CN117640018B - 实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种实现并发Wi‑Fi反向散射通信的译码方法及系统，方法包括：步骤1，从接收的多个反向散射标签的叠加数据中，计算第i个标签的单个码元持续时间内的采样点数量：步骤2：计算第i个标签传输数据的比特数目；步骤3：用计算得出的采样点数量分别算出第一、二中间变量；步骤4：用得出的第一、二中间变量计算每个比特持续时间内的同相分量和正交相分量的和值；步骤5：将得到的和值归一化得到归一化和值；步骤6：用得到的归一化和值计算出阈值；步骤7：将归一化和值中的每个值与得到的阈值比较，根据比较结果评估确定第i个反向散射标签传输的数据值。该方法及系统，具有更低的误码率、更高的吞吐量和更广泛的物联网应用的优点。

Description

实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码方法及系统
技术领域
本发明涉及反向散射通信领域，涉及一种实现多标签并发Wi-Fi反向散射通信的译码方法及系统。
背景技术
反向散射通信技术因其超低功耗、低成本和简便部署等特点，正逐渐成为物联网的核心技术，有望广泛应用于环境监测、智能家居、智能物流和医疗保健等物联网领域。然而，传统的反向散射通信系统需使用专用的载波发射器（例如，RFID中的Reader）生成射频激励信号，这不仅增加了实施成本，也降低了灵活性。近年来，研究者们已经探索使用环境中已有信号（如蓝牙、ZigBee、TV、LoRa和Wi-Fi）作为射频激励信号的可行性。
由于Wi-Fi信号广泛存在，且大多数物联网设备有望兼容Wi-Fi信号，因此基于Wi-Fi的反向散射通信系统得到了广泛研究。2014年发表在SIGCOMM上的Wi-Fi Backscatter是第一个兼容Wi-Fi信号的反向散射系统。自那时起，研究者们提出了各种兼容Wi-Fi信号的反向散射系统，例如2016发表在SenSys的HitchHike、同年发表在SIGCOMM的FS-Backscatter、2017年发表在CoNEXT的FreeRider、2020年发表在NSDI的VMscatter、2021年发表在NSDI的TScatter和SyncScatter、2022年发表在MobiSys的CAB，以及2023年发表在MobiSys的Chameleon。这些基于Wi-Fi的反向散射系统虽然各具特点和优势，但均运行在单标签模式下，不支持多标签并发的反向散射通信，导致单个反向散射标签将独占信道，从而降低了频谱效率和通信效率。
编码机制（例如，CDMA）是一种有效的方案，可实现多设备的并发传输。在利用编码机制实现多设备并发传输的系统中，每个发送端被分配一个独一无二的伪随机码，这些码之间是正交的或接近于正交的。发送端使用分配的伪随机码对信息进行编码，接收端使用相应的伪随机码来解码对应设备传输的信息。2014年发表在SIGCOMM的μcode使用了一组交替的“10”编码序列和OOK调制方式实现了并发的TV反向散射通信，获得的误码率约为0.009。在μcode中，比特“1”和比特“0”被各自编码为“1010…L…1010”和“0000…L…0000”，其中L表示编码序列的长度，例如编码序列“101010”的长度L的值是6。为了实现多标签的并发传输，不同标签的码率需满足2k(k=1,2,3…)的倍数关系。例如，对于两个并发的散射通信的第i个反向散射标签和j而言，它们的码率应满足Rj=2kRi或Ri=2kRj的关系。因为OOK调制方式独立于具体的信号类型，原则上μcode的编译码方法也能用于实现并发的Wi-Fi反向散射通信。然而，将μcode的编译码方法应用于Wi-Fi信号时，获得的误码率达到了0.27～0.4。对于大多数物联网应用而言，如此高的误码率显然是不可接受的。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供了一种实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码方法及系统，能在多标签并发的Wi-Fi反向散射通信系统中降低误码率，提升系统的吞吐量，提高多标签并发的Wi-Fi反向散射通信的可靠性，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码方法，用于对包含n个反向散射标签的并发Wi-Fi反向散射通信系统中的第i个反向散射标签的数据进行解码，n取值为大于等于2的整数，i取值为1到n的整数，包括：
