CN113395224B - 一种反向散射通信方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种反向散射通信方法，包括以下步骤：获取射频信号的信号带宽，确定反向散射信号的搬移频率Δf的绝对值小于射频信号带宽的1/2；通过频率为Δf的周期信号作为标签电路的反射系数，使射频信号发生频移，产生反向散射信号；对反向散射信号进行时间同步偏差补偿、频偏补偿接收，对反向散射信号进行译码。本申请还包含用于实现所述方法的装置和系统。本申请解决了射频信号对反向散射信号自干扰严重的问题。

Description

一种反向散射通信方法、装置和系统

技术领域

本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种反向散射通信的方法、装置和系统。

背景技术

反向散射(backscatter)通信技术成本较低、功耗较小，通过调制环境中的射频信号实现超低功耗的无线传输，在智慧农业、工业监测、健康医疗、微型无人机等领域的无线网络解决方案。

现有的反向散射通信系统难以实现远距离传输，一方面，反射信号和射频信号处于相同频段，因此受到了射频信号的严重干扰；另一方面，反射信号经历了双重路径损耗，即信号源与标签之间的路径损耗和标签与接收机之间的路径损耗，导致接收信号十分微弱。

虽然在远距离反向散射方案中将反射信号的频谱搬移到射频信号的相邻信道，以抑制环境射频信号的干扰、提升传输距离和速率。然而，该方案存中反射信号挤占了其他信道的频谱资源；其次，反向散射节点无法感知相邻信道是否空闲，导致反射信号会和相邻频段的信号可能会产生碰撞冲突；第三，由于反射信号非常微弱，接收机难以恢复出反射信号携带的信息。

发明内容

本申请提出一种反向散射通信方法、装置和系统，解决反向散射通信中反射信号频谱搬移，射频信号对反向散射信号自干扰严重导致的性能下降的问题。

本申请实施例提出一种反向散射通信方法，包括以下步骤：

获取射频信号的信号带宽B，确定反向散射信号的搬移频率Δf范围小于

将反射系数的频率设置为频率为Δf的周期信号，使射频信号发生频移，产生反向散射信号；

接收反向散射信号，对反向散射信号进行译码。

优选地，所述反射系数的幅值的绝对值大于1。

优选地，对反向散射信号进行时间同步偏差补偿接收，步骤为：

使用基于导频的时域偏差估计或者盲估计的同步方法，估计出接收机相对于射频源的时偏和频偏，进行时偏和频偏补偿；根据射频信号的类型，对数据符号进行解调。

优选地，用迭代译码的方法补偿射频信号频偏、抑制射频信号频谱泄露。

优选地，标签调制方式为FSK、QAM或二者的结合。

优选地，反向散射信号包含数据包头，用于获取标签的调制方式。

本申请实施例还提出一种反向散射通信装置，用于实现本申请任意一项实施例所述方法，所述装置包括微带耦合器、阻抗网络、隧道二极管、偏置源。所述微带耦合器，用于将输入的射频信号分成两路，每一路分别通过阻抗网络反射，合成单边带的发射信号。将两个隧道二极管分别并联在微带耦合器分出的两路射频电路的阻抗网络中，通过偏置源使隧道二极管工作在负阻抗区。

本申请实施例还提出一种反向散射通信装置，用于实现本申请任意一项实施例所述方法，所述装置包含频偏补偿器、解调器；所述频偏补偿器，在设定的频率搜索范围内，对接收的方向散射信号进行频偏补偿。所述解调器，用于根据射频信号类型对反向散射信号进行解调，对比反向散射信号和射频信号的频率、相位和幅度，译码标签的发送信息。

本申请实施例还提出一种反向散射通信系统，用于实现本申请任意一项实施例所述方法，所述系统包含信号源、标签和接收机。所述标签，用于接收所述射频信号，生成所述反向散射信号。所述信号源，用于发送所述射频信号。所述接收机，用于接收所述反向散射信号。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

降低了射频信号对反向散射信号的自干扰，提升了反向散射信号能量，在保障不入侵射频信号相邻信道的前提下，提升了反向散射通信的传输距离和速率。

首先，本发明提出一种远距离反向散射通信方法、装置及系统，通过将反向散射信号搬移微小的频率，使得反向散射信号和射频信号之间接近正交，抑制了射频信号对反向散射信号的干扰，在不干扰射频信号的相邻信道的前提下，提升了反向散射通信的传输距离和速率。

