一种环境反向散射通信系统中的信号发送与检测方法与流程

本发明实施例涉及通信技术领域，尤其涉及一种环境反向散射通信系统中的信号发送与检测方法。

背景技术：

物联网的概念最初是由美国麻省理工学院的kevinash-ton教授于1999年提出：利用射频识别技术和传感器技术进行物品的识别与管理，使得计算机能够以自己的方式收集信息，能够不受人类输入数据的限制地去观察，识别和理解世界。2005年，国际电信联盟(itu)发布的互联网报告中对物联网有了新的定义：通过特定的协议，将配备传感器的任何真实物体通过互联网连接起来，实现人与物体间或物体与物体间的信息交换，从而实现一种全新的无所不在的动态的网络。

然而，大规模通信也将带来各方面的挑战，其中能源问题尤为突出。设备的运行与服务离不开能源供给，哪怕是设备间最基本的通信都需消耗能源。而传统的电池供电无法满足海量的接入需求，同时存在电池维护与成本开销，应用场景受限等局限。那么，如何为物联网中海量接入的设备提供能源并使其正常通信就成为了亟待解决的问题。

环境反向散射的提出，为这一问题提供了一个有效解决方案。该通信机制在反射通信的过程中利用了环境中的射频信号。与传统反射通信系统如射频识别(rfid)不同的是，环境反向散射通信主要有以下两点优势：(1)突破了能量来源于主动部署的读写器的局限，无需特定的载波信号发射器，环境足迹细微；(2)突破了传统标签只能与读写器通信的局限，能够实现无源标签之间的信息传输。

目前，大部分的研究工作主要集中于二元调制的环境反向散射通信系统。对于二元调制的环境反向散射，标签在每符号周期内发送一个比特信息。由于检测性能往往受信道情况的影响，当信道条件较好时，每符号周期发送一比特信息的数据速率相比于信道资源显得利用率不高。若要提高信道资源的利用率，则需要缩短符号周期。由于标签的符号周期受系统振荡器的频率的控制，缩短符号周期需要提高振荡器频率，而振荡器频率越高，能耗越大，继而通过增加振荡器的频率来提高数据速率不是一个明智的选择。因此，提升环境反向散射系统中的信号传输速率成为了一个亟待解决的问题。而对环境反向散射系统中的信号进行检测时，传统的信号检测方法不再适用，因此，提供一个适用于环境反向散射系统中信号检测方法也成为了一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种环境反向散射通信系统中的信号发送与检测方法，用以解决现有的环境反向散射系统中信号传输速率低且对传输的信号检测误差大的缺陷，提高了信号传输速率和检测精度。

本发明实施例提供一种环境反向散射通信系统中的信号发送方法，包括：

接收环境源发射的源射频信号；

基于生成的m元符号，对接收到的源射频信号进行调制，生成信号矢量并发送至接收标签，以供接收标签基于多级能量检测法，对接收到的信号矢量进行检测；其中，m元符号为{0,1,...,m-1}中的任意一个符号。

本发明实施例提供一种环境反向散射通信系统中的信号检测方法，包括：

接收发送标签发送的信号矢量，所述信号矢量是所述发送标签基于m元符号对环境源发送的源射频信号进行调制得到的；其中，m元符号为{0,1,...,m-1}中的任意一个符号；

基于多级能量检测法，对接收到的信号矢量进行检测。

本发明实施例提供的一种环境反向散射通信系统中的信号发送与检测方法，通过生成的m元符号，对接收到的源射频信号进行高阶相位调制，生成信号矢量并发送至接收标签，有效地提高了信号传输速率。接收标签利用多级能量检测法检测发送标签发射的信号矢量中携带的m元符号，在不需要知晓信道情况以及环境源发射的源射频信号信息的条件下，仅依靠接收标签接收到的号矢量来进行m元符号的检测，实施简单，性能较好，具有很强的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种环境反向散射通信系统中的信号发送方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种环境反向散射通信系统中的信号检测方法流程图；

