高速OFDM子载波环境反向散射通信方法及系统技术方案

本发明专利技术公开的高速OFDM子载波环境反向散射通信方法及系统，属于无线通信领域。发射端标签基于从环境或者上位机中获取的信息进行编码。当环境中存在能够用于传输的OFDM信号时，发射端标签在对环境OFDM信号反射的过程中通过子载波移位键控改变该信号的子载波排列方式，并利用不同的子载波排列方式表示不同的标签信息，实现标签信息的传输。接收端采用具有双天线的接收机分别接收并解调原OFDM信号和反射OFDM信号中携带的信息。接收端对解调出的信息进行相关运算后查找相关结果的峰值位置。由于发射端标签将信息映射为不同的子载波排列方式，该峰值位置即表征标签信息。接收端对标签信息解调，实现高速OFDM子载波环境反向散射通信。本发明专利技术最小调制单元为OFDM子载波。本发明专利技术最小调制单元为OFDM子载波。本发明专利技术最小调制单元为OFDM子载波。

【技术实现步骤摘要】
高速OFDM子载波环境反向散射通信方法及系统


[0001]本专利技术涉及高速OFDM子载波环境反向散射通信方法及系统，属于无线通信领域。

技术介绍

[0002]环境反向散射通信系统包括射频信号源、标签和接收机三个部分。其中，射频信号源通常为Wi
‑
Fi节点、LTE基站等商用信号源，会产生信号与其他商用设备进行通信；标签为具有低功耗和低成本两大特性的硬件系统，通过调制并反射射频信号源产生的信号传输自己的信息；接收机则通过接收并解调来自标签反射的射频信号获取标签信息。由于这样的通信过程利用环境中已有的信号而不需要额外产生信号，环境反向散射通信系统具有低功耗、低成本和高频谱利用率三大优点。
[0003]这一通信过程利用的是来自商用信号源的环境射频信号，因此标签信息的调制方式需要基于商用信号的物理层调制方式进行针对性设计。由于正交频分复用(OFDM)传输体制被如Wi
‑
Fi、LTE、NB
‑
IoT等多种商用协议广泛采用，针对OFDM传输体制设计反向散射通信方法及系统被众多学者所关注，本专利技术也针对这方面进行了设计。传统的OFDM反向散射通信方法通过调制OFDM符号的相位进行信息的传输。采用这种方式，标签无法对OFDM符号不同子载波进行独立调制。因此，传统通信系统仅能实现符号级调制，具有传输速率较低的缺点，不适用于高速通信的场合。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的是提供高速OFDM子载波环境反向散射通信方法及系统方法及系统，利用环境OFDM信号频谱特征进行高速反向散射通信；发射端标签在反射环境OFDM信号的同时，通过子载波移位键控改变该信号的子载波排列方式，并利用不同的子载波排列方式表示不同的标签信息，实现标签信息的传输；接收端为具有双天线的接收机。该接收机采用相关解码，利用发射端标签建立的子载波排列方式与接收数据相关结果峰值位置的映射关系实现对发射端标签传输信息的解调，即实现高速OFDM子载波环境反向散射通信。本专利技术对于环境OFDM信号的最小调制单元为OFDM的子载波，所述子载波远小于传统OFDM反向散射通信系统的最小调制单元。因此，本专利技术相比传统通信系统具有高传输速率的优势，同时，还兼具通信系统结构简单、应用范围广、低功耗、低成本等优点。
[0005]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0006]本专利技术公开的高速OFDM子载波环境反向散射通信方法及系统，发射端标签基于从环境或者上位机中获取的信息进行编码。编码完成后，当环境中存在能够用于传输的OFDM信号时，发射端标签在对环境OFDM信号反射的过程中通过子载波移位键控改变该信号的子载波排列方式，并利用不同的子载波排列方式表示不同的标签信息，实现标签信息的传输。接收端采用具有双天线的接收机分别接收并解调原OFDM信号和反射OFDM信号中携带的信息。解调完成后，接收端对解调出的信息进行相关运算后查找相关结果的峰值位置。由于发射端标签将信息映射为不同的子载波排列方式，该峰值位置即表征标签信息。接收端由此
