CN114938240B - 多阅读器反向散射通信系统的干扰消除接收检测方法 - Google Patents

多阅读器反向散射通信系统的干扰消除接收检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，其公开了一种多阅读器反向散射通信系统的干扰消除接收检测方法，解决传统反向散射通信系统的通信距离短的问题，并进一步消除多阅读器之间的同频干扰。本发明提供的一种多阅读器反向散射通信系统，包括K个阅读器和一个单天线标签，每个阅读器包括单发射天线和M根接收天线，其中K≥2，M≥1；所述K个阅读器同时发射单音正弦载波信号到标签；所述标签接收正弦载波信号，所述标签还包括反向散射天线和射频能量收集模块，所述射频能量收集模块用于收集来自阅读器发射的载波信号中的能量，所述反向散射天线用于向阅读器发射信息比特；K个阅读器接收来自标签的反向散射信号。

Description

多阅读器反向散射通信系统的干扰消除接收检测方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种多阅读器反向散射通信系统的干扰消除接收检测方法。
背景技术
传统反向散射通信系统是通过阅读器(Reader)产生并发送射频正弦载波给邻近的标签(Tag)，标签接收载波信号，一部分用于提供能量以满足电路的正常工作，另一部分用于反向散射通信，将标签的信息传输给阅读器。但由于标签处的信号接收功率随阅读器到标签的距离增大而快速减小，且阅读器处的反向散射信号经历两跳衰落后极其微弱，因此这种传统的反向散射通信系统的通信距离较短，难以实现广域被动式物联网通信系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提出一种多阅读器反向散射通信系统的干扰消除接收检测方法，解决传统反向散射通信系统的通信距离短的问题，并进一步消除多阅读器之间的同频干扰。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
一方面，本发明提供了一种多阅读器反向散射通信系统，包括K个阅读器和一个单天线标签，每个阅读器包括单发射天线和M根接收天线，其中K≥2，M≥1；
所述K个阅读器同时发射单音正弦载波信号到标签；所述标签接收正弦载波信号，所述标签还包括反向散射天线和射频能量收集模块，所述射频能量收集模块用于收集来自阅读器发射的载波信号中的能量，所述反向散射天线用于向阅读器发射信息比特；所述K个阅读器接收来自标签的反向散射信号。
另一方面，本发明还提供了上述多阅读器反向散射通信系统的干扰消除接收检测方法，包括以下步骤：
K个阅读器同时发射单音正弦载波信号到标签；
标签接收正弦载波信号，通过反向散射向各个阅读器发射信息比特；
K个阅读器接收来自标签的反向散射信号；
对K个阅读器接收的来自标签的反向散射信号进行联合解调。
进一步的，所述接收来自标签的反向散射信号，具体包括：
假设第k个阅读器接收的带通信号为：
Figure GDA0004078062960000011
其中，
Figure GDA0004078062960000021
为接收到的标签反射信号，
Figure GDA0004078062960000022
为来自其余阅读器的直接链路干扰信号，
Figure GDA0004078062960000023
为带通噪声信号；si(t)为第i个阅读器发送的载波信号；x(t)为标签信号；α为标签的反射系数；ah,i和τh,i分别为第i个阅读器到标签的信道衰减系数以及传播时延；af,k和τf,k分别为标签到第k个阅读器的信道衰减系数以及传播时延；ag,ki和τg,ki分别为第i个阅读器到第k个阅读器的信道衰减系数以及传播时延；
第k个阅读器利用本地振荡器进行下变频并采样后，其接收信号的离散复基带形式为：
Figure GDA0004078062960000024
其中，Ps为平均发射功率，φi和φk分别表示第i个和第k个载波的初相，fi为第i个载波的频率，
Figure GDA0004078062960000025
和