图3为根据本发明实施例提供的一种环境反向散射通信系统结构图；

图4为根据本发明实施例提供的一种能量区间划分示意图；

图5为根据本发明实施例提供的一种导频序列示意图；

图6为本发明实施例提供的一种发送标签的电子设备结构框图；

图7为本发明实施例提供的一种接收标签的电子设备结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更好地理解本发明实施例提供的一种环境反向散射通信系统中的信号发送与检测方法，在此，先对环境反向散射通信系统进行说明。环境反向散射通信系统包括环境源、发送标签和接收标签，其中，环境源为广播电视和手机等能发送电磁波的设备，发送标签和接收标签均为一些低功耗设备。发送标签和接收标签可收集环境中的电磁波，作为能量供自身运行。并且，发送标签和接收标签也可利用环境源发出的电磁波，进行信号的传输与检测。

图1为本发明实施例提供的一种环境反向散射通信系统中的信号发送方法流程图，执行主体为发送标签，如图1所示，该方法包括：

步骤101：接收环境源发射的源射频信号；

步骤102：基于生成的m元符号，对接收到的源射频信号进行调制，生成信号矢量并发送至接收标签，以供接收标签基于多级能量检测法，对接收到的信号矢量进行检测；其中，m元符号为{0,1,...,m-1}中的任意一个符号。

具体地，环境源向环境中发射电磁波，由于电磁波属于射频信号，因此，在本发明实施例中将该电磁波称为源射频信号。发送标签连续接收环境源发射的源射频信号，以供自身运行，并连续生成等概的m元符号，即{0,1,...,m-1}中的任意一个符号。发送标签基于生成的m元符号，对接收到的源射频信号进行调制，需要说明的是，当生成不同的m元符号时，发送标签对接收到的源射频信号进行不同相位的调制，m个不同的m元符号分别对接收到的源射频信号进行不同的m种相位调制。对于每一个m元符号，其都是由多个比特编码所得到的，因此，利用m元符号对接收到的源射频信号进行调制属于高阶相位调制。

发送标签将调制后生成的信号称为信号矢量，并将信号矢量发送至接收标签，以供接收标签基于多级能量检测法，对接收到的信号矢量进行检测，以检测出其携带的m元符号。其中，多级能量检测法为将能量轴划分为多个能量区间的方法。

本发明实施例提供的一种环境反向散射通信系统中的信号发送方法，发送标签通过生成的m元符号，对接收到的源射频信号进行高阶相位调制，生成信号矢量并发送至接收标签，有效地提高了环境反向散射通信系统中的信号传输速率。

基于上述实施例，在上述的环境反向散射通信系统中的信号发送方法中，基于生成的m元符号，对接收到的源射频信号进行调制，生成信号矢量并发送至接收标签，进一步包括：

每隔预设时间，生成一个m元符号；每生成一个m元符号，将所述m元符号加载至预设时间段内接收到的源射频信号中，以对所述预设时间段内接收到的源射频信号进行调制，生成一个信号矢量并发送至接收标签；其中，所述预设时间段为产生所述m元符号的时间点与产生上一个m元符号的时间点间的时间段。

具体地，发送标签生成m元符号是间隔生成的，即，每隔一段时间，生成一个m元符号。每当生成一个m元符号时，都将该时间点与生成上一个m元符号的时间点之间的时间区间内接收到的源射频信号进行调制，生成一个信号矢量并发送至接收标签。

基于上述实施例，在上述的环境反向散射通信系统中的信号发送方法中，环境源可优选为循环对称复高斯信号源。

图2为本发明实施例提供的一种环境反向散射通信系统中的信号检测方法流程图，执行主体为接收标签，如图2所示，该方法包括：

步骤201：接收发送标签发送的信号矢量，所述信号矢量是所述发送标签基于m元符号对环境源发送的源射频信号进行调制得到的；其中，m元符号为{0,1,...,m-1}中的任意一个符号；

步骤202：基于多级能量检测法，对接收到的信号矢量进行检测。

接收标签接收环境源发送的源射频信号，以供自身运行，并且，还接收环境中的噪声信号和发送标签发送的信号矢量。接收标签能够从接收到的所有信号中提取出发送标签发送的信号矢量，并检测出其携带的m元符号。其中，多级能量检测法为将能量轴划分为多个能量区间的方法。

本发明实施例提供的一种环境反向散射通信系统中的信号检测方法，接收标签利用多级能量检测法检测发送标签发射的信号矢量中携带的m元符号，在不需要知晓信道情况以及环境源发射的源射频信号信息的条件下，仅依靠接收标签接收到的信号矢量来进行信号检测，实施简单，性能较好，具有很强的实用性。

