CN115333552B - 一种基于无线通信与射频感知的感知通信一体化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线通信与射频感知的感知通信一体化方法，其涉及物联网中无线感知通信领域，其包括以下步骤：S1、准备基带信号；S2、设置射频前端：射频前端为基于分时复用—模拟波束形成的构架，射频前端采用2个射频端切换使用的架构；S3、设置发射—接收信号分离器：发射—接收信号分离器包含模拟消除器和数字消除器；S4、分离与过滤干扰信号与噪声；S5、获取射频前端输出信号：射频前端输出信号包含射频感知数据和通信数据；对获取的射频感知数据进行参数估计，获得被测物体的位置距离、速度，对获取的通信数据进行解析，本发明解决现有技术中感知通信一体化中，感知信号与通信信号两者之间的相互影响与噪声的干扰的技术问题。

Description

一种基于无线通信与射频感知的感知通信一体化方法

技术领域

本发明涉及物联网中无线感知通信技术领域，尤其涉及一种基于无线通信与射频感知的感知通信一体化方法。

背景技术

物联网技术使得我们周围无处不在的各种“物”发生联系，相互作用。与互联网明显不同的是，物联网不仅是一个数据交换网络，还负责通过感知物理世界来捕获信息。

现有的物联网通常实现两种基本功能：传感器手机数据和网络路由数据，即感知与通信。然而，物联网的概念不应该仅限于“网络化的传感器”，因为射频通信基础设备本身具有传感器的潜力，从而能集成无线通信技术与射频感知技术，变成感知通信一体化解决方案。事实上，各种射频通信基础设备在过去已经被大量研究，尽管他们大多试图将射频信号直接用于感知目的，但是并没有考虑到感知和通信之间的相互作用，这将会导致两者相互影响，最终感知的可靠性与通信的质量都会下降。如何在感知和通信同时进行的进程中尽可能消除两者间相互影响，提高结果的质量与可靠性成为了一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供了一种基于无线通信与射频感知的感知通信一体化方法，其解决现有技术中感知通信一体化中，感知信号与通信信号两者之间的相互影响与噪声的干扰的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于无线通信与射频感知的感知通信一体化方法，包括以下步骤：

S1、准备基带信号；

S2、设置射频前端：所述射频前端为基于分时复用—模拟波束形成的构架，所述射频前端采用2个射频端切换使用的架构，其中一个是发射端与接收端二合一的射频端，另外一个是只包含一个接收端的射频端；

S3、设置发射—接收信号分离器：所述发射—接收信号分离器包含模拟消除器和数字消除器；

S4、分离与过滤干扰信号与噪声；

S5、获取射频前端输出信号，完成感知通信：所述射频前端输出信号包含射频感知数据和通信数据，其中，射频感知数据用于获取信道状态信息，通信数据用于获取信息流；将获取的射频感知数据通过MUSIC空间谱估计算法进行参数估计，即可获得被测物体的位置距离、速度、角度信息，并且对获取的通信数据进行解析，计算相关信噪比与数据数据传输速度，完成感知通信。

上述技术方案中，所述S1中的基带信号为基于WIFI无线通信技术的信号，包括信道状态信息与数据包。

上述技术方案中，所述S2步骤中，两个射频端由状态机根据传输数据的类型来控制开关，如果传输的是感知信号则使用发射端与接收端二合一的射频端，反之，如果是通信信号则使用单一接收端的射频端。

上述技术方案中，所述S3步骤中，采用直接正交调制器来实现模拟消除器。

上述技术方案中，所述S3步骤中，数字消除器通过自适应滤波器来减少发射端干扰。

上述技术方案中，所述自适应滤波器采用最小均方算法或递归最小二乘算法琥或莱文逊杜宾递推算法。

上述技术方案中，所述S3步骤中，数字消除器通过维纳滤波器或卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器或无迹卡尔曼滤波器来减少发射端干扰。

上述技术方案中，所述S3步骤中，数字消除器通过高斯滤波器或双边滤波器来减少发射端干扰。

上述技术方案中，所述S4步骤中，接收端按照相隔半波长的策略位置进行放置；将基带信号输入到设置好的射频前端中，通过信号分离器驱动发射端，接收端得到该信号，该信号经过模拟消除器，消除了大部分发射端的干扰信号，然后经过数字消除器进行消除剩下的干扰信号，完成感知过程中的消除干扰。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本技术方案基于无线通信与射频感知技术，提出一个单基地物联网设备集成无线网络通信数据和传感器数据的模型框架，主要包含一个新型的射频前端，其能有效分离发射端与接收端的信号，相较于传统的通信模型而言，减少了发射端对接收端天线链路的干扰，进一步提高了信号质量的准确性。

