WO2024087608A1 - 一种多载波背向散射通信方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多载波背向散射通信方法、装置及系统,属于无线通信领域,包括:基站发射激励信号;背向散射标签利用可选的反射系数来拟合多载波调制的基带信号,切换阻抗网络对基站发射的激励信号进行散射,生成多载波调制的背向散射信号;接收机接收背向散射信号并解调。本发明中背向散射标签能够发送多载波信号,能够有效对抗频率选择性衰落,大大提高了通信速率。
Description
本发明属于无线通信领域,更具体地,涉及一种多载波背向散射通信方法、装置及系统。
近年来,背向散射通信在无源物联网领域得到了广泛的关注和研究。背向散射通信利用环境中的射频信号作为激励,在对其进行散射时施加调制以传递自身信息。由于不需要高频晶振、混频器和放大器等高功耗器件,背向散射通信引起超低功耗的优势,被视作无源物联网的关键技术之一。
为了降低部署开销,背向散射技术需要兼容现有无线电设备。现有部分背向散射方案利用码字转换的方法,将环境中射频信号传输的码字转换成其他的合法码字,因此背向散射信号仍能够被商用设备接收。但是这种方法需要额外的接收设备来同时接收和解调激励信号。另外部分背向散射方案利用单一频率载波作为激励信号,在背向散射标签上生成基带信号并调制到载波上。然而上述方案只能兼容Wi-Fi 802.11b和LoRa等协议,由于调制能力受限,难以扩展到高阶调制和多载波调制。
【发明内容】
针对现有技术的缺陷,本发明提供了一种多载波背向散射通信方法、装置及系统,其目的在于解决现有技术由于调制能力受限而导致的难以兼容支持多载波通信的无线电设备的技术问题。
为实现上述目的,第一方面,本发明提供了一种多载波背向散射通信方法,所述方法应用于背向散射标签,包括以下步骤:
S1.对原始数据进行信号处理得到方差为1的归一化序列;
S2.利用反射系数实测值来拟合信号处理后的归一化序列;
S3.根据信号拟合所得反射系数序列控制阻抗网络切换;
S4.通过阻抗网络所连接的天线对基站发送的激励信号进行散射,生成多载波背向散射信号。
进一步优选地,所述对原始数据的信号处理,包括以下步骤:
对原始数据进行星座映射,将映射结果分配到多载波符号对应的子载波上,接着补充取值为0的子载波,以增加子载波的总数量,根据子载波的取值进行多载波调制;
对多载波调制所得信号序列中的每个采样值,除以统计所得的序列标准差,得到方差为1的归一化序列。
进一步优选地,所述信号拟合,包括以下步骤:
对背向散射标签的阻抗网络的反射系数实测值施加相位偏移、幅值缩放、统一的幅值偏移,使得处理后所得的反射系数处理值逼近反射系数设计值;
对于归一化序列中的每个采样值,在所有反射系数处理值中选择与单个采样值差距最小的反射系数处理值。对所有归一化序列中的采样值重复上述步骤,将每个采样值对应的反射系数处理值,按采样值的顺序排列,可以得到反射系数处理值序列。
进一步优选地,所述阻抗网络切换,通过射频开关切换不同的阻抗状态实现,阻抗网络包括功分器/合路器和两个单刀四掷(SP4T)射频开关。每个射频开关的四路端口均与不同的负载阻抗相连,对应不同的阻抗状态;
每个射频开关可以提供S种阻抗状态,而功分器/合路器将两个射频开关的阻抗状态进行组合,因此所述阻抗网络可以提供S2种阻抗状态。每种阻抗状态对应1个反射系数,所述阻抗网络可以提供S2个反射系数。
进一步优选地,所述阻抗网络切换,根据信号拟合所得反射系数处理值序列,按顺序取单个反射系数处理值,确定对应的反射系数实测值,控制阻抗网络中两个射频开关切换到对应的阻抗状态。
第二方面,本发明提供了一种多载波背向散射通信装置,包括信号处理模块、决策判断模块和散射射频模块;