Figure GDA0004078062960000026
分别为对应的时延引起的相移；x[n]为标签承载信息的波形；
Figure GDA0004078062960000027
为第i个阅读器与第k个阅读器间的载波频偏；
Figure GDA0004078062960000028
Tf,k为时延τf,k的离散化形式，Ts为接收信号的采样周期，wk(n)服从循环对称复高斯分布
Figure GDA0004078062960000029
进一步的，所述标签通过反向散射向各个阅读器发射信息比特时，所使用的波形x[n]的产生方式包括：
考虑每个标签符号周期中含有N个采样点，且
Figure GDA00040780629600000210
当标签发送比特‘0’，其波形表示为：
x[n]＝0,n＝1,...,N
当标签发送比特‘1’，其波形与阅读器数量K有关，可以通过如下方式得到波形：
(1)给定初始值，令x[n]＝1,n＝1,...,C，并取t＝K-1；
(2)若t≥1则令x[n+N/2t]＝-x[n],n＝1,...,N/2t；
(3)调整t值，令t←t-1，若t≥1则回到第(2)步。
进一步的，K个阅读器接收来自标签的反向散射信号后进行信号处理，处理过程包括：
每个阅读器均会受到其余K-1个阅读器的发送信号引起的直接链路干扰，且均存在载波频偏，此时每个阅读器需要依次进行K-1次频偏补偿相减的步骤来消除所有的直接链路干扰；用k,i,i'表示阅读器索引，且初始k＝1，干扰消除过程可以分为如下几个步骤：
第一步：若k≤K，令i＝1；
第二步：当i≤K，若i＝k则先令i←i+1，补偿载波频偏Δfki然后将补偿后信号的前半周期与后半周期相减，令i'←i；若i≠k，则直接补偿载波频偏Δfki并将补偿后信号的前半周期与后半周期相减，令i'←i；
第三步：当i≤K，若i≠k，则补偿载波频偏(Δfki-Δfki')并将补偿后信号的前半周期与后半周期相减，令i'←i，i←i+1；若i＝k则令i←i+1；重复执行本步骤直到不再满足i≤K条件，此时可以获得第k个阅读器消除干扰后的信号
Figure GDA0004078062960000031
第四步：k←k+1，回到第一步；
第k个阅读器的接收信号在进行上述干扰消除处理后，其中的反射信号表示为：
Figure GDA0004078062960000032
进一步的，所述对K个阅读器接收的来自标签的反向散射信号进行联合解调，具体包括：
联合K个阅读器处理后的信号，构成一个新的向量
Figure GDA0004078062960000033
其中反射信号为
Figure GDA0004078062960000034
利用
Figure GDA0004078062960000035
和μ[n]构造判决表达式：
B＝1
Figure GDA0004078062960000036
B＝0
其中检验统计量
Figure GDA0004078062960000037
表示为：
Figure GDA0004078062960000038
判决门限
Figure GDA0004078062960000039
表示为：
Figure GDA00040780629600000310
本发明的有益效果是：
基于本发明设计的通信系统，装置于不同位置的多阅读器与标签之间存在视距路径的概率更大，鲁棒性更高，可提升阅读器与标签之间的通信距离；此外，本发明所设计的标签波形具有重复结构，可采用交替进行频偏补偿和前后相减的方法来逐一消除阅读器之间的直接链路干扰，从而提高对标签信号检测的准确性。
附图说明
图1为本发明多阅读器反向散射通信系统的系统框图；
图2为本发明多阅读器反向散射通信系统的标签信号波形结构；
图3为本发明提出的多阅读器联合检测方案与未消除直接链路干扰检测方法在不同发射功率下的误码率的对比图；
图4为本发明提出的多阅读器联合检测方案与未消除直接链路干扰检测方法在在不同残留载波频率偏移下的误码率对比图。
具体实施方式