步骤1，从接收的PSDU字段携带的多个反向散射标签的叠加数据中，计算第i个反向散射标签的单个码元持续时间内的采样点数量：
步骤2：从接收的PSDU字段携带的多个反向散射标签的叠加数据中，计算第i个反向散射标签传输数据的比特数目；
步骤3：通过步骤1计算得出的采样点数量分别计算得出第一中间变量和第二中间变量的值；
步骤4：利用步骤3得出的第一中间变量和第二中间变量计算每个比特持续时间内的同相分量和正交相分量的和值；
步骤5：将步骤4得到的和值进行归一化处理得到归一化和值；
步骤6：利用步骤5得到的归一化和值计算出阈值；
步骤7：将归一化和值中的每个值与步骤6得到的阈值进行比较，根据比较结果来评估确定第i个反向散射标签传输的数据值。
一种实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码系统，用于实现本发明所述的方法，包括：
激励信号发送端装置、至少两个反向散射标签和反向散射信号接收端装置；其中，
所述激励信号发送端装置，能发射Wi-Fi信号作为激励信号；
各反向散射标签，均能采用分配的编码对待传输的数据进行编码，然后根据分配的码率和OOK调制方式对所述激励信号发送端装置发射的激励信号的PSDU字段进行调制，并通过调制后的激励信号与所述反向散射信号接收端装置通信连接；
所述反向散射信号接收端装置，能对来自多个反向散射标签的散射信号进行叠加，然后执行abs(y(801:end))操作来获取各反向散射标签调制后的802.11n信号的PSDU字段，通过阈值比较取值的方式对PSDU字段携带的多个反向散射标签的数据进行解码。
与现有技术相比，本发明所提供的实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码方法及系统，其有益效果包括：
相比于现有μcode方法，本发明的译码方法能够有效缓解其它标签带来的信号干扰，因此降低了误码率，使得本发明的译码方法具有更低的误码率；在其它变量（参数）一致的情况下，更低的误码率会导致更高的吞吐量，因此，本发明的译码方法具有更高的吞吐量，由于具有更低的误码率和更高的吞吐量，本发明的译码方法能实现更广泛的物联网应用，如在物流领域，标签能够附着在物品上，协助物流管理人员去识别货物，由本发明的译码方法能够同时识别多个货物，因此降低了识别延迟并提高了效率。本发明的译码方法能够有效降低多标签协同运行的冲突，使得解码的数据能够准确反映环境状况，从而实现最佳的环境调整。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为本发明实施例提供的实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码方法流程图。
图2为本发明实施例提供的译码方法与现有μcode译码方法的第一种通信状态的误码率对比图。
图3为本发明实施例提供的的译码方法与现有μcode译码方法的第二种通信状态的误码率对比图。
图4为本发明实施例提供的的译码方法与现有μcode译码方法的第三种通信状态的误码率对比图。
图5为本发明实施例提供的的译码方法与现有μcode译码方法的第四种通信状态的误码率对比图。
图6为本发明实施例提供的的译码方法与现有μcode译码方法的第五种通信状态的误码率对比图。
图7为本发明实施例提供的的译码方法与现有μcode译码方法的第六种通信状态的误码率对比图。
图8为本发明实施例提供的实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码系统的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明的具体内容，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一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素（如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等），应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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文中的具体含义。
术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。