实现对标签信息的解调，即实现高速OFDM子载波环境反向散射通信。
[0007]本专利技术公开的高速OFDM子载波环境反向散射通信方法，包括如下步骤：
[0008]步骤一、发射端标签基于环境OFDM信号中的子载波数目编码待传输信息。
[0009]步骤1.1、发射端标签从环境或上位机中获取待传输的信息，并对其进行编码。
[0010]步骤1.2、发射端标签基于环境OFDM信号中的子载波数目将编码后的信息映射为数值。
[0011]步骤1.2
‑
1、标签预先确定环境OFDM信号的子载波位数N，并基于N对OFDM信号的子载波按照不大于log
2 N比特进行分组。
[0012]步骤1.2
‑
2、标签计算分组后每组子载波信息的数值。
[0013]步骤二、发射端标签在对环境OFDM信号反射的过程中通过子载波移位键控改变该信号的子载波排列方式，并利用不同的子载波排列方式表示不同的标签信息，实现标签信息的传输。采用不同的子载波排列方式表示不同的标签信息的方式进行传输，将调制单元由OFDM符号缩小至OFDM子载波，大幅度提升标签信息的传输速率，满足高速率通信的应用要求。
[0014]步骤2.1、发射端标签捕捉到环境中存在用于传输的OFDM信号后，对该信号进行反射并开始进行标签信息的传输。
[0015]步骤2.2、发射端标签在反射环境OFDM信号的同时，进行子载波移位键控调制，以改变反射信号的子载波图案，将标签信息嵌入到反射信号上进行传输。
[0016]步骤2.2
‑
1、发射端标签的第一反射天线反射环境OFDM信号并进行频移。令环境OFDM信号的带宽为Λ，基带信号为y
ob
(t)，中心频率为f
o
。针对该信号，第一反射天线在反射的同时需要将其频移Λ。为了对环境信号进行这样的频移，设置第一反射天线连接的第一反射开关的切换频率为f1＝Λ。
[0017]令天线阻抗为Z
A
，开关在断开状态下对应的负载阻抗为Z
L1
，闭合状态下对应的负载阻抗为Z
L2
，则开关在断开状态下天线的反射系数Γ1为：在闭合状态下天线的反射系数Γ2为：其中，是Z
A
的共轭。因此，通过按照切换频率Λ切换第一反射开关，第一反射天线的反射系数的变化将呈现出一个频率为Λ的方波y
rf1
(t)。采用傅里叶级数展开，并考虑该方波的一次谐波得：
[0018][0019]其中，f1＝Λ为第一反射天线连接的第一反射开关的切换频率。
[0020]因此，第一反射天线反射环境OFDM信号后，所产生的反射信号y
out1
(t)为：
[0021][0022]其中，A1为第一反射天线的反射信号的能量强度。由y
out1
(t)可见，相比原始信号，反射信号进行了频率为Λ的频移。
[0023]步骤2.2
‑
2、发射端标签的第二反射天线反射环境OFDM信号和第一反射天线产生的反射信号，并同时对这些信号进行频移。
[0024]若环境OFDM信号子载波的带宽为ζ，标签需要传输的十进制数值为Θ(t)，则第二反射天线需要进行Θ(t)
×
ζ的频移。为此，与步骤2.2
‑
1中的设置类似，设置第二反射天线连接的第二反射开关的切换频率为ζ
×
Θ(t)。与第一反射天线类似，第二反射天线反射系数的变化将符合频率为ζ
×
Θ(t)的方波y
rf2
(t)，对于该方波进行傅里叶分析并考虑其一次谐波得：
[0025][0026]其中，f2＝Θ(t)
×
ζ为第二反射开关的切换频率。
[0027]因此，第二反射天线产生的反射信号y
out2...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高速OFDM子载波环境反向散射通信方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、发射端标签基于环境OFDM信号中的子载波数目编码待传输信息；步骤二、发射端标签在对环境OFDM信号反射的过程中通过子载波移位键控改变该信号的子载波排列方式，并利用不同的子载波排列方式表示不同的标签信息，实现标签信息的传输；采用不同的子载波排列方式表示不同的标签信息的方式进行传输，将调制单元由OFDM符号缩小至OFDM子载波；步骤三、接收端利用双天线分别接收并解调原OFDM信号和反射OFDM信号中携带的信息；接收端对原OFDM信号携带的信息和反射OFDM信号携带的信息进行相关运算，并得到相关运算结果的峰值位置；由于发射端标签将信息映射为不同的子载波排列方式，该峰值位置即表征标签信息，实现对步骤一所述标签信息的解调，即实现高速OFDM子载波环境反向散射通信。