为解决传统反向散射通信系统通信距离短的问题，本发明提出了一种多阅读器反向散射通信系统。在该系统中，多个不同位置的阅读器同时向标签发射正弦载波，多阅读器之间可以进行协作，任意一个阅读器可接收到多路经标签调制的反向散射信号。与传统的反向散射通信系统相比，装置多个阅读器于不同的位置，使得阅读器与标签之间存在视距路径的可能性增加，因此，多阅读器反向散射通信系统具有更强的鲁棒性。但该系统中存在阅读器之间较强的同频干扰，因此，本发明进一步提出了一种多阅读器反向散射通信系统的干扰消除接收检测方法，在该方法中，通过设计标签发送信号和阅读器对接收信号的处理方案来消除同频干扰，从而提高信号检测的准确性。
实施例：
本实施例中的反向散射通信系统模型如图1所示，系统中有K(K≥2)个阅读器，每个阅读器均配置一根发射天线和M(M≥1)根接收天线，标签配置单根天线。
第k个阅读器接收的带通信号为：
Figure GDA0004078062960000041
其中，
Figure GDA0004078062960000042
为接收到的标签反射信号，
Figure GDA0004078062960000043
为来自其余阅读器的直接链路干扰信号，si(t)为第i个阅读器发送的载波信号，x(t)为标签信号，α为标签的反射系数，ah,i和τh,i分别为第i个阅读器到标签的信道衰减系数以及传播时延，af,k和τf,k分别为标签到第k个阅读器的信道衰减系数以及传播时延，ag,ki和τg,ki分别为第i个阅读器到第k个阅读器的信道衰减系数以及传播时延，
Figure GDA0004078062960000051
为带通噪声信号。
第k个阅读器利用本地振荡器进行下变频并采样后，其接收信号的离散复基带形式为：
Figure GDA0004078062960000052
其中，Ps为平均发射功率，φi和φk分别表示第i个和第k个载波的初相，fi为第i个载波的频率，
Figure GDA0004078062960000053
和
Figure GDA0004078062960000054
分别为对应的时延引起的相移，
Figure GDA0004078062960000055
为第i个阅读器与第k个阅读器间的载波频偏，
Figure GDA0004078062960000056
Tf,k为时延τf,k的离散化形式，Ts为接收信号的采样周期，wk(n)服从循环对称复高斯分布
Figure GDA0004078062960000057
在上述模型的信号检测方法上，本发明提出通过设计标签的波形来消除直接链路干扰，并构造最佳检测器来检测标签信号。
1、标签波形设计：
考虑每个标签符号周期中均包含N个采样点，且
Figure GDA0004078062960000058
针对不同的阅读器数量K，标签符号对应的波形会有所变化。为了消除干扰，本发明设计了标签波形x[n]来传输信息比特。让阅读器从每个标签符号周期内获取
Figure GDA0004078062960000059
离散样本。
当标签发送比特‘0’，其波形可以表示为：
x[n]＝0,n＝1,...,N；
当标签发送比特‘1’，其波形与阅读器数量K有关，可以通过如下方式得到波形：
第一步：给定初始值，令x[n]＝1,n＝1,...,C，并取t＝K-1；
第二步：若t≥1则令x[n+N/2t]＝-x[n],n＝1,...,N/2t；
第三步：调整t值，令t←t-1，若t≥1则回到第二步；
由以上三个步骤可以得到标签发送比特‘1’时的波形。
图2展示了以K＝3和K＝4的情况为例绘制了标签波形。
2、多阅读器联合检测：
利用上述波形，可以通过交替进行频偏补偿和相减的步骤来实现直接链路干扰消除。
为便于表示和理解，以K＝3的情况为例阐述思路。首先对单个阅读器(阅读器1)的接收信号进行分析，其余阅读器(阅读器2，3)的接收信号只需用同样的方式处理，此处不再赘述。
第一步：对阅读器1的接收信号y1[n]补偿载波频偏Δf12，然后将补偿后信号的前半周期与后半周期相减，即
Figure GDA0004078062960000061
Figure GDA0004078062960000062
该步骤消除了阅读器2对阅读器1的直接链路干扰。