下面对本发明所提供的实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码方法及系统进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如图1所示，本发明实施例提供一种实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码方法，用于对包含n个反向散射标签的并发Wi-Fi反向散射通信系统中的第i个反向散射标签的数据进行解码，n取值为大于等于2的整数，i取值为1到n的整数，包括：
步骤1，从接收的PSDU字段携带的多个反向散射标签的叠加数据中，计算第i个反向散射标签的单个码元持续时间内的采样点数量：
步骤2：从接收的PSDU字段携带的多个反向散射标签的叠加数据中，计算第i个反向散射标签传输数据的比特数目；
步骤3：通过步骤1计算得出的采样点数量分别计算得出第一中间变量和第二中间变量的值；
步骤4：利用步骤3得出的第一中间变量和第二中间变量计算每个比特持续时间内的同相分量和正交相分量的和值；
步骤5：将步骤4得到的和值进行归一化处理得到归一化和值；
步骤6：利用步骤5得到的归一化和值计算出阈值；
步骤7：将归一化和值中的每个值与步骤6得到的阈值进行比较，根据比较结果来评估确定第i个反向散射标签传输的数据值。
优选的，上述方法的步骤1中，通过以下公式(1)计算第i个反向散射标签的单个码元持续时间内的采样点数量，公式(1)为：
(1)；
其中，表示第i个反向散射标签的码率,单位为chips/s；/>表示接收端的采样率，默认值是20MHz；
所述步骤2中，通过以下公式(2)计算第i个反向散射标签传输的比特数目，公式(2)为：
(2)；
其中，表示接收信号；函数/>为计算长度；/>为第i个反向散射标签的编码长度；/>为向下取整；
所述步骤3中，按以下公式(3)、(4)通过步骤1计算得出的采样点数量分别计算得出第一中间变量和第二中间变量/>的值，公式(3)、(4)分别为：
(3)；
(4)；
其中，的值等于/>；函数/>为生成矩形脉冲信号；/>为将第一中间变量/>中的元素循环左移/>位。
优选的，上述方法的步骤4中，按以下方式计算每个比特持续时间内的同相分量和正交相分量/>的和值，包括：
步骤41：将比特第一序号的初始值设为1；
步骤42：按以下公式计算第个比特持续时间内同相分量/>的值：
；
其中，“”表示为对应元素执行点积运算；函数/>为求和；
步骤43：按以下公式计算第个比特持续时间内正交相分量/>的值：
；
步骤44：通过以下公式对步骤42和步骤43得到的第个比特持续时间内的同相分量/>和正交相分量/>均取绝对值后，进行累加得出第/>个比特持续时间内的和值/>：
；
其中，函数为取绝对值；
步骤45：将比特第一序号加1后赋值给比特第一序号/>；
步骤46：将赋值后比特第一序号的值与步骤2计算得出的比特数目/>的值比较，如果比特第一序号/>的值小于等于比特数目/>的值，则重复步骤42至步骤46，直到比特第一序号/>的值大于比特数目/>的值。
优选的，上述方法的步骤5中，按以下公式将步骤4得到的和值进行归一化处理得到归一化和值，公式为：
；
其中，为步骤4得到的和值；/>为第i个反向散射标签的编码长度；/>为第i个反向散射标签的单个码元持续时间内的采样点数量；
所述步骤6中，通过以下公式利用步骤5得到的归一化和值计算出阈值/>，公式为：
；
其中，的默认值为10101010；/>的值为8。
优选的，上述方法的步骤7中，按以下方式将归一化和值中的每个值与步骤6得到的阈值进行比较，根据比较结果来评估确定第i个反向散射标签传输的数据值，包括：
步骤71：将比特第二序号的初始值设置为1；
步骤72：将归一化和值中的第/>个和值/>的值与步骤6得到的阈值/>的值进行比较；如果第/>个和值/>的值大于阈值/>的值，则第i个反向散射标签传输的第/>个比特数据被评估确定为1，否则被评估确定为0；
步骤73：将比特第二序号加1后赋值给比特第二序号/>；
步骤74：将赋值后比特第二序号的值与步骤2计算得出的比特数目/>的值比较，如果比特第二序号/>的值小于等于比特数目/>的值，重复步骤72至步骤74，直到比特第二序号/>的值大于比特数目/>的值。
如图8所示，本发明实施例还提供一种实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码系统，用于实现上述的方法，包括：
激励信号发送端装置、至少两个反向散射标签和反向散射信号接收端装置；其中，
所述激励信号发送端装置，能发射Wi-Fi信号作为激励信号；
