空时编码在反向散射通信中的时域插零设计方法及应用技术

本发明专利技术属于反向散射通信技术领域，公开了一种空时编码在反向散射通信中的时域插零设计方法及应用，插零空时编码同时兼顾反向散射标签的电路复杂度、占空比以及反向散射通信的可靠性，解决现有反向散射空时编码未充分考虑反向散射通信特性的问题。通过在时域上对空时编码进行插零设计，提出了用于反向散射通信的插零空时编码的编码方案，并给出其与多种查询方法的联合设计方案和相应的解码方案，对提出的插零空时编码在电路复杂度、占空比和误码性能上与经典Alamouti编码进行了分析对比。本发明专利技术在查询端提出了一种时变查询天线选择方法，并推导了插零空时编码与时变查询天线选择方法联合设计的误码率的渐近闭合表达式。法联合设计的误码率的渐近闭合表达式。法联合设计的误码率的渐近闭合表达式。

【技术实现步骤摘要】
RFID”中进一步提出了名为块级酉查询方法，该方法使空时编码能充分挖掘出MIMO反向散射信道的分集潜能。
[0004]从上述研究现状不难发现，目前对反向散射空时编码的研究相对较少，且大多是建立在传统信道中的空时编码理论之上的，或是对其的延续和拓展。然而由于反向散射通信与传统通信在信道结构(反向散射信道为三端拓扑结构)、工作机制(反向散射通信具有占空比机制)以及应用场景上(反向散射标签有着小型化的需求)均有很大的不同，反向散射空时编码的设计相较于传统空时编码需考虑更多的维度。因此传统信道中最优的空时编码在反向散射信道中未必最优。
[0005]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统信道中最优的空时编码在反向散射信道中未必同样是最优。因此，传统空时编码不能充分的开发与利用反向散射信道中的分集潜能和编码潜能。此外，反向散射通信存在着占空比这一特殊机制，占空比对通信传输的性能有着较大的影响。而传统通信不存在这一机制。因此传统的空时编码不能保证提高反向散射通信的传输性能。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种空时编码在反向散射通信中的时域插零设计方法及应用。
[0007]本专利技术是这样实现的，一种空时编码在反向散射通信中的时域插零设计方法，所述空时编码在反向散射通信中的时域插零设计方法包括：对反向散射通信信道进行建模，获得反射信号调制原理与反向散射标签的工作机理；在时域上对空时编码进行插零设计，获得插零空时编码方案；获得插零空时编码与多种查询方法的联合设计方案和相应的解码方案；获得插零空时编码的电路复杂度、能量效率和误码性能，并与经典Alamouti编码进行对比；提出时变查询天线选择方法，分析插零空时编码与时变查询天线选择方法联合设计的误码率。
[0008]进一步，所述空时编码在反向散射通信的时域插零设计，具体包括以下步骤：
[0009]步骤一，设定M
×
N
×
L反向散射信道由M个查询天线，L个标签天线和N个接收天线组成，M
×
N
×
L反向散射信道建模为：
[0010][0011]其中Q是大小为T
×
M的查询矩阵，表示在时隙T内从M个查询天线发送的查询信号；H是大小为M
×
L的前向信道矩阵，表示查询天线与标签天线间的路径；G是大小为L
×
N的反向信道矩阵，表示标签天线与接收机间的路径；C是大小为T
×
L的编码矩阵，表示在时隙T内L根标签天线发送的信号；W是大小为T
×
N的噪声矩阵；R是大小为T
×
N的接收信号矩阵；
°
表示哈达玛积；
[0012]步骤二，将零填充到空时编码中，通过同时兼顾标签电路复杂度、能量收集效率比及误码性能，为反向散射通信提出了一种插零空时编码ZSTBC，对于两个连续的代码字c1和c2，ZSTBC的结构表示为：
[0013][0014]其中向量c1＝(c1,c2)
T
，向量c2＝(c2,c1)
T
，向量i1＝(1,0)
T
，向量i2＝(0,1)
T
，(
·
)
T
为转置操作符。由于ZSTBC对空时编码在时域上进行了扩展，对应的查询矩阵同样需要进行时域扩展，相应的查询矩阵表示为：
[0015][0016]其中Q为UFQ或BUTQ方法对应的查询矩阵，向量12＝(1,1)
T
；
[0017]步骤三，在UFQ方法和BUTQ方法下使用ZSTBC时联合设计；