所述信号处理模块,用于对原始数据进行信号处理得到方差为1的归一化序列,利用反射系数实测值来拟合信号处理后的归一化序列;
所述决策判断模块,用于根据信号拟合所得反射系数序列控制阻抗网络切换;
所述散射射频模块,用于通过阻抗网络所连接的天线对基站发送的激励信号进行散射,生成多载波背向散射信号。
进一步优选地,信号处理模块对原始数据进行星座映射,将映射结果分配到对应的子载波上,并补充取值为0的子载波,根据子载波的取值进行多载波调制;对多载波调制所得信号序列中的每个采样值,除以统计所得的序列标准差,得到方差为1的归一化序列;对背向散射标签的阻抗网络的反射系数实测值施加相位偏移、幅值缩放、幅值偏移,使得处理后所得的反射系数处理值逼近反射系数设计值;对于归一化序列中的每个采样值,在所有反射系数处理值中选择与单个采样值差距最小的反射系数处理值,将每个采样值对应的反射系数处理值,按采样值的顺序排列,得到反射系数处理值序列。
进一步优选地,阻抗网络包括功分器/合路器和两个单刀四掷射频开关,每个单刀四掷射频开关的四路端口均与不同的负载阻抗相连,对应不同的阻抗状态;
每个射频开关提供S种阻抗状态,功分器/合路器将两个射频开关的阻抗状态进行组合,所述阻抗网络提供S2种阻抗状态,每种阻抗状态对应1个反射系数,所述阻抗网络提供S2个反射系数。
第三方面,本发明提供了一种多载波背向散射通信系统,包括本发明第二方面所提供的背向散射通信装置、发送激励信号的基站以及具有多载波解调能力的接收机。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,具有以下有益效果:
1、本发明提出了一种多载波背向散射通信方法,在背向散射标签上实现了多载波调制,大大提升了链路容量,同时提高了对抗频率选择性衰落的能力;
2、背向散射标签所散射的背向散射信号为多载波信号,能够直接被已有的商用设备所接收,不需要再额外部署专用设备作为接收机,降低了背向散射系统的部署开销。
图1为本发明实施例所提供的一种多载波背向散射通信方法流程图;
图2为本发明实施例所提供的背向散射标签的工作流程图;
图3为本发明实施例所提供的阻抗网络的结构图;
图4为本发明实施例所提供的背向散射通信装置的结构框图;
图5为采用本发明所提供的背向散射通信方法在不同的工作频率下对应的频谱图;
图6为采用本发明所提供的背向散射通信方法在不同的通信距离下对应的误码率。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种多载波背向散射通信方法,所述方法应用于背向散射标签,包括以下步骤:
S1.对原始数据进行信号处理得到方差为1的归一化序列;
S2.利用反射系数实测值来拟合信号处理后的归一化序列;
S3.根据信号拟合所得反射系数序列控制阻抗网络切换;
S4.通过阻抗网络所连接的天线对基站发送的激励信号进行散射,生成多载波背向散射信号。
实施例
本发明实施例提供了一种多载波背向散射通信方法,如图1所示,该方法应用于背向散射标签,包括以下步骤:
背向散射标签(工作流程如图2所示):
背向散射标签对原始数据进行信号处理;
具体地,信号处理的步骤为:
(1)对原始数据进行正交相移编码(Binary Phase Shift Keying,BPSK)星座映射,将映射结果分配到多载波符号对应的Nd个子载波上,接着在子载波序列后补充N0个取值为0的子载波,将子载波的总数量增加为Nd+N0个,根据子载波的取值进行离散傅里叶逆变换(Inverse Discrete Fourier Transform,IDFT),实现正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)调制;
