CN112671456B - 反向散射通信中的最优标签选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明在反向散射通信系统中提出了一种最优标签选择方法。该系统由一个专用的射频信号源S、N个作为反向散射节点的标签T_i(i＝1,2,...,N)以及一个目的节点D组成。本发明设计了最优的动态反射系数。最优的动态反射系数能够在刚好满足标签自身能耗的前提下将尽可能多的射频信号反射出去；其次，在满足自身能耗的标签中，选择能够最大化接收端的信噪比、从而最小化接收端的中断概率的标签作为每次传输时的反射节点。本发明可以使系统的中断概率最小化。

Description

反向散射通信中的最优标签选择方法

技术领域

本发明涉及内容属于无线通信领域,具体涉及一种反向散射通信中的最优标签选择方法。

背景技术

传统的无线通信系统采用电池或者固定电源供电，其生存性、健壮性受到一定的限制，特别是在传感器网络或者物联网等需要布设众多无线节点的通信场景中。此类通信中，受到无线节点生存环境(高温、有毒气体)等的制约，对数量众多的节点人工更换电池不仅耗时耗力，在有毒、辐射等对人体有害的环境，更换电池更是不可能。因此，作为一种低功耗通信技术，反向散射通信技术受到了人们的重视。反向散射通信的核心思想是通过调制并反射周围环境中的射频信号实现低速率的信息传输，由于省去了振荡器、模数/数模转换器等高耗能元器件，反向散射通信设备具有极低的功耗(微瓦级别)，非常适合物联网中的大规模应用。

目前，关于反向散射通信硬件研制的文章较多，针对此类系统的通信性能分析的文章相对较少。在具有专门射频源的反向散射通信系统中，如果存在多个标签(tag)，如何在每次传输时选择作为反向散射设备的最优的tag反射自身信息给目的节点，是一个非常重要的问题。现有技术中，提出了一种tag选择机制，该机制采用了固定的反射系数，且假定每个tag采集的能量都能满足自身电路损耗。在上述假设的基础上，现有技术为在每次传输中选择能够最大化目的节点遍历容量的tag作为发送节点。

作为调制并反射射频信号的具有反向散射功能的无线通信设备，也具有一定的能耗。反向散射通信中，无线设备通常通过调节反射系数将入射射频信号分为两部分，一部分用于无线能量采集、从而满足自身电路能耗；然后调制并反射处剩余部分的射频信号。作为反向散射设备的tag，只有采集的能量满足自身能耗的前提下才具备反射射频信号的能力。现有技术中采用的固定的反射系数，并不能保证上述工作条件。此外，固定的反射系数并不是最优的，并不能保证将尽可能多的射频信号反射出去从而提高接收端的信噪比。

发明内容

本发明在具有专门射频信号源的多标签反向散射通信系统中，首先提出了一种最优动态反射系数设计方法，最优的动态反射系数能够保证在刚好满足标签自身能耗的前提下将尽可能多的射频信号反射出去；其次，在满足自身能耗的标签中，选择能够最大化接收端的信噪比、从而最小化接收端的中断概率的标签作为每次传输时的反射节点，从而最优化系统的中断概率性能。

本发明的目的是提出一种反向散射通信系统中的最优标签选择方法，所提出的方法在满足标签自身功耗的前提下可反射出最大的射频信号，从而最大化目的节点处的接收信噪比，从而最小化系统的中断概率。

本发明技术方案为：

专用射频信号源始终以功率P_s发送正弦波s(t)，位于不同位置的标签采用最优的动态反射系数将入射电磁波分为两部分：一部分用以满足自身电力消耗，剩余部分用于加载自身信息。通过实现设计好的协议，目的节点在满足自身能耗的标签中选择出能够最大化目的节点处信噪比的标签在当前时隙发送信息，从而最小化目的节点处的中断概率。

具体来讲，本发明的实施包括以下步骤：

1、在每个传输时隙中，专用信号源S均以功率P_s发送正弦波s(t)，任意标签T_i(i＝1,2,…,N，N代表标签个数)接收到的信号可以表示为其中h_i代表链路S→T_i的信道系数。T_i将接收的射频信号分为两部分：/>和/>第一部分送至能量采集器，第二部分用于反射自身信息。0≤β_i≤1表示T_i的动态反射系数。