[0018]步骤四，对于任意的联合设计对{Q,C}，均采用最大似然ML解码器实现性能最优的解码，ZSTBC对应的ML解码器表示为：
[0019][0020]其中是接收机经ML检测后估计的信号，min(
·
)表示取最小值，||
·
||
F
表示Frobenius范数，且接收端已知完美的信道状态信息，经过信道结构等价变换可以使用线性解码器对ZSTBC进行解码；
[0021]步骤五，电路复杂度分析如下：反向散射标签天线的反射系数为其中Z
L
表示负载阻抗，Z
A
表示标签天线的阻抗，(
·
)
*
表示复共轭算子；考虑如下信息比特与反射系数的映射关系：
[0022][0023]步骤六，占空比分析如下：对于ZSTBC，由于在任一时隙中其只有一根天线被激活而另一根天线处于休眠状态，在线性能量收集模型下，在标签上使用ZSTBC时其收集到的能量为：
[0024][0025]其中η
con
为功率转换效率常数且0<η
con
≤1，Γ
a
是被激活的标签天线的反射系数，且满足0<|Γ
B
|2≤1，Γ
m
是休眠状态下的标签天线反射系数，其满足|Γ
m
|2＝0，P
in
是能量收集器的入射能量，Alamouti编码时标签收集到的能量为进一步有：
[0026][0027]上式表明在线性能量收集模型下标签使用ZSTBC方法相较于使用Alamouti编码在能量收集上有着更好的性能表现，能量收集器收集到的能量与能量收集器输入的能量P
in
之间的关系是非线性的，即能量转换效率η
con
不再是常数而是一个非线性函数，非线性能量收集模型表示为：
[0028]η
con
(P
in
)＝α1(P
in
)+α2(P
in
)+α3；
[0029]其中α1，α2与α3为模型参数，在线性能量收集模型下，反向散射标签的占空比可以表示为：
[0030][0031]其中P
M
表示标签天线在休眠状态下收集到的能量，即标签天线反射系数为0时收
集到的能量，P
back
表示标签天线在激活状态下收集到的能量，P
C
表示标签天线在激活状态下消耗的能量，P
M
的大小与电路硬件设计有关，且有P
back
≤P
M
；
[0032]步骤七，误码率分析如下：符号错误率SER通过高斯Q函数计算得到，其与接收信号的瞬时信噪比的平方根成正比，即在衰落信道下SER通过下式计算：
[0033][0034]其中E
x
(
·
)表示关于x取期望，为平均信噪比，g为与调制相关的常数，f
Z
(z)为系统信道增益Z对应的概率密度函数,其中exp(
·
)为指数函数，且当M进制相移键控调制MPSK时，将Q(x)代入得到：
[0035][0036]其中g本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空时编码在反向散射通信中的时域插零设计方法，其特征在于，所述空时编码在反向散射通信中的时域插零设计方法包括：对反向散射通信的信道进行建模，获得反射信号调制原理与反向散射标签的工作机理；在时域上对空时编码进行插零设计，获得插零空时编码的编码方案；获得插零空时编码与多种查询方法的联合设计方案和相应的解码方案；获得插零空时编码的电路复杂度、能量效率和误码性能，并与经典Alamouti编码进行对比；提出时变查询天线选择方法，分析插零空时编码与时变查询天线选择方法联合设计的误码率。2.如权利要求1所述的空时编码在反向散射通信中的时域插零设计方法，其特征在于，所述空时编码在反向散射通信中的时域插零设计方法，具体包括以下步骤：步骤一，设定M
×
N
×
L反向散射信道由M个查询天线，L个标签天线和N个接收天线组成，M
×
N
×
L反向散射信道建模为：其中Q是大小为T
×
M的查询矩阵，表示时隙T内从M个查询天线发送的查询信号；H是大小为M
×
L的前向信道矩阵，表示查询天线与标签天线间的路径；G是大小为L
×
N的反向信道矩阵，表示标签天线与接收机间的路径；C是大小为T
×
L的编码矩阵，表示在时隙T内L根标签天线发送的信号；W是大小为T
×
N的噪声矩阵；R是大小为T
×
N的接收信号矩阵；表示哈达玛积；步骤二，将零填充到空时编码中，通过同时兼顾标签电路复杂度、能量收集效率比及误码性能，为反向散射通信提出了一种插零空时编码ZSTBC，对于两个连续的代码字c1和c2，ZSTBC的结构表示为：其中向量c1＝(c1，c2)