(2)对OFDM调制所得信号序列中的每个采样值,乘以得到归一化序列,其中N=Nd+N0为子载波的总数量,Nd为携带数据的子载波的数量。
利用可选的反射系数来拟合信号处理的结果;
具体地,信号拟合地步骤为:
(1)对背向散射标签的阻抗网络的反射系数实测值施加相位偏移、幅值缩放、统一的幅值偏移,使得处理后所得的反射系数处理值逼近反射系数设计值;
(2)对于归一化序列中的每个采样值,在所有反射系数处理值中选择
与单个采样值差距最小的反射系数处理值。对所有归一化序列中的采样值重复上述步骤,将每个采样值对应的反射系数处理值,按采样值的顺序排列,可以得到反射系数处理值序列。
根据信号拟合所得反射系数序列控制阻抗网络切换;
具体地,阻抗网络的结构由功分器/合路器和两个单刀四掷(SP4T)射频开关组成,如图3所示。天线端口与功分器/合路器的总端口相连,功分器/合路器的分端口则与射频开关相连,每个射频开关的四路端口均与不同的负载阻抗相连,对应不同的阻抗状态。考虑到射频开关不工作时也可以提供一种阻抗状态,因此每个射频开关可以提供最多5种阻抗状态,而功分器/合路器将两个射频开关的阻抗状态进行组合,因此所述阻抗网络可以提供25种阻抗状态。每种阻抗状态对应1个反射系数,所述阻抗网络可以提供25个反射系数。
具体地,阻抗网络切换为,根据信号拟合所得反射系数处理值序列,按顺序取单个反射系数处理值,确定对应的反射系数实测值,控制阻抗网络中两个射频开关切换到对应的阻抗状态。
对基站发送的激励信号进行背向散射处理,生成OFDM背向散射信号;
本发明还提供了一种多载波背向散射通信装置,包括信号处理模块、决策判断模块和散射射频模块,如图4所示;
信号处理模块,对原始数据进行信号处理,利用可选的反射系数来拟合信号处理的结果;
决策判断模块,根据信号处理的结果选择阻抗网络切换策略;
散射射频模块,根据阻抗网络的切换策略,对基站发送的激励信号进行背向散射处理,生成多载波背向散射信号。
本发明还提供了一种多载波背向散射通信系统,包括本发明第二方面所提供的背向散射通信装置、发送激励信号的基站以及具有多载波解调能力的接收机。
实验一:阻抗网络切换频率实验;基站发射频率为2.4GHz的正弦波作为激励信号,发射功率为20dBm,采用的喇叭天线增益为9dBi。背向散射标签的天线增益为3dBi。在没有添加零值子载波时,背向散射标签的每个OFDM符号有64个子载波,其中52个子载波携带数据,设定阻抗网络切换的频率为20MHz,因此对应的带宽也为20MHz。循环前缀(Cyclic Prefix,CP)的长度为多载波符号长度的四分之一。因此,数据传输速率可以计算为20*52/64*4/5=13Mbps。分别将背向散射标签中零值子载波的数量设定为0、64、196,为了保持信号带宽仍为20MHz,阻抗网络切换的频率对应设定为20、40、80MHz,接收机采用增益为3dBi的天线接收背向散射信号并计算误码率。当基站与标签之间的距离为1m,标签与接收机之间的距离分别设定为2、3、4、5m时,背向散射信号对应的误码率如图5所示。可以看到,通过添加零值子载波,将切换频率提升至40MHz有利于降低误码率,但继续提升至80MHz对应的误码率变化则不明显。
实验二:通信距离实验;将背向散射标签中零值子载波的数量设定为64,阻抗网络切换的频率设定为40MHz,接收机接收OFDM背向散射信号并计算误码率。基站与标签之间的距离(d1)分别设定为1m和2m,改变标签与接收机之间的距离,其余参数配置和实验一相同。背向散射信号对应的误码率如图6所示。
综上所述,本发明提出了一种多载波背向散射通信方法、装置及系统,在背向散射标签上实现了多载波调制,大大提升了链路容量,并且提高了对抗频率选择性衰落的能力,同时可以采用商用接收机进行解调,降低了系统布置的开销。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