2.如权利要求1所述的高速OFDM子载波环境反向散射通信方法，其特征在于：步骤一实现方法为，步骤1.1、发射端标签从环境或上位机中获取待传输的信息，并对其进行编码；步骤1.2、发射端标签基于环境OFDM信号中的子载波数目将编码后的信息映射为数值；步骤1.2
‑
1、标签预先确定环境OFDM信号的子载波位数N，并基于N对OFDM信号的子载波按照不大于log
2 N比特进行分组；步骤1.2
‑
2、标签计算分组后每组子载波信息的数值。3.如权利要求2所述的高速OFDM子载波环境反向散射通信方法，其特征在于：步骤二实现方法为，步骤2.1、发射端标签捕捉到环境中存在用于传输的OFDM信号后，对该信号进行反射并开始进行标签信息的传输；步骤2.2、发射端标签在反射环境OFDM信号的同时，进行子载波移位键控调制，以改变反射信号的子载波图案，将标签信息嵌入到反射信号上进行传输；步骤2.2
‑
1、发射端标签的第一反射天线反射环境OFDM信号并进行频移；令环境OFDM信号的带宽为Λ，基带信号为y
ob
(t)，中心频率为f
o
；针对该信号，第一反射天线在反射的同时需要将其频移Λ；为了对环境信号进行这样的频移，设置第一反射天线连接的第一反射开关的切换频率为f1＝Λ；令天线阻抗为Z
A
，开关在断开状态下对应的负载阻抗为Z
L1
，闭合状态下对应的负载阻抗为Z
L2
，则开关在断开状态下天线的反射系数Γ1为：在闭合状态下天线的反射系数Γ2为：其中，是Z
A
的共轭；因此，通过按照切换频率Λ切换第一反射开关，第一反射天线的反射系数的变化将呈现出一个频率为Λ的方波y
rf1
(t)；采用傅里叶级数展开，并考虑该方波的一次谐波得：其中，f1＝Λ为第一反射天线连接的第一反射开关的切换频率；因此，第一反射天线反射环境OFDM信号后，所产生的反射信号y
out1
(t)为：
其中，A1为第一反射天线的反射信号的能量强度；由y
out1
(t)可见，相比原始信号，反射信号进行了频率为Λ的频移；步骤2.2
‑
2、发射端标签的第二反射天线反射环境OFDM信号和第一反射天线产生的反射信号，并同时对这些信号进行频移；若环境OFDM信号子载波的带宽为ζ，标签需要传输的十进制数值为Θ(t)，则第二反射天线需要进行Θ(t)
×
ζ的频移；为此，设置第二反射天线连接的第二反射开关的切换频率为ζ
×
Θ(t)；与第一反射天线类似，第二反射天线反射系数的变化将符合频率为ζ
×
Θ(t)的方波y
rf2
(t)，对于该方波进行傅里叶分析并考虑其一次谐波得：其中，f2＝Θ(t)
×
ζ为第二反射开关的切换频率；因此，第二反射天线产生的反射信号y
out2
(t)为：其中，A2为第二反射天线的反射信号的能量强度；由y
out2
(t)可见，第二反射天线在反射信号的同时，对其进行了f2和f1+f2的频移；令环境OFDM信号包含N个子载波，且令反射频带的带宽为Λ，中心频点为f
o
+Λ；通过频移f2，标签将原频带的OFDM符号的第N
‑
Θ(t)+1～N个子载波频移成了反射频带内的第1～Θ(t)个子载波；通过频移f1+f2，标签将原频带的OFDM符号的第1～N
‑
Θ(t)个子载波频移成了反射频带内的第Θ(t)+1～N个子载波；步骤2.2所述的子载波移位键控调制技术的最小调制单元为OFDM符号的子载波而非OFDM符号，因此采用不同的子载波排列方式表示不同的标签信息的方式进行传输，将调制单元由OFDM符号缩小至OFDM子载波，信息传输速率不再受OFDM符号速率的影响。4.如权利要求3所述的高速OFDM子载波环境反向散射通信方法，其特征在于：步骤三实现方法为，步骤3.1、接...

【专利技术属性】
技术研发人员：于季弘，杜彩卉，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：