到该被动用户在进行编码时所需的码片长度和码片传输速率，根据得到的码片长度和码片传输速率对要发送的数据进行μcode编码发送至协同接收模块；

协同接收模块将接收到的混合信号通过串行干扰消除方法进行分离得到发射帧信息和被动用户信号接收处理模块发送的编码信息，通过μcode译码方法对被动用户信号接收处理模块发送的编码信息进行解码得到不同被动用户的发射信号，实现多用户共生通信。

发射机模块采用单一天线的射频信号源，协同接收模块采用单一天线的协同接收机：其中，多个被动用户随机接入，被发射机模块发送的发射帧信息激励进行反向散射，协同接收模块采用主动传输和被动传输相结合的互利互惠模型，即协同接收机同时接收发射帧信息和被动用户的反射信号；

协同接收机采用串行干扰消除技术将信号功率较高的发射帧信息从混合信号中分离出来进行解码，利用μcode译码方法对随机接入的被动用户的反射信号进行解码。

在通信过程中，射频源按如图3所示的帧结构发送信息，前导部分包含用于系统发射机到协同接收机同步的前导序列，以及用于被动用户编码的码片长度和码片传输速率的控制信令，载波部分包含用于调制的连续载波和进行频偏估计的导频。在某一时刻(t1时刻)被动用户1感知到射频信号，被激活并进行编码调制，通过天线反射信号，实现流程如图4所示，被动用户1被激活后解码发射帧中的控制信令，得到用于编码的基础码片长度和码片传输速率，对要发送的数据进行μcode编码：

根据反向散射设备只有反射和不反射两种状态，从而使用零一交替的芯片序列101010··10编码数据“1”位，使用全零芯片序列000000··00编码数据“0”位，编码后将信息调制到载波信号上，通过天线反射给协同接收机。

被动用户2在t2时刻接入到该通信系统，同样按照图4所示的流程进行编码调制。在解码出基础码片长度和码片传输速率后，将其与乘数因子相乘来得到被动用户2的编码信息，这样做的目的是为了保证反射信号间的正交性。接着对要发送的数据进行μcode编码，再调制到载波信号上反射给协同接收机。

如图5所示，协同接收机在接收到混合信号后，先利用串行干扰消除方法将高功率的发射帧信息(主信号)分离出来，单独进行解码。再利用μcode译码方法，使用两个被动用户对应的码片信息分别进行解码。μcode译码方法，是使用芯片序列101010··10通过点积运算计算同相分量(I)，对芯片序列进行90度偏移来进行点积求得正交分量(Q)，其中90度偏移指半个芯片持续时间的时间偏移，协同接收机计算在n/3芯片持续时间内的同相和正交分量，如果三个相邻计算值中多数大于阈值门限，则接收机输出1，否则输出0，判决门限是通过接收信号在发送数据包开始时前导位上的平均值来计算。这里根据实现正交码片的两种编码方式，即不同码片长度的编码和相同码片长度不同码片传输速率的编码，分别设计两种译码方案。对于不同码片长度的编码，将上述译码算法简化为计算接收信号在一个码片长度中1的个数。针对相同码片长度，不同码片传输速率的编码，采用的译码算法为：计算接收信号在一个码片持续时间内的同相和正交分量，当二者和不小于码片长度，或当二者差不小于所译码用户码片的一个零一交替传输时间，则接收机输出为1，否则输出为0。

图6(a)所示证明了当两个被动用户使用不同码片长度(N，2N)进行μcode编码时，两个反射信号之间的干扰属于正交性干扰，基本等效于只有一个用户反射信号，即无信号间干扰的情况。基于以上结果，证明采用不同的码片长度进行编码可以保证用户间的正交性，减少用户间的干扰。

图6(b)为两个被动用户采用不同码片传输速率(C，2C)进行编码的仿真结果，同样证明了当两用户采用不同码片传输速率进行编码的两个反射信号间的干扰为正交性干扰，此时两个用户可以忽略信号间干扰并行传输。