2、本技术方案在与全双工无线技术方案对比测试中，能够清楚感知到微运动(钟摆运动)，证明其感知能力十分优越，并且在开启信号分离器情况下的基准测试中，有效地去除了干扰信号，使用感知信号完成测距、测速的功能，误差在可接受范围内(最低可达6％)，并且提高了通信信号的信噪比(8～10dB)与数据吞吐率(25～30Mbps)。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种基于无线通信与射频感知的感知通信一体化方法的总流程图；

图2是本发明提供的一种基于无线通信与射频感知的感知通信一体化方法与基于全双工无线技术方案的钟摆摆动过程对比图；

图3是本发明提供的一种基带信号经过信号分离器后各分量的功率谱图；

图4是本发明提供的一种基于无线通信与射频感知的感知通信一体化方法与传统射频设备的测距误差对比图；

图5是本发明提供的一种基于无线通信与射频感知的感知通信一体化方法与传统射频设备的测速误差对比图；

图6是本发明提供的一种通信数据在信号分离器开启与关闭情况下的信噪比对比图；

图7是本发明提供的一种通信数据在信号分离器开启与关闭情况下的吞吐量对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1-图7所示，本实施例提供了一种基于无线通信与射频感知的感知通信一体化方法，其包括以下步骤：

S1、准备基带信号；其中，基带信号优选为基于WIFI无线通信技术的信号，主要包括信道状态信息与数据包。WIFI与其他短程无线通信技术占到物联网场景中采用的射频连接总数的70％，并且WIFI还受到广泛可编程平台的支持，所以本实施例优选采用WIFI来实现信号原型。

S2、设置射频前端：射频前端为基于分时复用—模拟波束形成的构架，射频前端采用2个射频端切换使用的架构，其中一个是发射端与接收端二合一的射频端，另外一个是只包含一个接收端的射频端。

传统的感知通信一体化射频前端一般使用单一射频端，在使用过程中感知信号与通信信号容易相互影响，从而导致效果不佳，而本实施例的射频前端采用2个射频端切换使用的架构。两个射频端由状态机根据传输数据的类型来控制开关，如果传输的是感知信号则使用发射端与接收端二合一的射频端，反之，如果是通信信号则使用单一接收端的射频端。本实施例的射频前端能有效分离发射端与接收端的信号，相较于传统的通信模型而言，减少了发射端对接收端天线链路的干扰，进一步提高了信号质量的准确性。

本实施例的射频前端基于USRPX310为原型设计，来自天线的信号首先被馈送到一个环形器中进行发射端和接收端信号分离，然后由信号分离器进行过滤干扰。

S3、设置发射—接收信号分离器：所述发射—接收信号分离器包含模拟消除器和数字消除器，其中，本实施例优选采用直接正交调制器来实现模拟消除器，这样可以减轻发射天线对接收天线链路的干扰。另外，数字消除器主要是通过一个自适应滤波器进一步减少发射端干扰。本实施例的自适应滤波器在信号和噪声统计特性先验未知的情况下，也能够提供卓越的滤波性能。自适应滤波器可以采用最小均方算法或递归最小二乘算法琥或莱文逊杜宾递推算法来进行，此外还可以使用维纳滤波器或卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器或无迹卡尔曼滤波器来进一步减少发射端干扰，可以根据用户的实际需求来进行选择，故不以此为限。

当然于其他实施例中，数字消除器还可以通过高斯滤波器或双边滤波器来减少发射端干扰，故不以此为限。其中，高斯滤波器是一种线性滤波器，能够有效的抑制噪声、平滑数据，而双边滤波器一种非线性的滤波方法，在平滑去噪的同时还能够很好的保存边缘。

S4、分离与过滤干扰信号与噪声；其中，接收端按照相隔半波长的策略位置进行放置。具体的，先将基带信号输入到设置好的射频前端中，通过信号分离器驱动发射端，接收端得到这个信号，这个信号经过了模拟消除器中的正交调制，消除了大部分发射端的干扰信号，剩下的干扰信号就交给在接收端内的数字消除器来消除，从而完成一个感知过程中的消除干扰过程。

S5、获取射频前端输出信号，完成感知通信：所述射频前端输出信号包含射频感知数据(信道状态信息)和通信数据(数据包)，其中，射频感知数据用于获取信道状态信息，数据包用于获取信息流；将获取的射频感知数据通过MUSIC空间谱估计算法进行参数估计，即可获得被测物体的位置距离、速度与角度信息，并且对获取的通信数据进行解析，计算相关信噪比与数据数据传输速度，完成感知通信。

