CN118101401B

CN118101401B - 一种用于反向散射节点的下行通信方法

Info

Publication number: CN118101401B
Application number: CN202410486774.3A
Authority: CN
Inventors: 龚伟; 蒋懋然; 邓贤君; 王帅
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2024-04-23
Filing date: 2024-04-23
Publication date: 2024-06-25
Anticipated expiration: 2044-04-23
Also published as: CN118101401A

Abstract

本发明涉及反向散射技术领域，公开了一种用于反向散射节点的下行通信方法，包括：蓝牙依次发出多种频率的载波信号，标签节点根据载波信息将标签信息调制在载波信息对应的载波信号上；通过WiFi模块将所述载波信息发送给标签节点，具体包括：WiFi模块通过符合无线传输标准协议的WiFi信号，模拟出用于发送载波信息的下行链路的数据帧；通过RC滤波电路提取WiFi信号的包络，使用平滑窗口来过滤WiFi信号包络中的高频分量；根据量化阈值对WiFi信号包络进行量化，得到样本；标签节点通过得到的比特序列，得到载波信息。本发明能够通过边缘服务器向标签转发载波信息，使得标签能够利用多频蓝牙载波。

Description

一种用于反向散射节点的下行通信方法

技术领域

本发明涉及反向散射技术领域，具体涉及一种用于反向散射节点的下行通信方法。

背景技术

近年来物联网快速发展，大量的无线传感器被部署到家庭、工业、农业等场景中。但是，现有传感器中无线数据传输通常需要消耗较多能量，设备必须经常充电或更换电池。当大量传感节点被部署时，维护这些传感器的成本极高。反向散射技术有着超低功耗特性，可以较好解决这个问题。基于反向散射的无电池设计，传感器节点可以采集来自环境的能量并在环境载波信号上调制传输数据。

然而，现有的商用射频识别（RFID）反向散射系统中，阅读器成本较高，影响了部署推广。因此，研究人员一直在探索基于商用无线电（例如WiFi、蓝牙、Zigbee等）的反向散射方法，旨在将反向散射转化为通用通信技术。为了实现标签节点与蓝牙、WiFi（WirelessFidelity）等商用无线电的兼容性，实现一条外部设备到标签节点的信息链路对于协调节点是至关重要的。HitchHike（2016年发表在SenSys）和FreeRider（2017年发表在CoNEXT）为了实现给标签节点传送信息，引入了基于包长度调制（packet length modulation, PLM）的下行链路。现有系统已经在探索反向散射下行链路通信方面取得了一些进展，然而，当前的反向散射系统仍然存在下行链路效率低下限制。

包长度调制用不同的包长度表示比特‘0’和比特‘1’，但其传输效率较低。例如使用蓝牙广播包来编码：最短的空包的时长为80 us，最长包的时长为376 us，因此包长度调制的单符号的平均时间为(80+376)/2=228 us。在蓝牙反向散射系统中，蓝牙载波信号的频率不断切换，标签节点需要知道载波信息，才能够进行利用这些载波信号传输标签信息。使用包长度调制转发载波信息时，会因为低速率、高时延而无法满足反向散射节点的传输需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于反向散射节点的下行通信方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于反向散射节点的下行通信方法，蓝牙依次发出多种频率的载波信号，标签节点根据载波信息将标签信息调制在载波信息对应的载波信号上，实现标签信息的传输；其特征在于，通过WiFi模块将所述载波信息发送给标签节点，具体包括：

A，WiFi模块通过符合无线传输标准协议的WiFi信号，模拟出用于发送载波信息的下行链路的数据帧，具体包括：WiFi信号以OFDM符号为单位进行传输，每个OFDM符号由N个样本构成；如果OFDM符号调制的数据是非恒0或非恒1，那么所述OFDM符号对应的各个样本的能量相同，进而导致所述OFDM符号各样本的信号强度为1，则所述OFDM符号称为拥有随机内容的OFDM符号；如果OFDM符号调制的数据是恒0或恒1，那么所述OFDM符号的能量集中在第一个样本，其他样本的能量为0，进而导致所述OFDM符号90%以上的样本的信号强度为0，则所述OFDM符号称为拥有恒定内容的OFDM符号；将S个拥有恒定内容的OFDM符号构成一个低幅度码字C，用于对比特‘0’进行编码；将S个拥有随机内容的OFDM符号构成一个高幅度码字R，用于对比特‘1’进行编码；低幅度码字和高幅度码字统称为码字，通过码字构建下行链路的数据帧；所述下行链路的数据帧包括前导码、长度、负载和校验码；其中，前导码由多个低幅度码字和多个高幅度码字交替构成；长度表示码字的个数；负载用于存储载波信息；校验码用于检查下行链路的数据帧的正确性；

