一种环境反向散射系统及其信号传输方法技术方案

本发明专利技术提供一种环境反射通信系统的信号传输与检测方法，所述系统包括发射源射频信号的环境射频源、接收所述源射频信号并反射射频信号的标签以及接收所述源射频信号和射频信号的阅读器，所述标签连续发射加载于源射频信号的等概率的二进制符号，所述二进制符号对应所述标签是否反射射频信号；以及所述阅读器对接收信号基于最大似然检测法或联合能量检测法判断所述标签发射的二进制符号。本发明专利技术实施简单，性能较好，具有很强的实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种环境反向散射系统及其信号传输方法
本专利技术涉及通信
，更具体地，涉及环境反向反射系统及其信号传输方法。
技术介绍
物联网是新一代信息技术的重要组成部分,然而，物联网至今并没有被广泛的应用，其中限制物联网发展的关键瓶颈是这些附带电池的设备会被能量问题所约束，因此会产生有限的使用寿命，巨额的维护开销等问题。一种不依赖设备中所嵌入的能量源的解决方法是从环境中收集能量，比如光能，机械能，以及无处不在的电磁能。环境射频信号例如广播电视，手机和WIFI信号至今已经被广泛用于能量收集，回收的电磁波能量用来维持低功耗设备的运行。与此同时，环境射频信号也被用于无线信息能量同传系统(SWIPT)，在此系统中接收装置不仅收集能量并且还从相同的信号中解码出信息。事实上，这些利用电磁波能量的设备甚至不需要安装收发器，其可以利用自身的天线将信息加载到反向散射的信号中。最初众所周知的电磁能量的应用是射频识别技术(RFID)，此系统由一个阅读器(收发机)以及一个无源标签(反向散射标签)组成。阅读器会产生射频信号，此信号的一部分会被收集成为标签的能量源，剩下的信号会被反射回阅读器，并且其中会携带标签的信息。最近，一种叫做环境反向散射的通信机制正逐渐兴起，此种通信机制在反向散射通信的过程中利用了环境中的射频信号。与传统的RFID系统不同的是，环境反向散射系统有以下两点突破：(1)此系统利用了几乎无处不在的环境射频信号，但并不需要额外的专用的设备(例如RFID阅读器)来发送必要的信号。(2)此系统使得无源设备间可以进行通信，而不是局限于阅读器与标签间的通信。目前，大部分的研究工作主要集中于环境反向散射系统硬件电路的设计以及硬件原型的展示与评测，并没有对此系统进行基础的分析。同时，因为此系统不同于传统的通信系统，它采用了反向散射的通信方式，并且所利用的射频源并非传统的恒定信号而是来自于环境中的不确定的射频信号，因此，在对此系统进行信号检测时，传统的信号检测方法可能不再使用，所以建立能够准确传输信号的环境反向散射系统显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的环境反向散射系统及其信号传输方法。根据本专利技术的一个方面，提供一种环境反向散射系统的信号传输方法，所述系统包括发射源射频信号的射频源、接收所述源射频信号并反射射频信号的标签以及接收所述源射频信号和射频信号的阅读器，所述方法包括以下步骤：步骤1，所述标签以相同的概率连续发射对应于源射频信号的二进制符号，所述二进制符号对应所述标签是否反射射频信号；以及步骤2，所述阅读器对接收信号基于最大似然估计法或联合概率密度估计法判断所述标签发射的二进制符号。根据本专利技术的另一个方面，提供一种环境反向散射系统，所述系统包括发射源射频信号的射频源、接收所述源射频信号并反射射频信号的标签以及接收所述源射频信号和射频信号的阅读器，所述标签以相同的概率连续发射对应于源射频信号的二进制符号，所述二进制符号对应所述标签是否反射射频信号；所述阅读器对接收信号基于最大似然估计法或联合概率密度估计法判断所述标签发射的二进制符号。本申请提出一种环境反向散射系统及其信号传输方法，系统中的阅读器利用最大似然估计法或联合概率密度估计法判断标签发射的二进制符号，在不需要有关信道情况以及射频源信号信息的条件下，仅仅依靠信号矢量来进行信号检测，方案实施简单，性能较好，具有很强的实用性。附图说明图1为本专利技术的系统组成示意图；图2为包含二维码符号的数据包的结构示意图；图3为对于差分编码采用联合概率密度估计法的决策区域。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。在一个具体的实施例中，结合附图对本专利技术进行进一步的说明。图1给出了一种环境反向散射系统的组成示意图，所述环境反向散射系统包括：射频源，图中以RFsource示出，向环境发射源射频信号；标签，图中以Tag示出，接收所述源射频信号并向环境反射射频信号；以及阅读器，图中以Reader示出，接收所述源射频信号、所述射频信号以及环境中的噪声信号；其中，所述标签以相同的概率连续向环境发射二进制符号0或1，当发射0时，所述标签不反射射频信号，反之，则反射射频信号；其中，所述标签发射一个二进制符号对应于所述射频源发射的N个源射频信号为一个信号矢量，所述阅读器对信号矢量基于最大似然估计法或联合概率密度估计法判断所述标签发射的二进制符号。图1中hst、hsr、htr分别表示射频源到标签，射频源到阅读器以及标签到阅读器信道的信道参数，且信道为平坦块衰落模型，在本模型中所有的信道在信道相干时间内都是恒定的，但其在不同的相干时间段的变化是独立的。x[n]表示标签接收的信号，其表达式为：x[n]＝hsts[n]；其中，s[n]表示射频源发射的不确定的源射频信号，且其服从循环对称高斯分布其中Ps的值对于阅读器来说是未知的，同时s[n]的不同抽样值是独立同分布，标签发送的第k个二进制符号为dk∈{0，1}，并且dk为0和1的概率是相同的。本专利技术中的信道未知但是在一段时间内恒定不变，因此原始符号会在标签端被差分编码为其中bk表示为第k个二进制符号，参考b0＝1。由于受到能量限制，并且根据物联网的特性，标签的传输速率会远低于环境射频信号的奈奎斯特速率，假设在N个连续的s[n]内保持不变，则被标签反向散射的信号可以表示为：xb[n]＝αc[n]x[n]；其中，c[n]＝bk，n＝(k-1)N+1，…，kN，，α是与标签的天线增益和反射效率相关的比例常数。阅读器收到的第k个二进制符号bk的信号为：y[n]＝hsrs[n]+htrxb[n]+w[n]＝(hsr+ahsthtrbk)s[n]+w[n]，n＝(k-1)N+1，…，kN，；其中，是高斯加性白噪声；hsrs[n]是阅读器接收到的射频源信号。环境反向散射系统中的阅读器利用最大似然估计法或联合概率密度估计法判断标签发射的二进制符号，在不需要有关信道情况以及射频源信号信息的条件下，仅仅依靠信号矢量来进行信号检测，方案实施简单，性能较好，具有很强实用性。在本专利技术一个具体实施例中，所述标签发射的二进制符号分为对所述二进制符号进行差分编码处理的差分编码符号和对所述二进制符号进行非差分编码处理的非差分编码符号。在本专利技术一个具体实施例中，所述最大似然估计法包括以下步骤：步骤21、基于第k-1个和第k个信号矢量yk-1和yk分别获得信号能量Zk-1和ZK，计算信号能量的算法为Zk＝||yk||2；步骤22、基于所述步骤一获得的信号能量Zk-1和ZK，分别获得所述标签在发射二进制符号0和1的假设下，第k-1个和第k个信号矢量的条件概率密度函数f1和f2；以及步骤23、比较所述步骤22获得的条件概率密度函数f1和f2，若f1＞f2，则判断第k个信号矢量对应的二进制符号为0，反之，则为1。如图2给出了包含二进制符号的数据包结构图，结合图2，所述步骤二包括以下步骤：定义阅读器接收到的第k个二进制符号bk的信号矢量yk为：yk＝[y[(k-1)N+1]，…，y[kN]]T；则有：本实施例中信道的相干时间最少为2个bk的持续时间，定义r＝[yk-1，yk]T，则本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环境反射通信系统的信号传输与检测方法，所述系统包括发射源射频信号的环境射频源、接收所述源射频信号并反射射频信号的标签以及接收所述源射频信号和射频信号的阅读器，其特征在于,所述方法包括以下步骤：步骤1，所述标签连续发射加载于源射频信号的等概率的二进制符号，所述二进制符号对应所述标签是否反射射频信号；以及步骤2，所述阅读器对接收信号基于最大似然检测法或联合能量检测法判断所述标签发射的二进制符号。