在本申请的至少一个实施例中，将隧道二极管融合到频移阻抗网络，并通过合理设置隧道二极管的偏置电压，在保障标签低功耗的同时，放大了反向散射信号，进一步提升了反向散射通信的通信距离和通信速率。

在本申请的至少一个实施例中，还包含迭代式的反向散射通信译码的步骤或部件，通过精准的频偏补偿射频信号的截取，有效抑制了射频信号的频谱泄漏，使得接收机可以检测到微弱的反向散射信号，赋能了远距离反向散射通信。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明移频方案和传统移频方案的对比，其中,

(a)传统移频方案；

(b)本发明的方案；

图2为本发明的反向散射通信方法实施例流程图；

图3为本发明的反向散射通信方法，接收机处理流程图；

图4为本发明的反向散射通信装置的实施例。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明要解决的技术问题，具体包括：

首先，环境中的射频信号对反射信号的干扰严重。在反向散射通信系统中，标签通过调制环境中的射频信号实现数据传输，反射信号和环境射频信号在同一个频段，因此反射信号遭受着来自环境射频信号的严重干扰。为了降低该干扰，可以将反向散射频谱搬移至相邻信道。但是，当相邻信道正有设备接入时，相邻信道的接入设备会对反射信号造成干扰。更加严重的是，在远距离反向散射通信中，反射信号极其微弱，导致环境中的射频信号对反射信号的干扰变得极其严重。例如，当标签和接收机之间的距离大于10米时，环境射频信号的能量通常会比反射信号高3个数量级以上。严重的干扰导致接收机难以检测出反射信号。

其次，在远距离通信时，反射信号极其微弱，导致接收机难以检测出反射信号。具体地，到达接收机的反向散射信号经历了双重的路径损耗，导致反射信号非常微弱。第一次路径损耗是射频源到标签之间的信号衰减，该损耗的大小和射频源与标签之间距离的平方呈反比。第二次路径损耗是标签到接收机的信号衰减，该损耗的大小和标签与接收之间距离的平方呈反比。由于双重的路径损耗，到达接收机的反射信号非常微弱。在通信距离较远时，反射信号进一步变弱，导致接收机难以恢复出反向散射信号所携带的信息。

为解决以上具体问题，本申请提出的技术方案包括一种方法及实现该方法的装置和系统。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本发明移频方案和传统移频方案的对比。

现有的反向散射通信技术已经存在频谱搬移方案。然而，在这些方案中，如图1(a)所示，在传统的移频方案中，频率搬移范围大于射频信号的带宽，反向散射信号会被移至射频信号的相邻信道，因此会对相邻信道造成严重的干扰。不同于现有方案，如图1(b)所示本发明的移频方案中，的频谱搬移频率范围远小于射频信号带宽，不会干扰相邻信道。

图2为本发明的反向散射通信方法实施例流程图。

本申请实施例提出一种反向散射通信方法，包括以下步骤：

步骤201、获取射频信号的信号带宽，确定反向散射信号的搬移频率Δf的绝对值小于射频信号带宽的1/2，即搬移频率Δf范围小于

例如，标签电路接收射频信号时，获取射频信号的参数，包括信号类型、信号带宽、符号长度，据此确定反向散射信号的频移的范围；

获取射频信号参数的方式有两种。第一种是在反向散射系统初始化时，设置射频信号的信号类型、信号带宽、符号长度，并将这些参数写入到标签。第二种是标签利用包络检测电路动态地估计射频信号的参数。包络检测电路通常包含ADC、积分器、比较器、电阻、电容等。

在获取到射频信号带宽后，标签设置搬移频率。为了不干扰射频信号的相邻信道，要求搬移频率远小于射频信号带宽。反向散射信号的搬移频率Δf的绝对值小于射频信号带宽的1/2，例如，假设：射频信号带宽为B，搬移频率的区间可以设置为

或

特别地，为了抑制射频信号对反向散射信号的干扰，将搬移频率设置为射频基带信号采样率的整数倍。此时，射频信号和反向散射信号的相关性很小，接近于正交。

优选地，所述搬移频率为

或者

f_s为射频源基带信号采样率，n为正整数。在本发明中，最小化射频信号的干扰。

步骤202、通过频率为Δf的周期信号作为标签电路的反射系数，使射频信号发生频移，产生反向散射信号；

例如，将标签电路的反射系数设置为正弦波、余弦波或者方波等周期信号。周期信号可以连续的，也可以是非连续的，可以是正弦波或余弦波，也可以是方波。此时，反射信号将是输入的射频信号和反射系数的乘积。假设：射频信号的频率为f，反射系数频率为Δf。那么，反射信号为射频信号在中心频率为f+Δf和/或f-Δf的副本。优选地，所述反射系数幅值的绝对值大于1。