- 一种多载波背向散射通信方法,其特征在于,该方法应用于背向散射标签,包括以下步骤:S1.对原始数据进行信号处理得到方差为1的归一化序列;S2.利用反射系数实测值来拟合信号处理后的归一化序列;S3.根据信号拟合所得反射系数序列控制阻抗网络切换;S4.通过所述阻抗网络所连接的天线对基站发送的激励信号进行散射,生成多载波背向散射信号。
- 根据权利要求1所述的多载波背向散射通信方法,其特征在于,所述S1包括以下步骤:对原始数据进行星座映射,将映射结果分配到对应的子载波上,并补充取值为0的子载波,根据子载波的取值进行多载波调制;对多载波调制所得信号序列中的每个采样值,除以统计所得的序列标准差,得到方差为1的归一化序列。
- 根据权利要求1所述的多载波背向散射通信方法,其特征在于,所述S2包括以下步骤:对背向散射标签的阻抗网络的反射系数实测值施加相位偏移、幅值缩放、幅值偏移,使得处理后所得的反射系数处理值逼近反射系数设计值;对于归一化序列中的每个采样值,在所有反射系数处理值中选择与单个采样值差距最小的反射系数处理值,将每个采样值对应的反射系数处理值,按采样值的顺序排列,得到反射系数处理值序列。
- 根据权利要求1所述的多载波背向散射通信方法,其特征在于,所述S3中的阻抗网络切换,通过射频开关切换不同的阻抗状态实现。
- 根据权利要求4所述的多载波背向散射通信方法,其特征在于,所述阻抗网络包括两个射频开关,每个射频开关提供S种阻抗状态,所述阻 抗网络提供S2种阻抗状态;每种阻抗状态对应1个反射系数,所述阻抗网络提供S2个反射系数。
- 根据权利要求1所述的多载波背向散射通信方法,其特征在于,所述S3具体为,根据信号拟合所得反射系数处理值序列,按顺序取单个反射系数处理值,确定对应的反射系数实测值,控制阻抗网络中两个射频开关切换到对应的阻抗状态。
- 一种多载波背向散射通信装置,其特征在于,包括信号处理模块、决策判断模块和散射射频模块:所述信号处理模块,用于对原始数据进行信号处理得到方差为1的归一化序列,利用反射系数实测值来拟合信号处理后的归一化序列;所述决策判断模块,用于根据信号拟合所得反射系数序列控制阻抗网络切换;所述散射射频模块,用于通过阻抗网络所连接的天线对基站发送的激励信号进行散射,生成多载波背向散射信号。
- 根据权利要求7所述的多载波背向散射通信装置,其特征在于,所述信号处理模块对原始数据进行星座映射,将映射结果分配到对应的子载波上,并补充取值为0的子载波,根据子载波的取值进行多载波调制;对多载波调制所得信号序列中的每个采样值,除以统计所得的序列标准差,得到方差为1的归一化序列;对背向散射标签的阻抗网络的反射系数实测值施加相位偏移、幅值缩放、幅值偏移,使得处理后所得的反射系数处理值逼近反射系数设计值;对于归一化序列中的每个采样值,在所有反射系数处理值中选择与单个采样值差距最小的反射系数处理值,将每个采样值对应的反射系数处理值,按采样值的顺序排列,得到反射系数处理值序列。
- 根据权利要求7所述的多载波背向散射通信装置,其特征在于,所所阻抗网络包括功分器/合路器和两个单刀四掷射频开关,每个单刀四掷射频开关的四路端口均与不同的负载阻抗相连,对应不同的阻抗状态;每个射频开关提供S种阻抗状态,功分器/合路器将两个射频开关的阻抗状态进行组合,所述阻抗网络提供S2种阻抗状态,每种阻抗状态对应1个反射系数,所述阻抗网络提供S2个反射系数。
- 一种多载波背向散射通信系统,其特征在于,包括权利要求7-9任一项所述的背向散射通信装置、发送激励信号的基站以及具有多载波解调能力的接收机。
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