B，标签节点通过RC滤波电路提取WiFi信号的包络，使用平滑窗口来过滤WiFi信号包络中的高频分量，得到平滑后的WiFi信号包络；

C，根据前导码设置动态的量化阈值，标签节点根据量化阈值对WiFi信号包络进行量化，得到WiFi信号的样本；

D，由于每个OFDM符号由N个量化得到的样本构成，则每个码字对应个样本；将前导码之后的样本中的每S×N个样本分配至一个码字；计算一个码字所对应的样本的值的总和Dsum，如果Dsum大于/>，则将该码字解码为比特‘1’；如果Dsum小于或者等于/>，则将该码字解码为比特‘0’；标签节点通过得到的比特序列，得到载波信息。

进一步地，所述载波信息包括载波长度、载波间隔、载波信道、接入地址、载波序列和载波跳频步长。

进一步地，所述符合无线传输标准协议的WiFi信号为符合802.11g协议的WiFi信号；每个OFDM符号由20个样本构成，即N=20。

进一步地，所述前导码由四个低幅度码字和四个高幅度码字交替构成；所述根据前导码设置动态的量化阈值，具体包括：每个OFDM符号持续4微秒；S=2，则每个码字持续8微秒；通过16微秒的阈值窗口框选一个低幅度码字和一个高幅度码字；将一个低幅度码字和一个高幅度码字对应的样本的信号强度的平均值，作为量化阈值。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

本发明可应用于多频蓝牙载波下的反向散射。本发明构建的边缘服务器基于商用设备，其遵循蓝牙协议发送动态跳频的蓝牙数据包。为了让反向散射标签节点利用这些多频的蓝牙载波，边缘服务器发送基于WiFi的ASK下行数据包，向标签转发载波信息，使得标签能够利用多频蓝牙载波。相比传统蓝牙反向散射节点只能利用单一频率载波导致节点发射间隔达到数百毫秒，本发明使得节点可利用更小时间间隔的多频载波，支撑节点发射间隔达到10ms内，实现更高速率。同时，由于高速低时延的下行链路的支持，标签节点未来将朝着充分利用环境中丰富多变的无线信号的目标前进。

附图说明

图1为本发明所采用的系统框架示意图；

图2为本发明下行链路数据帧的格式示意图；

图3a、图3b、图3c分别为本发明下行链路解码过程中的原始信号、平滑后信号、量化后信号的示意图；

图4a、图4b、图4c、图4d分别为本发明下行链路的不同符号编码方案的示意图；

图5为不同平滑窗口大小设置下的比特错误率对比图；

图6为边缘服务器到标签节点的多种距离、多种采样率下的比特错误率对比图；

图7为不同编码方案下的比特错误率对比图；

图8为不同边缘服务器到标签节点距离下的比特错误率对比图；

图9为不同边缘服务器到标签节点距离下的吞吐量对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。

本发明中的用于反向散射节点的下行通信方法，所采用的系统如图1所示。为了减轻标签节点的计算负担，本发明采用基于商用设备的边缘服务器来发送数据。图1体现了本系统框架。标签节点可以通过WiFi-ASK下行链路高效地接收数据，本发明利用边缘服务器帮助标签节点实现双向通信。

蓝牙反向散射系统中，标签节点将包含标签信息的数据包放在不同信道上，传输给接收机，因此，标签节点需要知道载波信息，下行链路应支持在数据包间隔期间向标签节点传送载波信息。本发明设计了一种高效频移键控（Amplitude Shift Keying，ASK）下行链路，实现符号级别的调制。本发明通过控制WiFi设备发送数据包来构建类似ASK的WiFi信号。标签节点采用包络检测器来提取解调信号，实现高吞吐量下行链路有效地解码数据。

1.反向散射系统

蓝牙载波信号的频率是多变的，因此标签节点应进行蓝牙载波识别和频率同步。为了实现载波同步，需要载波信息。因此，需要有效的下行链路设计来在标签节点传输数据之前获得蓝牙载波信息。对于蓝牙周期性广播的载波，最小跳频间隔为7.5 ms。载波信息包括载波长度(长度为2字节)、载波间隔(长度为2字节)、载波信道(长度为5字节)、接入地址(长度为4字节)、载波序列(长度为2字节)和载波跳频步长(长度为1字节)等信息，故下行链路吞吐量应大于17 kbps。