2、为了拟合实际电路的输出特性，采用非线性能量采集器，此时，T_i的能量采集器的输出功率可以表示为其中P_max表示饱和输出功率、即能量采集器的最大输出功率；P_ri＝β_iP_s|h_i|²代表能量采集器的输入功率；v₀表示能量采集器的灵敏度；v₁、v₂是能量采集电路的固定参数，其数值由能量采集电路的电阻、电容和二极管导通电压决定。假设能量采集电路的固定能耗用P_c表示，如果P_oi≥P_c，则表示T_i在当前传输时隙采集的能量能够支持自身电路消耗，具有反射入射射频信号的能力；反之，如果P_oi＜P_c，则表示当前传输时隙内，T_i采集不到足够的能量，没有反射入射射频信号的能力。

3、当采集到的能量正好满足T_i的能耗P_c时，T_i反射出的射频信号的功率最大，此时可实现T_i在目的节点D处的最大接收信噪比。按照P_oi＝P_c，可推出此时的最佳动态发射系数为：

(1)中，此时，T_i在D处的最大有效接收信噪比可表示为：

上式中：|h_i|²、|g_i|²分别表示链路S→T_i、T_i→D的信道增益；σ²表示D处由天线引入的高斯白噪声功率；反向散射通信采用的调制方式与香农容量之间存在一定的差距，用Γ表示。η表示反射效率，其意义是反向散射设备所能有效反射出去的电磁波。

4、由最佳反射系数的表达式(1)可知，如果说明此时将入射信号全部送入T_i的能量采集器依然无法采集到足够的功率驱动自身电路，此时T_i无法反射信号。因此，D需要在具备反射能力的标签集合中选择能使自身接收信噪比最大的T_i*(i^*表示最优tag的下标)。

5、在独立非同分布的信道假设条件下，选择最优T_i*时，系统仍然中断的概率P_out就等于每个T_i在D处中断概率的连乘积，即

其中，每个T_i在D处的中断概率可由下式计算：

上式中，P₁ ⁱ表示T_i采集不到足够的能量驱动电路的概率，表示T_i虽然能采集到足够的能量驱动电路但是相应的信噪比仍然小于门限信噪比τ＝2^R-1(R代表系统的目标信息速率)的概率。

本发明相对于现有技术具有如下的优点以及效果：

1、不同于现有技术中使用的线性能量采集模型，本发明采用了能够反映电路实际输出特性的非线性模型来刻画能量采集电路的输出功率，且推导了能够最大化反射信号功率的动态反射系数；

2、在所有具备反射能力标签中，系统选择能够最大化目的节点处信噪比的标签在当前时隙中发送信息，从而最小化了系统的中断概率。

3、现有的工作大多数假定信道服从独立同分布的瑞利衰落。实际上，由于每个标签的位置都是随机移动的，因此，独立非同分布的假设更为符合实际信道特性。本发明中所建议的反向散射通信系统工作在独立非同分布的瑞利信道之下，相比于独立同分布信道，可以更为精确地刻画系统性能。

附图说明

图1是本发明公开的标签选择的反向散射通信系统模型；

图2是本发明公开的动态反射系数示意图；

图3是本发明公开的独立非同分布信道与独立同分布信道中断概率的性能比较图；

图4是本发明公开的最优动态反射系数与现有的采用固定反射系数系统的性能比较图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开的基于标签选择的反向散射通信系统模型见图1，采用的动态反射系数见图2，中断概率与采用独立同分布信道的系统的性能对比见图3，中断概率与采用固定反射系数的系统的性能对比见图4。