本实施例对本技术方案基本功能进行了基准测试，以关闭信号分离器的情况下为基准对照组，采用MUSIC空间谱估计算法进行参数估计。请参阅图3，发射端功率设置为5dBm时，模拟消除器和数字消除器进一步减少了发射端干扰，分别为40dB和25dB。可以看到在经过信号分离器后，残留的发射端干扰大小已经非常接近底噪，有效地去除了干扰信号。

本实施例进行了实验来测试本技术方案的测距和测速功能。将技术方案安装在工作台上，在机器人汽车上固定一个金属圆柱体(半径0.1m，高度1.2m)，并远程控制汽车从距离工作台1m移动到15m并保持在本技术方案监测范围内，在室内走廊中以1米步长，速度从0.6m/s到3.5m/s，最后使用采集到的信号经过参数估计，得到图4和图5所示的测距、测速误差。本发明和对照组的测距误差中值分别为2.84m和14.14m，测速误差中值分别为0.37m/s和1.92m/s。从数据对比来看本技术方案在测距和测速的功能上，其误差值更小，准确率更高。

本实施例对本技术方案在感知期间的通信进行对比测试。在上述机器人汽车上分别在开启和关闭信号分离器的情况下进行正常的数据包传输通信，结果如图6和图7所示，在开启信号分离器的情况下，会显著降低通信信号的信噪比和数据吞吐率。因此本技术方案使用状态机机制，将通信和感知分别设置为两种状态，根据传输数据的类型来控制开关，如果传输的是感知信号则进入感知状态，使用发射端与接收端二合一的射频端，将信号分离与过滤发射端的干扰信号，利用基于非均匀快速傅里叶变换算法的稀疏优化框架算法来增强感知性能，反之，如果传输的是通信信号则会进入通信状态，使用单一接收端的射频端，并不会启动信号分离器。根据图6和图7的结果数据，此方法可以大幅度提高通信信号的信噪比(8到10dB)与数据吞吐率(25到30Mbps)。

特别地，本实施例采用的是WI-FI协议，但本技术方案的整体架构与协议无关，因此可以顺利迁移到其他物联网通信协议，如蓝牙、紫蜂ZigBee等。

特别地，于其他实施例中，获取的射频感知数据也可以通过FFT快速傅里叶算法来获取被测物的距离、速度、角度等信息。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于无线通信与射频感知的感知通信一体化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、准备基带信号；

S2、设置射频前端：所述射频前端为基于分时复用—模拟波束形成的构架，所述射频前端采用2个射频端切换使用的架构，其中一个是发射端与接收端二合一的射频端，另外一个是只包含一个接收端的射频端，两个射频端由状态机根据传输数据的类型来控制开关，如果传输的是感知信号则使用发射端与接收端二合一的射频端，反之，如果是通信信号则使用单一接收端的射频端；

S3、设置发射—接收信号分离器：所述发射—接收信号分离器包含模拟消除器和数字消除器，其中，采用直接正交调制器来实现模拟消除器；

S4、分离与过滤干扰信号与噪声；

S5、获取射频前端输出信号，完成感知通信：所述射频前端输出信号包含射频感知数据和通信数据，其中，射频感知数据用于获取信道状态信息，通信数据用于获取信息流；将获取的射频感知数据通过MUSIC空间谱估计算法进行参数估计，即可获得被测物体的位置距离、速度、角度信息，并且对获取的通信数据进行解析，计算相关信噪比与数据数据传输速度，完成感知通信。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线通信与射频感知的感知通信一体化方法，其特征在于，所述S1中的基带信号为基于WIFI无线通信技术的信号，包括信道状态信息与数据包。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线通信与射频感知的感知通信一体化方法，其特征在于，所述S3步骤中，数字消除器通过自适应滤波器来减少发射端干扰。

4.根据权利要求3所述的一种基于无线通信与射频感知的感知通信一体化方法，其特征在于，所述自适应滤波器采用最小均方算法或递归最小二乘算法琥或莱文逊杜宾递推算法。

5.根据权利要求3所述的一种基于无线通信与射频感知的感知通信一体化方法，其特征在于，所述S3步骤中，数字消除器通过维纳滤波器或卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器或无迹卡尔曼滤波器来减少发射端干扰。

6.根据权利要求1所述的一种基于无线通信与射频感知的感知通信一体化方法，其特征在于，所述S3步骤中，数字消除器通过高斯滤波器或双边滤波器来减少发射端干扰。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于无线通信与射频感知的感知通信一体化方法，其特征在于，所述S4步骤中，接收端按照相隔半波长的策略位置进行放置；将基带信号输入到设置好的射频前端中，通过信号分离器驱动发射端，接收端得到该信号，该信号经过模拟消除器，消除了大部分发射端的干扰信号，然后经过数字消除器进行消除剩下的干扰信号，完成感知过程中的消除干扰。