由于反向散射标签节点不能直接解码调频信号，现有反向散射系统的下行链路通常基于包络特征设计。传统的下行链路ASK信号生成方法采用分组长度调制，效率较低。本发明提出了更高效的下行链路，并且下行链路的信号发送基于WiFi设备，能够在一定程度上降低成本。

2.下行链路中WiFi信号的发送

在WiFi通信中，正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术被广泛应用，它将数据流分为多个子载波进行传输。每个子载波以不同的频率传输数据，并且由于子载波之间的正交性，它们可以在同一频段上同时传输而不相互干扰，从而实现了高效的频谱利用。OFDM符号是在这些子载波上传输信息的基本单位。每个OFDM符号包含了一组正交的子载波，每个子载波上都携带了独立的信息。这些子载波在频域上是正交的，意味着它们的频谱是相互独立的，不会相互干扰。OFDM符号是在时域上表示的信息单元，它包含了在多个子载波上同时传输的数据。每个OFDM符号都会持续一定的时间，并且在这个时间内，所有的子载波都在同时传输数据。

OFDM符号由多个时域的样本组成。每个OFDM符号的样本数量取决于系统的参数，特别是快速傅里叶变换（FFT）的大小。快速傅里叶变换的大小决定了OFDM符号中的子载波数量，而每个子载波都会贡献一个样本到OFDM符号中。

在WiFi中，OFDM符号的生成通常涉及将比特流经过一系列的处理步骤，包括调制、串并转换、IFFT（逆快速傅里叶变换）等。其中调制过程将比特流映射到相应的星座图上，形成复数符号。然后，这些复数符号被分配到不同的子载波上，并通过IFFT变换到时域，生成多个由时域的样本组成的OFDM符号，以电磁波方式发送。

总之，子载波是OFDM系统中的基本频率单元，而OFDM符号则是在时域上表示的信息单元，由一组正交的子载波组成。它们共同实现了OFDM技术的高效频谱利用和并行传输能力。

本发明使用符合802.11g协议的WiFi数据包模拟出调幅信号，来控制发送内容。可以将802.11g中的OFDM符号按照调制数据内容分为随机内容（非恒0或非恒1）和恒定内容（恒0或恒1）两类。对于调制数据为随机内容的OFDM符号，OFDM符号对应的各个时域样本拥有相同的能量，因此波的能量均匀分布在时域上。而对于调制数据为恒定内容的OFDM符号，OFDM符号的能量集中在第一个时域样本，其他时域样本能量强度为0，因此该OFDM符号对应的波主体能量为0。要注意，在WiFi中，OFDM符号数据要经过加扰操作、编码操作、交织操作才变化成调制数据。为了生成调制数据为恒定内容的OFDM符号，需要控制OFDM符号数据，使得经历各种操作后变成恒定内容。基于WiFi协议内容，如果编码操作的输入是恒定的，那么编码操作的输出也是恒定的，可以保证加扰后的数据位是恒定的，即可生成拥有恒定内容的OFDM符号。

加扰操作是WiFi数据和加扰序列之间的异或运算，加扰序列是使用加扰种子生成的。当知道这个种子时，可以将数据位设置为特定值，使数据位在加扰后保持不变。加扰种子在不同设备中生成方式不同。本发明使用USRP N210分析不同WiFi设备的加扰种子，并观察到部分设备加扰种子不变，例如德州仪器的CC3200WiFi模块。通过控制OFDM符号的内容为随机内容或恒定内容，可以得到不同幅度的WiFi信号。本发明在下行链路中使用两种码字编码比特0和1，低幅度码字C由S个拥有恒定内容的OFDM符号构成，高幅度码字R由S个拥有随机内容的OFDM符号构成；其中S为大于或者等于1的整数。基于CC3200WiFi模块搭建边缘服务器，给标签节点发送WiFi数据包。通过WiFi数据包构造出的下行链路的数据帧的格式图2所示。其中前导码字段由四个低幅度码字和四个高幅度码字交替构成，用于标签节点识别WiFi数据包。长度字段表示码字个数，负载字段用于存储载波信息，校验码用于检查传输的正确性。