【技术特征摘要】
1.一种环境反射通信系统的信号传输与检测方法，所述系统包括发射源射频信号的环境射频源、接收所述源射频信号并反射射频信号的标签以及接收所述源射频信号和射频信号的阅读器，其特征在于,所述方法包括以下步骤：步骤1，所述标签连续发射加载于源射频信号的等概率的二进制符号，所述二进制符号对应所述标签是否反射射频信号；以及步骤2，所述阅读器对接收信号基于最大似然检测法或联合能量检测法判断所述标签发射的二进制符号。2.如权利要求1所述的环境反射通信系统的信号传输与检测方法，其特征在于，所述标签发射的二进制符号分为对所述二进制符号进行差分编码处理的差分编码符号和对所述二进制符号进行非差分编码处理的非差分编码符号。3.如权利要求2所述的环境反射通信系统的信号传输与检测方法，所述标签发射一个二进制符号加载于所述环境射频源发射的N个源射频信号为一个信号矢量，所述阅读器对接收信号的信号矢量基于最大似然检测法或联合能量检测法判断所述标签发射的二进制符号。4.如权利要求3所述的环境反射通信系统的信号传输与检测方法，其特征在于，对于所述差分编码符号，所述最大似然检测法包括以下步骤：步骤2.1、基于第k-1个和第k个信号矢量yk-1和yk分别获得信号能量Zk-1和ZK；步骤2.2、基于所述步骤2.1获得的信号能量Zk-1和ZK，分别获得所述标签在发射二进制符号0和1的假设下，第k-1个和第k个信号矢量的条件概率密度函数f1和f2；以及步骤2.3、比较所述条件概率密度函数f1和f2，若f1＞f2，则判断第k个信号矢量对应的二进制符号为0，反之，则为1。5.如权利要求3所述的环境反射通信系统的信号传输与检测方法，其特征在于，对于所述差分编码符号，所述联合概率密度检测法包括以下步骤：步骤2.1、基于第k-1个和第k个信号矢量yk-1和yk分别获得信号能量Zk-1和ZK；步骤2.2、基于所述标签分别发送0和1对应的统计方差和获得能量检测的阈值Th；以及步骤2.3、比较所述步骤S2.2获得的阈值Th和所述步骤S21获得的信号能量Zk-1和Zk，若Zk-1≤Th并且Zk≤Th，或者Zk-1＞Th并且Zk＞Th，则判断第k个信...

【专利技术属性】
技术研发人员：高飞飞，钱婧，张煜，马哲，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11