第二步：对y1,1[n]补偿Δf13-Δf12，再将补偿后信号的前半周期与后半周期相减，即
Figure GDA0004078062960000063
该步骤消除了阅读器3对阅读器1的直接链路干扰。
用
Figure GDA0004078062960000064
表示干扰消除后的信号，其中包含反射信号和噪声。考虑实际工程中的典型参数时(900MHz的载波在0.1ppm的晶振精度下对应的载波偏移为-90Hz～90Hz，N＝200,Ts＝10-7s)，指数项
Figure GDA0004078062960000065
和
Figure GDA0004078062960000066
近似于1。
Figure GDA0004078062960000067
可以简化为：
Figure GDA0004078062960000068
其中
Figure GDA0004078062960000069
为几个噪声项的和，μ1[n]是反射信号可以表示为：
Figure GDA00040780629600000610
分别对阅读器2和阅读器3进行频偏补偿相减后容易得到μ2[n]和μ3[n]，将3个阅读器处理后的信号上传至一个共同的节点来联合检测标签信息。
扩展至K个阅读器的情况，此时每个阅读器均会受到其余K-1个阅读器的发送信号引起的直接链路干扰，且均存在载波频偏，此时每个阅读器需要依次进行K-1次频偏补偿相减的步骤来消除所有的直接链路干扰。用k,i,i'表示阅读器索引，且k＝1，干扰消除可以分为如下几个步骤：
第一步：若k≤K，令i＝1；
第二步：当i≤K，若i＝k则先令i←i+1，补偿载波频偏Δfki然后将补偿后信号的前半周期与后半周期相减，令i'←i；若i≠k，则直接补偿载波频偏Δfki并将补偿后信号的前半周期与后半周期相减，令i'←i；
第三步：当i≤K，若i≠k，则补偿载波频偏(Δfki-Δfki')并将补偿后信号的前半周期与后半周期相减，令i'←i，i←i+1；若i＝k则令i←i+1；重复执行本步骤直到不再满足i≤K条件，此时可以获得第k个阅读器消除干扰后的信号
Figure GDA0004078062960000071
第四步：k←k+1，回到第一步。
第k个阅读器的接收信号在进行干扰消除后其中的反射信号可以表示为：
Figure GDA0004078062960000072
联合K个阅读器处理后的信号，构成一个新的向量
Figure GDA0004078062960000073
其中反射信号为
Figure GDA0004078062960000074
利用
Figure GDA0004078062960000075
和μ[n]构造判决表达式：
B＝1
Figure GDA0004078062960000076
B＝0
其中检验统计量
Figure GDA0004078062960000077
可表示为：
Figure GDA0004078062960000078
判决门限
Figure GDA0004078062960000079
可表示为：
Figure GDA00040780629600000710
效果验证：
图3表示本发明提出的多阅读器联合检测方案与无干扰消除检测方案的在不同发射功率下的误码率对比。无干扰消除检测器的误码率恒定为0.5，即无法检测强干扰下的信号。相比之下，多阅读器联合检测方案的误码率会随着发射功率的增加而降低，而不会出现误码平台。具体来说，随着发射功率从10dBm增加到30dBm，多阅读器联合最优检测器的误码率从0.14降低到0.002。
图4表示本发明提出的多阅读器联合检测方案与无干扰消除检测方案在不同残留载波频率偏移下的误码率对比，实际的残留载波频率偏移主要是由载波频偏估计不准确造成，对于发射功率在20dBm时，误码率随着残留载波频偏的增加而增加，但多阅读器联合检测方案对残留载波频偏更加稳健。
最后应当说明的是，上述实施例仅是优选实施方式，并不用以限制本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出若干修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.多阅读器反向散射通信系统的干扰消除接收检测方法，应用于多阅读器反向散射通信系统，所述多阅读器反向散射通信系统包括：K个阅读器和一个单天线标签，每个阅读器包括单发射天线和M根接收天线，其中K≥2，M≥1；