各反向散射标签，均能采用分配的编码对待传输的数据进行编码，然后根据分配的码率和OOK调制方式对所述激励信号发送端装置发射的激励信号的PSDU字段进行调制，并通过调制后的激励信号与所述反向散射信号接收端装置通信连接；
所述反向散射信号接收端装置，能对来自多个反向散射标签的散射信号进行叠加，然后执行abs(y(801:end))操作来获取各反向散射标签调制后的802.11n信号的PSDU字段，通过阈值比较取值的方式对PSDU字段携带的多个反向散射标签的数据进行解码。
优选的，上述系统中，所述反向散射信号接收端装置按以下方式通过阈值比较取值的方式对多个反向散射标签的数据进行解码，包括：
步骤S1，所述反向散射信号接收端装置从接收的PSDU字段携带的多个反向散射标签的叠加数据中，计算第i个反向散射标签的单个码元持续时间内的采样点数量：
步骤S2：从接收的PSDU字段携带的多个反向散射标签的叠加数据中，计算第i个反向散射标签传输数据的比特数目；
步骤S3：通过步骤S1计算得出的采样点数量分别计算得出第一中间变量和第二中间变量的值；
步骤S4：利用步骤S3得出的第一中间变量和第二中间变量计算每个比特持续时间内的同相分量和正交相分量的和值；
步骤S5：将步骤S4得到的和值进行归一化处理得到归一化和值；
步骤S6：利用步骤S5得到的归一化和值计算出阈值；
步骤S7：将归一化和值中的每个值与步骤S6得到的阈值进行比较，根据比较结果来评估确定第i个反向散射标签传输的数据值。
优选的，上述系统的反向散射信号接收端装置处理的步骤S1中，所述反向散射信号接收端装置通过以下公式(1)计算第i个反向散射标签的单个码元持续时间内的采样点数量，公式(1)为：
(1)；
其中，表示第i个反向散射标签的码率,单位为chips/s；/>表示接收端的采样率，默认值是20MHz；
所述步骤2中，所述反向散射信号接收端装置通过以下公式(2)计算第i个反向散射标签传输的比特数目，公式(2)为：
(2)；
其中，表示接收信号；函数/>为计算长度；/>为第i个反向散射标签的编码长度；/>为向下取整；
所述步骤3中，按以下公式(3)、(4)通过步骤S1计算得出的采样点数量分别计算得出第一中间变量和第二中间变量/>的值，公式(3)、(4)分别为：
(3)；
(4)；
其中，的值等于/>；函数/>为生成矩形脉冲信号；/>为将第一中间变量/>中的元素循环左移/>位；
所述步骤5中，按以下公式将步骤S4得到的和值进行归一化处理得到归一化和值，公式为：
；
其中，为步骤4得到的和值；/>为第i个反向散射标签的编码长度；/>为第i个反向散射标签的单个码元持续时间内的采样点数量；
所述步骤6中，通过以下公式利用步骤S5得到的归一化和值计算出阈值，公式为：
；
其中，的默认值为10101010；/>的值为8。
优选的，上述系统的反向散射信号接收端装置处理的步骤S4中，按以下方式计算每个比特持续时间内的同相分量和正交相分量/>的和值，包括：
步骤S41：将比特第一序号的初始值设为1；
步骤S42：按以下公式计算第个比特持续时间内同相分量/>的值：
；
其中，“”表示为对应元素执行点积运算；函数/>为求和；
步骤S43：按以下公式计算第个比特持续时间内正交相分量/>的值：
；
步骤S44：通过以下公式对步骤S42和步骤S43得到的第个比特持续时间内的同相分量/>和正交相分量/>均取绝对值后，进行累加得出第/>个比特持续时间内的和值/>：
；
其中，函数为取绝对值；
步骤S45：将比特第一序号加1后赋值给比特第一序号/>；
步骤S46：将赋值后比特第一序号的值与步骤S2计算得出的比特数目/>的值比较，如果比特第一序号/>的值小于等于比特数目/>的值，则重复步骤S42至步骤S46，直到比特第一序号/>的值大于比特数目/>的值。
优选的，上述系统的反向散射信号接收端装置处理的步骤S7中，按以下方式将归一化和值中的每个值与步骤S6得到的阈值进行比较，根据比较结果来评估确定第i个反向散射标签传输的数据值，包括：
步骤S71：将比特第二序号的初始值设置为1；
步骤S72：将归一化和值中的第/>个和值/>的值与步骤S6得到的阈值的值进行比较；如果第/>个和值/>的值大于阈值/>的值，则第i个反向散射标签传输的第/>个比特数据被评估确定为1，否则被评估确定为0；
步骤S73：将比特第二序号加1后赋值给比特第二序号/>；
步骤S74：将赋值后比特第二序号的值与步骤S2计算得出的比特数目/>的值比较，如果比特第二序号/>的值小于等于比特数目/>的值，重复步骤S72至步骤S74，直到比特第二序号/>的值大于比特数目/>的值。