3.下行链路中WiFi信号的解码

本发明采用现有技术中的RC滤波电路（即所述的包络检测器）来提取下行链路中WiFi信号的包络，即WiFi信号的能量强度，包络特征的分辨率与RC滤波电路中的电阻和电容器的充放电速度有关。为了提取准确的包络，主要参数τ需要满足：，其中/>是载波频率，等于2.4 GHz，/>是基带频率，等于250 kHz。图3a显示了RC滤波电路的示例输出。本发明使用模数转换器对下行链路中WiFi信号进行采样。在802.11g中，每个OFDM符号需要4微秒，每个OFDM符号有20个样本，采样率为5 Msps（兆采样点每秒），这足以解码振幅信息。

模数转换器对RC滤波电路的输出进行采样并保留高质量的包络，如图3a所示。由于本发明使用的是WiFi无线电而不是专用设备，OFDM符号对应的子载波包络有明显的幅度抖动，高分辨率的拥有随机内容的OFDM符号和拥有恒定内容的OFDM符号并不适合标签节点直接解调。需要使用平滑窗口来过滤WiFi信号中的高频分量。图3b为平滑后的WiFi信号包络。

下行链路中的数据以两个幅度编码。本发明将幅度量化为二进制形式，然后决定每个下行链路符号窗口中的调制数据。调幅容易受到距离的影响，而幅度与RC滤波电路中的信号功率有关。如果阈值是固定的，则整个下行链路中WiFi信号的振幅可能大于或小于阈值。阈值应该是自适应的，因此本发明采用动态阈值。可以根据已知的比特序列，如蓝牙和WiFi中的前导码（Preamble），进行阈值控制和符号同步。

如图3a所示，本实施例使用低幅度码字C（由两个拥有恒定内容的OFDM符号组成）对比特‘0’进行编码，使用高幅度码字R（由两个拥有随机内容的OFDM符号组成）对比特‘1’进行编码。由于每个OFDM符号需要4微秒，因此每个下行链路码字持续8微秒。前导码被定义为一个八位比特序列：01010101。由于WiFi信号的开头为控制字段，不可修改，因此下行链路的前导码字段从WiFi信号的中间部分开始。本发明使用一个16微秒的窗口，称为阈值窗口，来计算前导码中前两个下行链路码字的平均值。由于阈值窗口包含两个拥有随机内容的OFDM符号和两个拥有恒定内容的OFDM符号，因此可以将平均值作为阈值来量化剩余OFDM符号。

量化结果见图3c。在前导码之后，将每40个样本（对应两个OFDM符号；每个OFDM符号持续4微秒，采样率5 Msps，每个OFDM符号具有20个样本）分组为一个下行链路中的码字。然后计算一个码字内这些样本的值的总和DSum。由于起点可能会稍微偏离真实位置，因此一个码字内可能同时存在0和1。如果一个码字对应的DSum<20，则解码为比特0，如果DSum>20，则解码为比特1；标签节点通过得到的比特序列，得到载波信息。并且在解调过程中，如果没有检测到前导码，解调将终止。并且本发明还在下行链路的数据帧的末尾添加了一个校验码字段用来确认传输过程中没有错误。

在上面，每个下行链路码字由两个OFDM符号组成，即编码方案S=2，见图4b。还可以采用冗余编码来提高通信质量，或者采用单个OFDM符号组成码字，例如，除了每个下行链路码字设置成2个OFDM符号外，图4a、图4c、图4d还分别显示了另外三种不同的编码方案：S=1、S=4和S=8，对应于4微秒、16微秒、32微秒的码字长度。边缘服务器可以控制标签节点适应不同的编码率。

实施例

平滑窗口大小：RC滤波电路提取的WiFi信号包含高频分量，影响解码性能，因此本发明采用平滑窗口来平滑包络。平滑窗口大小会影响解码性能，因此，本发明在采样率为5Msps、编码方案S=2的条件下评估不同平滑窗口大小下的下行链路比特错误率（Bit ErrorRate，BER）。如图5所示，平滑窗口大小设置为0.4微秒至8微秒。在0.4微秒和8微秒时，下行比特错误率大于10%，这是不可接受的。当平滑窗口大小太小时，高频信号就会残留，当尺寸较大时，调幅信息可能会被滤除。当平滑窗口大小取1微秒、1.6微秒、2微秒、4微秒时，下行比特错误率均在1%左右。在本发明其余实验中，将平滑窗口大小设置为1.6微秒。

