一种环境反向散射通信系统的资源分配方法技术方案

本发明专利技术公开了一种环境反向散射通信系统的资源分配方法，首先由多天线射频信号源发射导频信号；单天线接收机和反向散射设备接收导频信号并分别估计直接链路信道向量和前向信道向量；多天线射频信号源再次发射导频信号，反向散射设备收集能量并进行反向散射，单天线接收机估计反向散射设备的后向信道g；接下来单天线接收机将直接链路信道向量、前向信道向量和后向信道g反馈至多天线射频信号源；多天线射频信号源利用单天线接收机反馈的信息设计最优发送波束赋形预编码矩阵，用于发射数据信号；完成资源分配。本发明专利技术通过反向散射设备，为主传输系统提供附加多径，提高了主传输速率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种环境反向散射通信系统的资源分配方法


[0001]本专利技术属于通信
，具体涉及一种通信系统的资源分配方法。

技术介绍

[0002]物联网和5G是未来的无线网络的主要应用之一。由于物联网设备的数量呈现指数型增长，使得无线电频谱资源和能量需求增高。为了物联网未来的发展，需要开发新的频谱资源和使用能量高效的通信技术。
[0003]反向散射通信是解决物联网节能的一种方案。反向散射设备不仅可以通过环境中的载波发射器信号调制其信息，还可以收集环境中射频信号的能量，辅助其进行信息调制和功能运行。其中反向散射设备中不含有源射频组件，降低了物联网中的通信功率要求。射频识别就是一种典型的反向散射通信。环境反向散射通信(Ambient Backscatter Communication,AmBC)是目前最新提出的一种通信方式，可以利用环境中已有的射频激励源(蜂窝网，WiFi，TV)来传递信息。因此不需要专门的射频源来支持反向散射通信，从而使物联网通信更加节能。
[0004]AmBC系统模型研究主传输和反向散射设备(Backscatter Device,BD)传输的可达速率范围。AmBC系统目前主要研究BD传输与主传输的信号周期相同，在算法设计方面复杂度较高，BD是有源器件等。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种环境反向散射通信系统的资源分配方法，首先由多天线射频信号源发射导频信号；单天线接收机和反向散射设备接收导频信号并分别估计直接链路信道向量和前向信道向量；多天线射频信号源再次发射导频信号，反向散射设备收集能量并进行反向散射，单天线接收机估计反向散射设备的后向信道g；接下来单天线接收机将直接链路信道向量、前向信道向量和后向信道g反馈至多天线射频信号源；多天线射频信号源利用单天线接收机反馈的信息设计最优发送波束赋形预编码矩阵，用于发射数据信号；完成资源分配。本专利技术通过反向散射设备，为主传输系统提供附加多径，提高了主传输速率。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0007]一种环境反向散射通信系统的资源分配方法，所述环境反向散射通信系统包括一个多天线射频信号源、一个反向散射设备和单天线接收机；包括如下步骤：
[0008]步骤1：多天线射频信号源发射导频信号；
[0009]步骤2：单天线接收机接收导频信号并估计直接链路信道向量h1＝[h
1,1
,...,h
M,1
]T
∈C
M
×1，h
1,1
,...,h
M,1
表示多天线射频源的每根天线到单天线接收机的直接链路信道系数，M表示多天线射频源的天线总数，C表示复数域；反向散射设备接收导频信号，收集部分能量并估计前向信道向量h2＝[h
1,2
,...,h
M,2
]T
∈C
M
×1，h
1,2
,...,h
M,2
表示多天线射频源的每根天线到反向散射设备的前向信道系数，反向散射设备将前向信道向量反馈至单天线接收机；