综上可见，本发明实施例的方法及系统，具有更低的误码率、更高的吞吐量和更广泛的物联网应用的优点，能够有效降低多标签协同运行的冲突，使得解码的数据能够准确反映环境状况，从而实现最佳的环境调整。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码方法及系统进行详细描述。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供一种实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码方法，用于对包含n个反向散射标签的并发Wi-Fi反向散射通信系统中的第i个反向散射标签的数据进行解码，n取值为大于等于2的整数，i取值为1到n的整数；
以解码第i个反向散射标签的数据为例，本发明的译码方法包含以下步骤：
步骤1：通过以下公式计算第i个反向散射标签的单个码元持续时间内的采样点数量：
；
其中，表示第i个反向散射标签的码率，单位为chips/s；/>表示接收端的采样率，默认值是20MHz；
步骤2：通过以下公式计算第i个反向散射标签传输的比特数目：
；
其中，表示接收信号；函数/>为计算长度；/>为第i个反向散射标签的编码长度；/>为向下取整。
步骤3：通过以下两个公式利用步骤1得到的采样点数量计算第一中间变量和第二中间变量/>的值：
；
；
其中，的值等于/>；函数/>为生成矩形脉冲信号；/>为将第一中间变量/>中的元素循环左移/>位；
步骤4：计算每个比特持续时间内同相分量与内正交相分量/>相加/>的和值，结果用/>表示，具体步骤包括：
步骤41：将比特第一序号的初始值设置为1。
步骤42：计算第个比特持续时间内同相分量/>的值：
其中，“”表示对应元素执行点积运算；函数/>为求和；
步骤43：计算第个比特持续时间内正交相分量/>的值：
步骤44：对步骤42和步骤43得到的同相分量和内正交相分量/>取绝对值，然后进行累加得出和值：
；
其中，函数为取绝对值；
步骤45：将比特第一序号加1的值赋值给/>；
步骤46：比较赋值后的值与步骤2得出的比特数目/>的值的大小，如果/>的值小于等于/>的值，重复步骤42～步骤46，直到/>的值大于/>的值；
步骤5：归一化步骤4得到的和值得出归一化和值：
；
其中，为步骤4得到的和值；/>为第i个反向散射标签的编码长度；/>为第i个反向散射标签的单个码元持续时间内的采样点数量；
步骤6：利用归一化和值计算阈值：
；
其中，的默认值为“10101010”； />的值为8；
步骤7：将归一化和值中的每个值与步骤6得到的阈值进行比较，来评估确定第i个反向散射标签传输的数据值，具体步骤包括：
步骤71：将比特第二序号的初始值设置为1；
步骤72：比较的值与/>的值的大小，其中/>表示/>的第/>个值。例如/>,那么/>的值是0.1，/>的值是0.2。如果/>的值大于/>的值，那么第i个反向散射标签传输的第/>个比特数据将被评估为1；否则将被评估为0；
步骤73：将的值赋值给/>；
步骤74：比较赋值后的值与/>的值的大小，如果/>的值小于等于/>的值，重复步骤72～步骤74，直到/>的值大于/>的值。
本发明的译码方法至少具有以下三大优点：1）更低的误码率；2）更高的吞吐量；3）更广泛的物联网应用。
1）更低的误码率：
图2与图3分别比较了不同码率和编码长度设置下本发明的译码方法与μcode方法的误码率。从中可以看到，本发明的误码率优于μcode。当信噪比为-2dB时，本发明在标签之间的码率为Ri=2Rj=250Kchips/s，编码长度为16的设置下的误码率为0.0119%（见图2），在标签之间的码率为Ri=2Rj=1Mchips/s，编码长度为32的设置下的误码率为0.0668%（见图3），比μcode好2966.4和554.3倍（0.3530和0.3703）。这是因为本发明的译码方法能够有效缓解其它标签带来的信号干扰，因此降低了误码率。图4比较了不同并发标签数下，是在信噪比为-1dB，并发标签数为2、3和4，标签之间的码率为R1=2R2=4R3=8R4=250Kchips/s，编码长度为8的设置下，本发明的译码方法与μcode的误码率。可以看出，随着并发标签数的增加，本发明的误码率随之增加，但仍然低于μcode的误码率。
2）更高的吞吐量：