采样率：模数转换器采样率决定提取的WiFi信号的分辨率。本发明评估了边缘服务器到标签节点的不同距离（记为DT）下、采样率从2 Msps至20 Msps的比特错误率，其中下行链路的编码方案S=2。图6显示比特错误率随着距离增加而增加，其中采样率为2 Msps表现最差，DT=10厘米时比特错误率达到3%。较低的采样率会导致每个OFDM符号中的样本量较少，易受到干扰。在DT=40厘米时，比特错误率达到10%左右，几乎是其他采样率的100倍。5Msps、10 Msps 和20 Msps的采样率表现更好，它们在DT=30厘米内的平均比特错误率低于1%。当采样率从2 Msps增加到5 Msps时，比特错误率降低了约10倍。20 Msps的采样率在所有距离情况下表现最佳，在DT=10厘米处，比特错误率可以低至0.4%，但高采样率会消耗更多的资源和功耗，而采样率为2 Msps表现较差。因此，5 Msps是一个合适的选择。

编码方案：在图7中，可以观察到随着编码方案S从1增加到2，比特错误率可以大大降低。当S=1时，下行链路几乎无法工作。当S=2时，不同距离下的比特错误率在1%左右。与S=2相比，S=8并没有太大改善。图7表明，将S从1增加到2可以带来较大提升。

端到端性能：测量本发明的比特错误率和吞吐量，并将其与包长度调制方案进行比较。将采样率设置为5 Msps，编码方案S设置为2。将边缘服务器到标签节点的距离DT设置为5厘米，并沿直线移动边缘服务器。

从图8中可以观察到比特错误率随着距离的增加而增加。距离在30厘米内时，下行链路的比特错误率低于1%。当距离大于45厘米时，无法正常接收数据包。包长度调制方案的比特错误率有更大的抖动，原因是当包长度调制方案的数据接收过程中存在丢失或错误增加时，由于数据位的顺序被破坏，剩余的部分也会被错误地解码。

图9显示，DT在40厘米内时，吞吐量约为125 kbps，而包长调制（PLM）仅达到4kbps，因为每个包长调制符号大约需要240微秒，本发明中WiFi-ASK符号（即码字）的长度为8微秒。因此，本发明的吞吐量比包长调制高25倍。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种用于反向散射节点的下行通信方法，蓝牙依次发出多种频率的载波信号，标签节点根据载波信息将标签信息调制在载波信息对应的载波信号上，实现标签信息的传输；其特征在于，通过WiFi模块将所述载波信息发送给标签节点，具体包括：

A，WiFi模块通过符合无线传输标准协议的WiFi信号，模拟出用于发送载波信息的下行链路的数据帧，具体包括：WiFi信号以OFDM符号为单位进行传输，每个OFDM符号由N个样本构成；如果OFDM符号调制的数据是非恒0或非恒1，那么所述OFDM符号对应的各个样本的能量相同，则所述OFDM符号称为拥有随机内容的OFDM符号；如果OFDM符号调制的数据是恒0或恒1，那么所述OFDM符号的能量集中在第一个样本，则所述OFDM符号称为拥有恒定内容的OFDM符号；将S个拥有恒定内容的OFDM符号构成一个低幅度码字C，用于对比特‘0’进行编码；将S个拥有随机内容的OFDM符号构成一个高幅度码字R，用于对比特‘1’进行编码；低幅度码字和高幅度码字统称为码字，通过码字构建下行链路的数据帧；所述下行链路的数据帧包括前导码、长度、负载和校验码；其中，前导码由多个低幅度码字和多个高幅度码字交替构成；长度表示码字的个数；负载用于存储载波信息；校验码用于检查下行链路的数据帧的正确性；

D，每个码字对应个样本；将前导码之后的样本中的每/>个样本分配至一个码字；计算一个码字所对应的样本的值的总和Dsum，如果Dsum大于/>，则将该码字解码为比特‘1’；如果Dsum小于或者等于/>，则将该码字解码为比特‘0’；标签节点通过得到的比特序列，得到载波信息。

2.根据权利要求1所述的用于反向散射节点的下行通信方法，其特征在于，所述载波信息包括载波长度、载波间隔、载波信道、接入地址、载波序列和载波跳频步长。

3.根据权利要求1所述的用于反向散射节点的下行通信方法，其特征在于，所述符合无线传输标准协议的WiFi信号为符合802.11g协议的WiFi信号；每个OFDM符号由20个样本构成，即N=20。

4.根据权利要求1所述的用于反向散射节点的下行通信方法，其特征在于，所述前导码由四个低幅度码字和四个高幅度码字交替构成；所述根据前导码设置动态的量化阈值，具体包括：每个OFDM符号持续4微秒；S=2，则每个码字持续8微秒；通过16微秒的阈值窗口框选一个低幅度码字和一个高幅度码字；将一个低幅度码字和一个高幅度码字对应的样本的信号强度的平均值，作为量化阈值。