[0010]步骤3：多天线射频信号源再次发射导频信号，反向散射设备收集能量并进行反向散射，单天线接收机估计反向散射设备的后向信道g；
[0011]步骤4：单天线接收机将直接链路信道向量h1、前向信道向量h2和后向信道g反馈至多天线射频信号源；
[0012]步骤5：多天线射频信号源利用步骤4单天线接收机反馈的信息设计最优发送波束赋形预编码矩阵，用于发射数据信号；
[0013]步骤6：反向散射设备接收数据信号，进行射频能量收集和反向散射；
[0014]步骤7：单天线接收机从接收到的信号中检测来自多天线射频信号源的数据信号，进行串行干扰消除，然后检测反向散射信号；
[0015]步骤8：单天线接收机进行解码反向散射信号，获得反向散射设备的信息。
[0016]优选地，所述步骤5中设计最优发送波束赋形预编码矩阵的方法包括以下步骤：
[0017]步骤5
‑
1：构建单天线接收机接收模型；
[0018]在N个主信号周期T
s
内，单天线接收机接收的信号y(n)为：
[0019][0020]式中：p为发射功率，H表示矩阵的共轭转置，w为多天线射频信号源发送信号波束赋形矢量，s(n)为多天线射频信号源发送的周期为T
s
的主信号，α为随反射系数，g为反向散射设备的后向信道系数，c为反向散射设备传输的信号，z(n)为高斯白噪声；
[0021]将式(1)中的第二个信号项视为主信号s(n)通过通道的输出，单天线接收机将反向散射设备信号视为多径分量解码主信号s(n)，用于解码s(n)的等效信道为：
[0022][0023]通过非相干检测来解码s(n)，如果N＞＞1，则非相干能达到的速率近似为相干能达到的速率，如式(2)所示：
[0024][0025]其中：为对给定c进行非相干检测能达到的速率，是通过给定c解码s(n)的SNR，服从非中心卡方χ2分布，自由度为2，σ2为方差；
[0026]因此，主信号平均主速率为：
[0027][0028]其中，表示对于给定c的统计期望；
[0029]主信号概率密度函数为：
[0030][0031]其中，λ为非中心性参数，高斯方差参数
I0(.)是一阶修正贝塞尔函数：
[0032][0033]其中，m为贝塞尔参数，Γ(.)为伽马函数；
[0034]非中心性参数λ为直接链路的SNR，而高斯方差相关参数2Σ为反向散射链路的SNR；因此令通过式(4)，式(3)中的平均主速率扩展如下：
[0035][0036]当SNR的趋于正无穷时，平均主速率能通过以下封闭形式获得：
[0037][0038]其中，e为自然指数，指数积分；
[0039]在解码s(n)之后，单天线接收机应用直接干扰消除技术来消除直接链路干扰；假设主信号分量被完全去除，得到中间信号为：
[0040][0041]其中，s＝[s(1),s(2),
…
,s(N)]T
为主信号矢量，z为加性高斯噪声矢量；
[0042]因为E[|s(n)|2]＝1，通过最大比合并MRC解码反向散射设备符号c的SNR近似为：
[0043][0044]由于在N个连续的主信号周期内仅发送了一个反向散射设备符号，因此主信号s(n)被看作是反向散射设备符号长度为N的扩频码；因此，用于解码反向散射设备符号的SNR增加了N倍，代价是符号率降低了(1/N)；反向散射设备能达到速率为：
[0045][0046]在环境反向散射通信系统中，反向散射需要收集环境中的射频信号进行能量收集，反向散射设备收集的能量为：
[0047]E＝η(1
‑
α)p||s(n)||2[0048]其中，η∈[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种环境反向散射通信系统的资源分配方法，其特征在于，所述环境反向散射通信系统包括一个多天线射频信号源、一个反向散射设备和单天线接收机；包括如下步骤：步骤1：多天线射频信号源发射导频信号；步骤2：单天线接收机接收导频信号并估计直接链路信道向量h1＝[h
1,1
,...,h