图5与图6分别比较了不同码率和编码长度设置下本发明的译码方法与μcode的吞吐量。从中可以看到，本发明的吞吐量高于μcode。当信噪比为-2dB时，在标签之间的码率为Ri=2Rj=250Kchips/s，编码长度为16的设置下，本发明的吞吐量为23.4Kbps，而μcode只有15.1Kbps（见图5）；在标签之间的码率为Ri=2Rj=1Mchips/s，编码长度为32的设置下，本发明的吞吐量达到了46.9Kbps（见图6），而μcode只有29.6Kbps。图7比较了不同并发标签数下，是在信噪比为-1dB，并发标签数为2、3和4，标签之间的码率为R1=2R2=4R3=8R4=250Kchips/s，编码长度为8的设置下，本发明与μcode的吞吐量。可以看出，随着并发标签数的增加，吞吐量也会随之增加，但本发明的吞吐量仍高于μcode。
3）更广泛的物联网应用：
在智能家居领域，多个反向散射标签部署在室内，协同运行以监测环境。通过分析收集的环境数据，智能家居设备能够及时调整环境，改善居民的生活质量。本发明的译码方法能够有效降低多标签协同运行的冲突，使得解码的数据能够准确反映环境状况，从而实现最佳的环境调整。
在智能物流领域，物流工作人员需要识别和分类货物。逐个识别货物显然效率低下且浪费时间。本发明的译码方法能够同时识别多个货物，因此显著降低识别时延并提高效率。
实施例2
如图8所示，本实施例提供一种实现多标签并发的Wi-Fi反向散射通信系统，该系统包括：
激励信号发送端装置、多个反向散射标签以及反向散射信号接收端装置；其中，激励信号发送端装置生成802.11n数据包作为激励信号，该激励信号经过反向散射标签调制后携带标签信息，然后传输至反向散射信号接收端装置，反向散射信号接收端装置利用本发明的译码方法解码多个反向散射标签传输的数据。
本实施例的激励信号发送端装置，利用MATLAB R2021a的WLAN工具箱中的函数wlanWaveformGenerator()生成802.11n数据包，配置如下：PSDU长度为4400字节，MCS值为0，信道编码（ChannelCoding）采用BCC，信道带宽（ChannelBandwidth）为CBW20，传输天线数量（NumTransmitAntennas）为1，时空流数量（NumSpaceTimeStreams）为1。
本实施例的各反向散射标签：反向散射标签采用分配的编码对待传输的数据进行编码，然后根据分配的码率和OOK调制方式对激励信号的PSDU字段进行调制。标签在传输数据之前发送一个已知的值为“10101010”的preamble字段，用于阈值计算。当要传输的码元为0时，激励信号相应的PSDU字段值被置为0；当要传输的码元为1时，则不对激励信号相应的PSDU字段值进行修改。每个反向散射标签调制后的信号在经过噪声信道（AWGN）后到达接收端。
本实施例的反向散射信号接收端装置：对来自多个反向散射标签的散射信号进行叠加，然后执行abs(y(801:end))操作，以获取反向散射标签调制后的802.11n信号的PSDU部分。随后，依据本发明的译码方法解码多标签的数据。
通过以下指标衡量本实施例译码系统的性能，包括：
第一个指标为误码率，它的计算公式如下：
；
当并发反向散射标签的数量为n时，，可以看出，较低的误码率意味着通信系统在传输数据时更可靠，性能更好。/>
第二个指标为吞吐量，它表示单位时间内成功传输的信息量，单位为千比特每秒（Kbps）。它的计算公式如下：
；
其中，R为码率，单位为chips/s，L为编码长度。当并发标签的数量为n时，吞吐量=标签1的吞吐量+标签2的吞吐量+……+标签n的吞吐量。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random Access Memory，RAM）等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码方法，其特征在于，用于对包含n个反向散射标签的并发Wi-Fi反向散射通信系统中的第i个反向散射标签的数据进行解码，n取值为大于等于2的整数，i取值为1到n的整数，包括：
步骤1，从接收的PSDU字段携带的多个反向散射标签的叠加数据中，计算第i个反向散射标签的单个码元持续时间内的采样点数量：
步骤2：从接收的PSDU字段携带的多个反向散射标签的叠加数据中，计算第i个反向散射标签传输数据的比特数目；
步骤3：通过步骤1计算得出的采样点数量分别计算得出第一中间变量和第二中间变量的值；
步骤4：利用步骤3得出的第一中间变量和第二中间变量计算每个比特持续时间内的同相分量和正交相分量的和值；
步骤5：将步骤4得到的和值进行归一化处理得到归一化和值；
步骤6：利用步骤5得到的归一化和值计算出阈值；