本发明的系统性能仿真结果如图7所示，仿真参数设置为用户发送数据N＝10000，编码码片长度为300，码片传输速率为C1＝2C，C2＝4C。图7(a)表示为两个被动用户同时接入的结果，图7(b)为两用户在接入时间间隔为1/3个码片长度时的结果。由此可得，所提出的μcode编译码算法可以实现两用户随机接入的共生通信，且协同接收机能够以较低的误码率来正确恢复两个被动用户发送的数据信息。

Claims (8)

1.一种基于反向散射的多用户共生通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、将发射帧信息的前导部分和载波部分进行编译后发送至被动用户；

步骤2)、被动用户对接收到的发射帧信息进行解析得到控制信令信息，根据被动用户接入的先后时刻，分别对不同的被动用户分配不同的乘积因子；

步骤3)、被动用户将其接收解析得到控制信令信息与其得到的乘积因子相乘得到该被动用户在进行编码时所需的码片长度和码片传输速率；

步骤4)、被动用户根据得到的码片长度和码片传输速率对要发送的数据进行μcode编码发送；

步骤5)、采用μcode译码方法对被动用户编码发送的信息进行解码得到不同被动用户的发射信号，从而实现多用户共生通信；

对于相同码片长度，不同码片传输速率的编码，计算接收信号在一个码片持续时间内的同相和正交分量，当二者和不小于码片长度，或当二者差不小于所译码用户码片的一个零一交替传输时间，则接收机输出为1，否则输出为0。

2.根据权利要求1所述的一种基于反向散射的多用户共生通信方法，其特征在于，发射帧信息的前导部分包括前导序列和控制信令，前导序列用于射频源发射端的发射帧信息到协同接收单元同步；控制信令用于被动用户进行编码的码片长度和码片传输速率。

3.根据权利要求1所述的一种基于反向散射的多用户共生通信方法，其特征在于，载波部分包含调制的连续载波和进行频偏估计的导频。

4.根据权利要求3所述的一种基于反向散射的多用户共生通信方法，其特征在于，反向散射用户采用的μcode编码方式，根据反向散射设备只有反射和不反射两种状态，使用零和一交替的芯片序列101010··10编码数据“1”位，使用芯片序列000000··00编码数据“0”位。

5.一种基于反向散射的多用户共生通信系统，其特征在于，包括发射机模块、被动用户信号接收处理模块和协同接收模块；

发射机模块用于发送发射帧信息给被动用户，发射机模块对需要发送的发射帧信息的前导部分和载波部分进行编译后发送至协同接收模块和不同被动用户信号接收处理模块；

被动用户信号接收处理模块对接收到的发射帧信息进行解析得到控制信令信息；根据被动用户接入的先后时刻，分别对不同的被动用户分配不同的乘积因子，然后将其接收解析得到控制信令信息与其得到的乘积因子相乘得到该被动用户在进行编码时所需的码片长度和码片传输速率，根据得到的码片长度和码片传输速率对要发送的数据进行μcode编码发送至协同接收模块；

协同接收模块将接收到的混合信号通过串行干扰消除方法进行分离得到发射帧信息和被动用户信号接收处理模块发送的编码信息，通过μcode译码方法对被动用户信号接收处理模块发送的编码信息进行解码得到不同被动用户的发射信号，实现多用户共生通信。

6.根据权利要求5所述的一种基于反向散射的多用户共生通信系统，其特征在于，发射机模块采用单一天线的射频信号源，协同接收模块采用单一天线的协同接收机。

7.根据权利要求5所述的一种基于反向散射的多用户共生通信系统，其特征在于，多个被动用户随机接入，被发射机模块发送的发射帧信息激励进行反向散射，协同接收模块采用主动传输和被动传输相结合的互利互惠模型，同时接收发射帧信息和被动用户的反射信号。

8.根据权利要求5所述的一种基于反向散射的多用户共生通信系统，其特征在于，发射帧信息的前导部分包括前导序列和控制信令，前导序列用于射频源发射端的发射帧信息到协同接收单元同步；控制信令用于被动用户进行编码的码片长度和码片传输速率，载波部分包含调制的连续载波和进行频偏估计的导频。

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