本实施例中，具体参数设置如下：

本发明中的反向散射系统由一个发射连续波(CW,Continuous Wave)的专用信号源S、N个标签T_i(i＝1,2,…,N)、一个目的节点D组成。T_i通过采集S的射频信号的能量驱动自身电路工作并通过调制和反射入射波将自身信息发送至D。S用功率P_s发送正弦波s(t)，h_i、g_i分别代表链路S→T_i、T_i→D的信道系数，|h_i|²、|g_i|²代表链路S→T_i、T_i→D的信道增益。假设所有信道服从独立非同分布的瑞利衰落，则相应的信道增益|h_i|²、|g_i|²服从独立非同分布的指数分布，均值分别为其中：f表示S发送的射频信号的频率且令f＝915MHz；G_s、G_D、G_T分别表示S、D及标签的天线增益且G_s＝G_D＝G_T＝6dBi；d_1i表示S至T_i的距离，α＝2代表路径衰耗因子。标签的功耗P_c＝8.9μW。非线性能量采集电路的参数设置如下：P_max＝240μW、v₀＝5μW、v₁＝5000、v₂＝0.0002。反射效率设为η＝0.6，目的节点处的高斯白噪声功率设为σ²＝-60dBm，性能差设为Γ＝5dB。

本实施例应用本发明所述的反向散射通信中的最优标签选择方法，具体包括以下顺序的步骤：

1、在每个传输时隙中，专用信号源S均以功率P_s发送正弦波s(t)，任意标签T_i接收到的信号可以表示为其中h_i代表链路S→T_i的信道系数。T_i将接收的射频信号分为两部分：/>和/>第一部分送至能量采集器，第二部分用于反射自身信息。0≤β_i≤1表示T_i的动态反射系数。

2、为了拟合实际电路的输出特性，采用非线性能量采集器，此时，T_i的能量采集器的输出功率可以表示为其中P_max表示饱和输出功率、即能量采集器的最大输出功率；P_ri＝β_iP_s|h_i|²代表能量采集器的输入功率；v₀表示能量采集器的灵敏度；v₁、v₂是能量采集电路的固定参数，其数值由能量采集电路的电阻、电容和二极管导通电压决定。假设能量采集电路的固定能耗用P_c表示，如果P_oi≥P_c，则表示T_i在当前传输时隙采集的能量能够支持自身电路消耗，具有反射入射射频信号的能力；反之，如果P_oi＜P_c，则表示当前传输时隙内，T_i采集不到足够的能量，没有反射入射射频信号的能力。

3、当采集到的能量正好满足T_i的能耗P_c时，T_i反射出的射频信号的功率最大，此时可实现T_i在目的节点D处的最大接收信噪比。按照P_oi＝P_c，可推出此时的最佳动态发射系数为：

证明：利用移项化简后可得/>对上式两边取自然对数，可得/>令/>将/>代入并考虑到β_i≤1，可得最优的动态反射系数如式(5)所示。证毕。

此时，T_i在D处的最大有效接收信噪比可表示为：

上式中：|h_i|²、|g_i|²分别表示链路S→T_i、T_i→D的信道增益；σ²表示D处由天线引入的高斯白噪声功率；反射散射通信采用的调制方式与香农容量之间存在一定的差距，用Γ表示。η表示反射效率，其意义是反向散射设备所能有效反射出去的电磁波。

4、由最佳反射系数的表达式(1)可知，如果说明此时将入射信号全部送入T_i的能量采集器依然无法采集到足够的功率驱动自身电路，此时T_i无法反射信号。因此，D需要在具备反射能力的标签集合中选择能使自身接收信噪比最大的T_i*(i^*表示最优tag的下标)。

5、在独立非同分布的信道假设条件下，选择最优T_i*时，系统仍然中断的概率P_out就等于每个T_i在D处中断概率的连乘积，即

其中，每个T_i在D处的中断概率可由下式计算：

上式中，P₁ ⁱ表示T_i采集不到足够的能量驱动电路的概率，表示T_i虽然能采集到足够的能量驱动电路但是相应的信噪比仍然小于τ＝2^R-1的概率(R代表系统的目标信息速率)。