M,1
]
T
∈C
M
×1，h
1,1
,...,h
M,1
表示多天线射频源的每根天线到单天线接收机的直接链路信道系数，M表示多天线射频源的天线总数，C表示复数域；反向散射设备接收导频信号，收集部分能量并估计前向信道向量h2＝[h
1,2
,...,h
M,2
]
T
∈C
M
×1，h
1,2
,...,h
M,2
表示多天线射频源的每根天线到反向散射设备的前向信道系数，反向散射设备将前向信道向量反馈至单天线接收机；步骤3：多天线射频信号源再次发射导频信号，反向散射设备收集能量并进行反向散射，单天线接收机估计反向散射设备的后向信道g；步骤4：单天线接收机将直接链路信道向量h1、前向信道向量h2和后向信道g反馈至多天线射频信号源；步骤5：多天线射频信号源利用步骤4单天线接收机反馈的信息设计最优发送波束赋形预编码矩阵，用于发射数据信号；步骤6：反向散射设备接收数据信号，进行射频能量收集和反向散射；步骤7：单天线接收机从接收到的信号中检测来自多天线射频信号源的数据信号，进行串行干扰消除，然后检测反向散射信号；步骤8：单天线接收机进行解码反向散射信号，获得反向散射设备的信息。2.根据权利要求1所述的一种环境反向散射通信系统的资源分配方法，其特征在于，所述步骤5中设计最优发送波束赋形预编码矩阵的方法包括以下步骤：步骤5
‑
1：构建单天线接收机接收模型；在N个主信号周期T
s
内，单天线接收机接收的信号y(n)为：式中：p为发射功率，H表示矩阵的共轭转置，w为多天线射频信号源发送信号波束赋形矢量，s(n)为多天线射频信号源发送的周期为T
s
的主信号，α为随反射系数，g为反向散射设备的后向信道系数，c为反向散射设备传输的信号，z(n)为高斯白噪声；将式(1)中的第二个信号项视为主信号s(n)通过通道的输出，单天线接收机将反向散射设备信号视为多径分量解码主信号s(n)，用于解码s(n)的等效信道为：通过非相干检测来解码s(n)，如果N＞＞1，则非相干能达到的速率近似为相干能达到的速率，如式(2)所示：其中：为对给定c进行非相干检测能达到的速率，是通过给定c解码s(n)的SNR，服从非中心卡方χ2分布，自由度为2，σ2为方差；因此，主信号平均主速率为：
其中，表示对于给定c的统计期望；主信号概率密度函数为：其中，λ为非中心性参数，高斯方差参数I0(.)是一阶修正贝塞尔函数：其中，m为贝塞尔参数，Γ(.)为伽马函数；非中心性参数λ为直接链路的SNR，而高斯方差相关参数2Σ为反向散射链路的SNR；因此令通过式(4)，式(3)中的平均主速率扩展如下：当SNR的趋于正无穷时，平均主速率能通过以下封闭形式获得：其中，e为自然指数，指数积分；在解码s(n)之后，单天线接收机应用直接干扰消除技术来消除直接链路干扰；假设主信号分量被完全去除，得到中间信号为：其中，s＝[s(1)，s(2),
…
,s(N)]
T
为主信号矢量，z为加性高斯噪声矢量；因为E[|s(n)|2]＝1，通过最大比合并MRC解码反向散射设备符号c的SNR近似为：由于在N个连续的主信号周期内仅发送了一个反向散射设备符号，因此主信号s(n)被看作是反向散射设备符号长度为N的扩频码；因此，用于解码反向散射设备符号的SNR增加了N倍，代价是符号率降低了(1/N)；反向散射设备能达到速率为：在环境反向散射通信系统中，反向散射需要收集环境中的射频信号进行能量收集，反向散射设备收集的能量为：E＝η(1
‑
α)p||s(n)||2其中，η∈[0,1]表示能量收集效率；由于s(n)的平方包络遵循指数分布，其概率密度函数为f(x)＝e
‑
x
,x>0；因此，反向散射
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓暄，李勇，程伟，宋静怡，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：