优选地，标签调制方式为FSK、QAM或二者的结合。

例如，使用FSK、QAM、或FSK与QAM相结合的调制方式携带信息，利用PCC或CRC对数据信息添加冗余比特；

在FSK调制方式中，标签通过选择不同的搬移频率来携带信息。例如，搬移

的频率来表示标签发送信息比特1，搬移

来表示标签发送信息比特0。在QAM调制方式中，在搬移频率基础之上，标签通过改变反射信号的幅度和相位来携带信息。例如，将方向散射信号搬移

后，标签将反射信号相位翻转0，表示发送信息比特00；相位翻转π/2，表示发送信息比特01；相位翻转π，表示发送信息比特10；相位翻转3π/2，表示发送信息比特11。标签可以结合FSK和QAM两种调制方式来携带信息，即对反射信号的频率、幅度、相位分别进行调制，从而实现更高速的信息传输。标签在每个数据帧的头部携带数据信息，在数据帧的尾部添加PCC或者CRC冗余比特。

优选地，反向散射信号包含数据包头，用于获取标签的调制方式。例如，利用PCC或CRC对数据信息添加冗余比特。

步骤203、对反向散射信号进行时间同步偏差补偿、频偏补偿接收，对反向散射信号进行译码。

优选地，对反向散射信号进行时间同步偏差补偿接收的步骤为：使用基于导频的时域偏差估计或者盲估计的同步方法，估计出接收机相对于射频源的时偏和频偏，进行时偏和频偏补偿；根据射频信号的类型，对数据符号进行解调。

需要说明的是，在步骤203中，对比来自信号源的射频信号和来自标签的反向散射信号的幅度和相位信息进行译码。

图3为本发明的反向散射通信方法，接收机处理流程图。

进一步地，在步骤203中具体包含：

步骤203A、对接收信号进行截取；

例如，当信号源不理想时，根据恢复出的射频源数据符号，对时频偏补偿后的接收信号进行截取，使得接收信号的每个符号的波形是连续的；

当射频信号源不理想时，射频信号会发生相位的抖动，导致射频信号的频谱泄漏会淹没反向散射信号。此时，根据恢复出的射频源数据符号，判断出射频信号的每个符号出现相位抖动的采样点索引。在这些采样点处，将每个符号分割为两段，并通过长度较长的一段恢复反向散射信号。

需要说明的是，信号源不理想，可以是信号源的硬件存在缺陷时，使信号源存在非线性特征、或产生的信号相位存在不连续性。

还需要说明的是，当信号源理想时，步骤203A可以省略。

以下步骤203B～D用迭代译码的方法补偿射频信号频偏、抑制射频信号频谱泄露，以精准译码标签的发送信息。

步骤203B、首先，选择射频信号残余频偏的范围，并设置频偏搜索步长。例如，可以设置频率搜索范围为

搜索的步长为1Hz，形成多个频偏搜索值，对每个符号进行频偏补偿。然后，当信号源理想时，使用当前的频偏搜索值对接收信号的每个符号进行频偏补偿；当信号源非理想时，使用当前的频偏搜索值对截取后的每个符号进行频偏补偿。

步骤203C、其次，通过对比来自信号源的射频信号和来自标签的反向散射信号的幅度和相位信息进行译码，判定标签的发送信息。根据标签的调制方式，对比反向散射信号和射频信号的频率、相位及幅度差异，实现高精度的译码时，例如，在补偿完频偏之后，接收机根据射频信号类型对反向散射信号进行解调，并对比反向散射信号和射频信号的频率、相位及幅度，以译码标签的发送信息。具体地，接收机通过标签的数据包头或者判断反向散射信号的特征，获取标签的调制方式。当标签使用FSK调制时，接收机根据反向散射信号和射频信号的相对频偏，判断反向散射信号所携带的信息；当标签使用QAM调制时，接收机首先估计射频信号的幅度和相位，然后估计反向散射信号的幅度和相位，最后根据两者的相位差和幅度变化来判断标签的发送信息；当标签使用FSK和QAM联合调制时，接收机需要根据来自信号源的射频信号和来自标签的反向散射信号的频率差/和、相位差及幅度差，来判断反向散射信号携带的信息。