P₁ ⁱ可推导如下：

可推导如下：

为表示简洁及方便推导，(11)中用变量X、Y分别替换了|h_i|²与|g_i|²，相应的概率密度函数可以表示为对(13)中的第二部分积分应用可以得到(14)。

因此，采用所提出的标签选择方法，系统的最优(最小)中断概率可以表示如下：

进一步，用γ_in代表S的发送信噪比，即并利用x→0时的等价无穷小替换的高信噪比近似可写为：

其中，利用洛必达法则，我们有：/>因此，/>

更进一步，对P₁ ⁱ利用x→0时，e^-x≈1-x，系统中断概率的高信噪比近似可写为：

利用上述分析结果，系统的分集阶数可推导如下：

即：系统的分集阶数等于系统内标签的个数。

6、如图3所示，当N等于3、4、5时，所得分析结果与蒙特卡洛仿真结果完全重合，验证了理论分析结果的正确性。当信道实际服从独立不同分布、而用独立同分布建模时，独立同分布与实际系统性能将会产生偏差。图3中画出了N＝5时，独立同分布的性能曲线，可见明显的性能偏差。

7、如图4所示，与随机选择方案及现有的固定反射系数方案相比，所提议的方案具有最好的性能。随机选择方案中，系统在满足自身能耗的标签中任意选择一个标签发送信息；固定反射系数方案中，首先找出最优的标签，然后按照本发明的非线性能量采集模型考察其是否满足标签的自身能耗，如果不满足，系统中断。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的内容和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.反向散射通信中的最优标签选择方法，其特征在于，专用射频信号源始终以功率P_s发送正弦波s(t)，位于不同位置的标签采用最优的动态反射系数将入射电磁波分为两部分：一部分用以满足自身电力消耗，剩余部分用于加载自身信息；通过实现设计好的协议，目的节点在满足自身能耗的标签中选择出能够最大化目的节点处信噪比的标签在当前时隙发送信息，从而最小化目的节点处的中断概率；

在每个传输时隙中，专用信号源S均以功率P_s发送正弦波s(t)，任意标签T_i其中i＝1,2,…,N，N代表标签个数；接收到的信号可以表示为其中h_i代表链路S→T_i的信道系数；T_i将接收的射频信号分为两部分：/>和/>第一部分送至能量采集器，第二部分用于反射自身信息；0≤β_i≤1表示T_i的动态反射系数；

为了拟合实际电路的输出特性，采用非线性能量采集器，此时，T_i的能量采集器的输出功率可以表示为其中P_max表示饱和输出功率、即能量采集器的最大输出功率；P_ri＝β_iP_s|h_i|²代表能量采集器的输入功率；v₀表示能量采集器的灵敏度；v₁、v₂是能量采集电路的固定参数，其数值由能量采集电路的电阻、电容和二极管导通电压决定；假设能量采集电路的固定能耗用P_c表示，如果P_oi≥P_c，则表示T_i在当前传输时隙采集的能量能够支持自身电路消耗，具有反射入射射频信号的能力；反之，如果P_oi＜P_c，则表示当前传输时隙内，T_i采集不到足够的能量，没有反射入射射频信号的能力；

当采集到的能量正好满足T_i的能耗P_c时，T_i反射出的射频信号的功率最大，此时可实现T_i在目的节点D处的最大接收信噪比；按照P_oi＝P_c，可推出此时的最佳动态发射系数为：

(1)中，此时，T_i在D处的最大有效接收信噪比可表示为：

上式中：|h_i|²、|g_i|²分别表示链路S→T_i、T_i→D的信道增益；σ²表示D处由天线引入的高斯白噪声功率；反射散射通信采用的调制方式与香农容量之间存在一定的差距，用Γ表示；η表示反射效率，其意义是反向散射设备所能有效反射出去的电磁波；

在独立非同分布的信道假设条件下，选择最优时，系统仍然中断的概率P_out就等于每个T_i在D处中断概率/>的连乘积，即

其中，每个T_i在D处的中断概率可由下式计算：

上式中，P₁ ⁱ表示T_i采集不到足够的能量驱动电路的概率，表示T_i虽然能采集到足够的能量驱动电路但是相应的信噪比仍然小于τ＝2^R-1的概率。

2.根据权利要求1所述的反向散射通信中的最优标签选择方法，其特征在于，

由最佳反射系数的表达式(1)可知，如果说明此时将入射信号全部送入T_i的能量采集器依然无法采集到足够的功率驱动自身电路，此时T_i无法反射信号；因此，D可在能够具备反射能力的标签集合中选择能使自身接收信噪比最大的/>其中i^*表示最优tag的下标。