所述K个阅读器同时发射单音正弦载波信号到标签；所述标签接收正弦载波信号，所述标签还包括反向散射天线和射频能量收集模块，所述射频能量收集模块用于收集来自阅读器发射的载波信号中的能量，所述反向散射天线用于向阅读器发射信息比特；所述K个阅读器接收来自标签的反向散射信号，其特征在于，该方法包括：
K个阅读器同时发射单音正弦载波信号到标签；
标签接收正弦载波信号，通过反向散射向各个阅读器发射信息比特；
K个阅读器接收来自标签的反向散射信号；
对K个阅读器接收的来自标签的反向散射信号进行联合解调；
所述接收来自标签的反向散射信号，具体包括：
假设第k个阅读器接收的带通信号为：
其中，为接收到的标签反射信号，为来自其余阅读器的直接链路干扰信号，为带通噪声信号；si(t)为第i个阅读器发送的载波信号；x(t)为标签信号；α为标签的反射系数；ah,i和τh,i分别为第i个阅读器到标签的信道衰减系数以及传播时延；af,k和τf,k分别为标签到第k个阅读器的信道衰减系数以及传播时延；ag,ki和τg,ki分别为第i个阅读器到第k个阅读器的信道衰减系数以及传播时延；
第k个阅读器利用本地振荡器进行下变频并采样后，其接收信号的离散复基带形式为：
其中，Ps为平均发射功率，φi和φk分别表示第i个和第k个载波的初相，fi为第i个载波的频率，和分别为对应的时延引起的相移；x[n]为标签承载信息的波形；为第i个阅读器与第k个阅读器间的载波频偏；
Tf,k为时延τf,k的离散化形式，Ts为接收信号的采样周期，wk[n]服从循环对称复高斯分布。
2.如权利要求1所述的多阅读器反向散射通信系统的干扰消除接收检测方法，其特征在于，所述标签通过反向散射向各个阅读器发射信息比特时，所使用的波形x[n]的产生方式包括：
考虑每个标签符号周期中含有N个采样点，且N＝2K-1C,
当标签发送比特‘0’，其波形表示为：
x[n]＝0,n＝1,...,N
当标签发送比特‘1’，其波形与阅读器数量K有关，可以通过如下方式得到波形：
(1)给定初始值，令x[n]＝1,n＝1,...,C，并取t＝K-1；
(2)若t≥1则令x[n+N/2t]＝-x[n],n＝1,...,N/2t；
(3)调整t值，令t←t-1，若t≥1则回到第(2)步。
3.如权利要求2所述的多阅读器反向散射通信系统的干扰消除接收检测方法，其特征在于，K个阅读器接收来自标签的反向散射信号后进行信号处理，处理过程包括：
每个阅读器均会受到其余K-1个阅读器的发送信号引起的直接链路干扰，且均存在载波频偏，此时每个阅读器需要依次进行K-1次频偏补偿相减的步骤来消除所有的直接链路干扰；用k,i,i'表示阅读器索引，且初始k＝1，干扰消除过程可以分为如下几个步骤：
第一步：若k≤K，令i＝1；
第二步：当i≤K，若i＝k则先令i←i+1，补偿载波频偏Δfki然后将补偿后信号的前半周期与后半周期相减，令i'←i；若i≠k，则直接补偿载波频偏Δfki并将补偿后信号的前半周期与后半周期相减，令i'←i；
第三步：当i≤K，若i≠k，则补偿载波频偏(Δfki-Δfki')并将补偿后信号的前半周期与后半周期相减，令i'←i，i←i+1；若i＝k则令i←i+1；重复执行本步骤直到不再满足i≤K条件，此时可以获得第k个阅读器消除干扰后的信号
第四步：k←k+1，回到第一步；
第k个阅读器的接收信号在进行上述干扰消除处理后，其中的反射信号表示为：
4.如权利要求3所述的多阅读器反向散射通信系统的干扰消除接收检测方法，其特征在于，所述对K个阅读器接收的来自标签的反向散射信号进行联合解调，具体包括：
联合K个阅读器处理后的信号，构成一个新的向量其中反射信号为利用和μ[n]构造判决表达式：
其中检验统计量表示为：
判决门限表示为：
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