T
，向量c2＝(c2，c1)
T
，向量i1＝(1，0)
T
，向量i2＝(0，1)
T
，其中(
·
)
T
为转置操作符。由于ZSTBC对空时编码在时域上进行了扩展，为了正确地保持维度，对应的查询矩阵同样需要进行时域扩展，相应的查询矩阵表示为其中Q为UFQ或BUTQ方法对应的查询矩阵，向量12＝(1，1)
T
；步骤三，在UFQ方法和BUTQ方法下使用ZSTBC时联合设计；步骤四，对于任意的联合设计对{Q，C}，均采用最大似然ML解码器实现性能最优的解码，ZSTBC对应的ML解码器表示为：其中是接收机经ML检测后估计的信号，min(
·
)表示取最小值，∥
·
∥
F
表示Frobenius范数，且接收端已知完美的信道状态信息，经过信道结构等价变换使用线性解码器对ZSTBC进行解码；步骤五，电路复杂度分析如下：反向散射标签天线的反射系数为其中Z
L
表示负载阻抗，Z
A
表示标签天线的阻抗，(
·
)
*
表示复共轭算子；考虑如下信息比特与反射系数的映射关系：
步骤六，占空比分析如下：对于ZSTBC，由于在任一时隙中其只有一根天线被激活而另一根天线处于休眠状态，在线性能量收集模型下，在标签上使用ZSTBC时其收集到的能量为：其中η
con
为功率转换效率常数且0<η
con
≤1，Γ
a
是被激活的标签天线的反射系数，且满足0<|Γ
B
|2≤1，Γ
m
是休眠状态下的标签天线反射系数，其满足|Γ
m
|2＝0，P
in
是能量收集器的入射能量，Alamouti编码时标签收集到的能量为进一步有：上式表明在线性能量收集模型下标签使用ZSTBC相较于使用Alamouti编码在能量收集上有着更好的性能表现，能量收集器收集到的能量与能量收集器输入的能量P
in
之间的关系是非线性的，即能量转换效率η
con
不再是常数而是一个非线性函数，非线性能量收集模型表示为：η
con
P
in
＝α1P
in
+α2P
in
+α3；其中α1，α2与α3为模型参数，在线性能量收集模型下，反向散射标签的占空比可以表示为：其中P
M
表示标签天线在休眠状态下收集到的能量，即标签天线反射系数为0时收集到的能量，P
back
表示标签天线在激活状态下收集到的能量，P
C
表示标签天线在激活状态下消耗的能量，其中P
M
的大小与标签电路硬件设计有关，并且有P
back
≤P
M
；步骤七，误码率分析如下：符号错误率SER通过高斯Q函数计算得到，其与接收信号的瞬时信噪比的平方根成正比，即在衰落信道下SER通过下式计算：其中E
x
(
·
)表示关于x取期望，为平均信噪比，g为与调制相关的常数，f
Z
(z)为系统信道增益Z对应的概率密度函数,其中exp(
·
)为指数函数，且当M进制相移键控调制MPSK时，将Q(x)代入得到：其中g
psk
＝sin2π/M，G
Z
(
·
)为信道增益Z对应的矩母函数。对于所提的ZSTBC；步骤八，时变查询天线选择方案设计如下：BUTQ方法本质上是对查询矩阵与编码矩阵在时域上进行张量扩张，ZSTBC在BUTQ方法下的M
×2×
N反向散射信道中可实现的符号速率仅为根据提出的ZSTBC的代数结构特征，在查询端提出了一种时变查询天线选择TQAS方
法；不同于BUTQ，TQAS方法通过提高前向链路的质量使ZSTBC在反向散射信道中实现最大分集增益；步骤九，在M
×2×
N反向散射信道中，采用BPSK调制时，ZSTBC在TQAS方法下的反向散射信道中SER的渐近闭合表达式计算如下：对于信道增益可将其分解为：其中定义并且对于任意m
opt,l
∈{1,2,
…
,M}，l∈{1,2}和n∈{1,2,
…
,N}，与彼此相互独立并服从相同的分布，且其矩母函数为：其中Ψ2(M,N)＝N，且2F1(；；)表示高斯超几何函数，Γ(
·
)表示伽马函数，使用TQAS方法时ZSTBC实现的信道增益的矩母函数为：当采用BPSK调...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺晨，马存燕，张江吕，王浩琳，屈锁，栾慧煦，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：