步骤203D、最后，根据冗余校验的结果输出有效的译码信息。如果发送信息通过冗余校验，则停止译码，并输出该译码信息；否则，继续迭代，直至遍历完整的频偏搜索范围。

例如，通过接收机对解调后的信息进行冗余校验。如果校验通过，则停止译码，并输出该译码信息；否则将返回步骤203B，直至遍历完所有预设的频偏补偿范围。

图3为本发明的反向散射通信装置的实施例。

本申请实施例还提出一种反向散射通信装置，用于实现本申请任意一项实施例所述方法。所述反向散射通信装置用作标签侧装置，可用于实现以下功能：通过移动微小频率携带信息，使得射频信号和反射信号之间接近正交；

获取射频的带宽，并设置搬移频率远小于射频信号的带宽，使得反射信号不会干扰射频信号的相邻信道；

基于该频移，使用FSK、QAM、FSK和QAM相结合的三种调制方式；

将反射系数设置为周期信号以实现反射信号的频率搬移；

通过调节天线的匹配阻抗改变反射系数的大小，使用MCU、FPGA或ASIC切换天线的匹配阻抗；

通微带耦合器将天线输入的射频信号分为两路，并合理选择两路射频电路的微带线长度和阻抗的切换时间，使得反射信号是单边带信号；

将两个隧道二极管分别并联在两路射频电路的频移阻抗网络中，并设置两个隧道二极管工作在负阻抗区，使得反射系数的绝对值大于1。

进一步地，所述装置包括微带耦合器、阻抗网络、隧道二极管、偏置源。所述微带耦合器，用于将输入的射频信号分成两路，每一路分别通过阻抗网络反射，合成单边带的发射信号。将两个隧道二极管分别并联在微带耦合器分出的两路射频电路的阻抗网络中，通过偏置源使隧道二极管工作在负阻抗区。

例如图2所示，通过微带耦合器将输入的射频信号分成两路射频信号，并通过设置两路射频信号的延时和阻抗大小，产生单边带的反射信号。具体地，设置第二路射频信号的路径长度比第一路长或者短λ/4,其中λ为射频信号的波长。另外，设置第二路射频信号的阻抗切换开关时间比第一路延时λ/(2c)。基于以上设置，反射信号将是一个单边带信号。使用MCU、FPGA或ASIC来控制每一路耦合器分出的射频信号的天线阻抗。需要选择低功耗的MCU和FPGA，以保持标签低功耗的特性。

进一步优化的实施例，将两个隧道二极管分别并联在耦合器分出的两路射频电路的阻抗网络中，根据隧道二极管的伏安特性，设置其工作在负阻抗区，使得反射系数的绝对值大于1。

将耦合器分出的两路射频电路的阻抗与隧道二极管并联，通过合理设置偏置源使得将隧道二极管工作在负阻抗区域。在该区域内，隧道二极管的电压随着电流的增大而降低。因此，对于交流信号而言，电路的阻抗是负数。当标签射频电路的阻抗为负数时，通过选择与隧道二极管并联的电阻，可以使得反射系数的绝对值大于1，因此反射信号的功率被放大。由于隧道二极管的电压和电流分别为毫伏级别和毫安级别，因此其功耗极低。为了获得理想的放大系数，需要估计隧道二极管的天线阻抗，并据此调整两路射频电路的阻抗。隧道二极管的偏置源可以通过线性稳压源、DAC等电路实现。

具体地，现有的反向散射系统和传统RFID系统已经使用了隧道二极管放大反向散射信号，但是这些隧道二极管没有和移频阻抗网络相结合。不同于现有的方案，本发明将隧道二极管与移频阻抗网络(例如电阻)并联，不但放大了反向散射信号，还实现了反射信号的频谱搬移。

本申请实施例还提出一种反向散射通信装置，用于实现本申请任意一项实施例所述方法。所述反向散射通信装置用作接收端侧装置，用于实现以下功能：

估计射频信号的频偏范围，并设置频偏搜索步长，基于迭代译码的思想精准地补偿射频信号的频偏，抑制频谱泄漏；

对比射频信号和反向散射信号的频偏、幅度和相位信息，判决标签发送的信息；

当射频信号源不理想时，根据射频信号的发送符号判断相位抖动的采样点。在这些采样点处，将每个符号分为两段，并截取较长的一段。

所述装置包含频偏补偿器、解调器；所述频偏补偿器，在设定的频率搜索范围内，对接收的方向散射信号进行频偏补偿。所述解调器，用于根据射频信号类型对反向散射信号进行解调，对比反向散射信号和射频信号的频率、相位和幅度，译码标签的发送信息。