步骤7：将归一化和值中的每个值与步骤6得到的阈值进行比较，根据比较结果来评估确定第i个反向散射标签传输的数据值。
2.根据权利要求1所述的实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码方法，其特征在于，所述步骤1中，通过以下公式(1)计算第i个反向散射标签的单个码元持续时间内的采样点数量，公式(1)为：
(1)；
其中，表示第i个反向散射标签的码率,单位为chips/s；/>表示接收端的采样率，默认值是20MHz；
所述步骤2中，通过以下公式(2)计算第i个反向散射标签传输的比特数目，公式(2)为：
(2)；
其中，表示接收信号；函数/>为计算长度；/>为第i个反向散射标签的编码长度；/>为向下取整；
所述步骤3中，按以下公式(3)、(4)通过步骤1计算得出的采样点数量分别计算得出第一中间变量和第二中间变量的值/>，公式(3)、(4)分别为：
(3)；
(4)；
其中，的值等于/>；函数/>为生成矩形脉冲信号；为将第一中间变量/>中的元素循环左移/>位。
3.根据权利要求2所述的实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码方法，其特征在于，所述步骤4中，按以下方式计算每个比特持续时间内的同相分量和正交相分量/>的和值，包括：
步骤41：将比特第一序号的初始值设为1；
步骤42：按以下公式计算第个比特持续时间内同相分量/>的值：
；
其中，“”表示为对应元素执行点积运算；函数/>为求和；
步骤43：按以下公式计算第个比特持续时间内正交相分量/>的值：
；
步骤44：通过以下公式对步骤42和步骤43得到的第个比特持续时间内的同相分量/>和正交相分量/>均取绝对值后，进行累加得出第/>个比特持续时间内的和值/>：
；
其中，函数为取绝对值；
步骤45：将比特第一序号加1后赋值给比特第一序号/>；
步骤46：将赋值后比特第一序号的值与步骤2计算得出的比特数目/>的值比较，如果比特第一序号/>的值小于等于比特数目/>的值，则重复步骤42至步骤46，直到比特第一序号/>的值大于比特数目/>的值。
4.根据权利要求3所述的实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码方法，其特征在于，所述步骤5中，按以下公式将步骤4得到的和值进行归一化处理得到归一化和值，公式为：
；
其中，为步骤4得到的和值；/>为第i个反向散射标签的编码长度；/>为第i个反向散射标签的单个码元持续时间内的采样点数量；
所述步骤6中，通过以下公式利用步骤5得到的归一化和值计算出阈值，公式为：
；
其中，的默认值为10101010；/>的值为8。
5.根据权利要求4所述的实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码方法，其特征在于，所述步骤7中，按以下方式将归一化和值中的每个值与步骤6得到的阈值进行比较，根据比较结果来评估确定第i个反向散射标签传输的数据值，包括：
步骤71：将比特第二序号的初始值设置为1；
步骤72：将归一化和值中的第/>个和值/>的值与步骤6得到的阈值/>的值进行比较；如果第/>个和值/>的值大于阈值/>的值，则第i个反向散射标签传输的第/>个比特数据被评估确定为1，否则被评估确定为0；
步骤73：将比特第二序号加1后赋值给比特第二序号/>；
步骤74：将赋值后比特第二序号的值与步骤2计算得出的比特数目/>的值比较，如果比特第二序号/>的值小于等于比特数目/>的值，重复步骤72至步骤74，直到比特第二序号/>的值大于比特数目/>的值。
6.一种实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码系统，其特征在于，用于实现权利要求1至5任一项所述的方法，包括：
激励信号发送端装置、至少两个反向散射标签和反向散射信号接收端装置；其中，
所述激励信号发送端装置，能发射Wi-Fi信号作为激励信号；
各反向散射标签，均能采用分配的编码对待传输的数据进行编码，然后根据分配的码率和OOK调制方式对所述激励信号发送端装置发射的激励信号的PSDU字段进行调制，并通过调制后的激励信号与所述反向散射信号接收端装置通信连接；
所述反向散射信号接收端装置，能对来自多个反向散射标签的散射信号进行叠加，然后执行abs(y(801:end))操作来获取各反向散射标签调制后的802.11n信号的PSDU字段，通过阈值比较取值的方式对PSDU字段携带的多个反向散射标签的数据进行解码。
7.根据权利要求6所述的实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码系统，其特征在于，所述反向散射信号接收端装置按以下方式通过阈值比较取值的方式对多个反向散射标签的数据进行解码，包括：
步骤S1，所述反向散射信号接收端装置从接收的PSDU字段携带的多个反向散射标签的叠加数据中，计算第i个反向散射标签的单个码元持续时间内的采样点数量：
步骤S2：从接收的PSDU字段携带的多个反向散射标签的叠加数据中，计算第i个反向散射标签传输数据的比特数目；
步骤S3：通过步骤S1计算得出的采样点数量分别计算得出第一中间变量和第二中间变量的值；
步骤S4：利用步骤S3得出的第一中间变量和第二中间变量计算每个比特持续时间内的同相分量和正交相分量的和值；
步骤S5：将步骤S4得到的和值进行归一化处理得到归一化和值；
步骤S6：利用步骤S5得到的归一化和值计算出阈值；
步骤S7：将归一化和值中的每个值与步骤S6得到的阈值进行比较，根据比较结果来评估确定第i个反向散射标签传输的数据值。
8.根据权利要求7所述的实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码系统，其特征在于，
所述步骤S1中，所述反向散射信号接收端装置通过以下公式(1)计算第i个反向散射标签的单个码元持续时间内的采样点数量，公式(1)为：
(1)；
其中，表示第i个反向散射标签的码率,单位为chips/s；/>表示接收端的采样率，默认值是20MHz；
所述步骤S2中，所述反向散射信号接收端装置通过以下公式(2)计算第i个反向散射标签传输的比特数目，公式(2)为：
(2)；
其中，表示接收信号；函数/>为计算长度；/>为第i个反向散射标签的编码长度；/>为向下取整；
所述步骤S3中，按以下公式(3)、(4)通过步骤S1计算得出的采样点数量分别计算得出第一中间变量和第二中间变量的值/>，公式(3)、(4)分别为：
(3)；
(4)；
其中，的值等于/>；函数/>为生成矩形脉冲信号；为将第一中间变量/>中的元素循环左移/>位；
所述步骤S5中，按以下公式将步骤S4得到的和值进行归一化处理得到归一化和值，公式为：
；
其中，为步骤S4得到的和值；/>为第i个反向散射标签的编码长度；/>为第i个反向散射标签的单个码元持续时间内的采样点数量；
所述步骤S6中，通过以下公式利用步骤S5得到的归一化和值计算出阈值，公式为：
；
其中，的默认值为10101010；/>的值为8。
9.根据权利要求8所述的实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码系统，其特征在于，
所述步骤S4中，按以下方式计算每个比特持续时间内的同相分量和正交相分量/>的和值，包括：
步骤S41：将比特第一序号的初始值设为1；
步骤S42：按以下公式计算第个比特持续时间内同相分量/>的值：
；
其中，“”表示为对应元素执行点积运算；函数/>为求和；
步骤S43：按以下公式计算第个比特持续时间内正交相分量/>的值：
；
步骤S44：通过以下公式对步骤S42和步骤S43得到的第个比特持续时间内的同相分量/>和正交相分量/>均取绝对值后，进行累加得出第/>个比特持续时间内的和值/>：
；
其中，函数为取绝对值；
步骤S45：将比特第一序号加1后赋值给比特第一序号/>；
步骤S46：将赋值后比特第一序号的值与步骤S2计算得出的比特数目/>的值比较，如果比特第一序号/>的值小于等于比特数目/>的值，则重复步骤S42至步骤S46，直到比特第一序号/>的值大于比特数目/>的值。
10.根据权利要求7或8所述的实现并发Wi-Fi反向散射通信的译码系统，其特征在于，所述步骤S7中，按以下方式将归一化和值中的每个值与步骤S6得到的阈值进行比较，根据比较结果来评估确定第i个反向散射标签传输的数据值，包括：
步骤S71：将比特第二序号的初始值设置为1；
步骤S72：将归一化和值中的第个和值的值与步骤S6得到的阈值/>的值进行比较；如果第/>个和值/>的值大于阈值/>的值，则第i个反向散射标签传输的第/>个比特数据被评估确定为1，否则被评估确定为0；
步骤S73：将比特第二序号加1后赋值给比特第二序号/>；
步骤S74：将赋值后比特第二序号的值与步骤S2计算得出的比特数目/>的值比较，如果比特第二序号/>的值小于等于比特数目/>的值，重复步骤S72至步骤S74，直到比特第二序号/>的值大于比特数目/>的值。
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