本申请实施例还提出一种反向散射通信系统，用于实现本申请任意一项实施例所述方法，所述系统包含信号源、标签和接收机。所述标签，用于接收所述射频信号，生成所述反向散射信号。所述信号源，用于发送所述射频信号。所述接收机，用于接收所述反向散射信号。

在标签上，将反射信号搬移微小的频率，以实现反向散射信号的调制。获取射频的带宽，并设置搬移频率远小于射频信号的带宽，使得反向散射信号不会干扰射频信号的相邻信道。进一步，设置搬移频率略大于标签数据传输速率，使得反射信号和射频信号在一个符号周期内的积分接近于零，即近似正交，从而有效抑制射频信号的干扰。特别地，将搬移频率设置为射频基带信号采样率的整数倍，最小化射频信号的干扰。在频率搬移的基础之上，使用FSK、QAM、或FSK与QAM相结合的调制方式携带标签的数据信息，利用PCC或CRC对数据信息添加冗余比特。

在标签上，将反射系数设置为周期信号以实现反射信号的频率搬移。周期信号可以是连续的，也可以是非连续的，可以是正弦波或余弦波，也可以是方波。通过调节天线的匹配阻抗改变反射系数的大小，使用MCU、FPGA或ASIC切换天线的匹配阻抗。特别地，通微带耦合器将天线输入的射频信号分为两路，并合理选择两路射频电路的微带线长度和阻抗的切换时间，使得反射信号是单边带信号，即将射频信号要么向左搬移要么向右搬移。将两个隧道二极管分别并联在两路射频电路的频移阻抗网络中，并设置两个隧道二极管工作在负阻抗区，使得反射系数的绝对值大于1，即反射信号的功率被放大。负阻抗区的特性是，电流随着电压的增大而减小。

在接收机上，基于迭代译码的思想精准地补偿射频信号的频偏，抑制射频信号的频谱泄漏，以精准译码标签的发送信息。首先，估计射频信号的频偏范围，并设置频偏搜索步长。然后，使用当前的频偏搜索值对接收信号进行频偏补偿。最终，通过对比射频信号和反向散射信号的幅度和相位信息，判决标签发送的信息。如果发送信息通过冗余校验，则停止译码，并输出该译码信息；否则，继续迭代，直至遍历完整频偏搜索范围。

当射频信号源不理想时，需要考虑射频信号的相位抖动和非连续性带来的频谱泄漏。对此，首先，解调出射频源发送的每个符号，根据解调符号判断射频信号的相位抖动的采样点。然后，在这些采样点处，将每个符号分为两段，并截取较长的一段。最后，将截取后的符号进行迭代译码，在迭代译码过程中，根据信号截取长度估计出原始反向散射信号的频率和相位。

需要说明的是，射频源可以是环境射频信号，也可以是专门部署的信号源。

还需要说明的是，射频信号类型可以是OFDM，也可以是LoRa，也可以是其他的信号类型，这里不做具体限定。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种反向散射通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取射频信号的信号带宽

，确定反向散射信号的搬移频率Δf范围小于

；

将反射系数设置为频率为Δf的周期信号，使射频信号发生频移，产生反向散射信号；

使用基于导频的时域偏差估计或者盲估计的同步方法，估计出接收机相对于射频源的时偏和频偏，进行时偏和频偏补偿；根据射频信号的类型，对数据符号进行解调；

选择射频信号残余频偏的范围，设置频偏搜索步长，对每个符号进行频偏补偿；对比来自信号源的射频信号和来自标签的反向散射信号的频率、相位和幅度差异，进行译码；根据冗余校验的结果，如果通过冗余校验则输出译码信息，否则，继续迭代直至遍历完整的频偏搜索范围。

2.如权利要求1所述反向散射通信方法，其特征在于，

所述搬移频率为

或者

，

为射频源基带信号的采样率，

为正整数。

3.如权利要求1所述反向散射通信方法，其特征在于，

所述反射系数的幅值的绝对值大于1。

4.如权利要求1所述反向散射通信方法，其特征在于，标签调制方式为FSK、QAM或二者的结合。

5.如权利要求1所述反向散射通信方法，其特征在于，反向散射信号包含数据包头，用于获取标签的调制方式。

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