基于上述实施例，在上述的环境反向散射通信系统中的信号检测方法中，基于多级能量检测法，对接收到的信号矢量进行检测，进一步包括：

每接收到一个信号矢量，计算所述信号矢量的能量；根据所述信号矢量的能量所处的能量区间，检测出所述信号矢量中携带的m元符号。

需要说明的是，能量区间一共有m个，能量区间的划分早已在检测之前完成，并且，{0,1,...,m-1}中的每一个符号与m个能量区间具有一一映射关系。因此，在本发明实施例中，若已知接收到的信号矢量的能量所处的能量区间，则将该能量区间所对应的符号作为该信号矢量所携带的m元符号。

基于上述实施例，在上述的环境反向散射通信系统中的信号检测方法中，根据所述信号矢量的能量所处的能量区间，检测出所述信号矢量中携带的m元符号，之前还包括：

基于插入导频法，将能量轴划分为m个能量区间；确定{0,1,...,m-1}中的每一符号与所述m个能量区间的一一映射关系。

需要说明的是，能量轴的起点代表能量为0，终点指向正无穷。可以理解的是，本发明实施例为能量区间的划分过程，同时，在划分过程中，可确定{0,1,...,m-1}中的每一符号与m个能量区间的一一映射关系。

基于上述实施例，在上述的环境反向散射通信系统中的信号检测方法中，基于插入导频法，将能量轴划分为m个能量区间，进一步包括：

接收所述发送标签发送的导频序列；其中，所述导频序列包含{0,1,...,m-1}中的m个符号；对于每个符号，获取所述符号对应的信号矢量的平均能量，并作为所述符号对应的信号矢量的统计方差；基于所述m个符号对应的信号矢量的m个统计方差，将能量轴划分为m个能量区间。

基于上述实施例，在上述的环境反向散射通信系统中的信号检测方法中，基于所述m个符号对应的信号矢量的m个统计方差，将能量轴划分为m个能量区间，进一步包括：

将m个统计方差升序排列，组成统计方差集合σ²＝{σ0²,σ1²,...,σm-1²}，并获取对应的索引数组i＝{i0,i1,...,im-1}；其中，索引数组中的每一元素代表统计方差集合中对应元素所对应的符号在{0,1,...,m-1}中的索引位置；在统计方差集合中，依次基于每相邻的两个统计方差，计算出一个能量阈值；基于计算得到的m-1个能量阈值，将能量轴划分为m个能量区间。

基于上述实施例，在上述的环境反向散射通信系统中的信号检测方法中，在统计方差集合中，依次基于每相邻的两个统计方差σi²和σi+1²，计算出一个能量阈值ti的公式为：

其中，ti为第i个能量阈值，n为信号矢量的长度，σi²为{0,1,...,m-1}中第ii个符号对应的信号矢量的统计方差，σi+1²为{0,1,...,m-1}中第ii个符号对应的信号矢量的统计方差。

基于上述实施例，在一种环境反向散射通信系统中的信号检测方法中，确定{0,1,...,m-1}中的每一符号与所述m个能量区间的一一映射关系，进一步包括：

将第i个能量阈值ti和第i+1个能量阈值ti+1间的能量区间作为第i+2个能量区间，并将所述第i+2个能量区间与{0,1,...,m-1}中第ii+2个符号相映射。

基于上述实施例，本发明实施例作为一个优选实施例，结合附图对一种环境反向散射通信系统中的信号发送与检测方法进行进一步说明：

图3为根据本发明实施例提供的一种环境反向散射通信系统结构图，如图3所示，该系统包括：环境源、发送标签和接收标签。其中，环境源，向周围环境发射源射频信号；发送标签，接收环境源发送的源射频信号并对其进行高阶相位调制生成信号矢量后发送至接收标签；接收标签，接收环境源发送的源射频信号、环境中的噪声信号和发送标签发送的信号矢量，并对其进行检测。

图3中的hsb、hsr和hbr分别表示环境源与发送标签间的信道参数、环境源与接收标签间的信道参数、以及发送标签与接收标签间的信道参数，且所有信道均为平坦块衰落模型，在平坦块衰落模型中，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]表示发送标签接收的信号，其表达式为：

x[n]＝hsbs[n]；

其中，s[n]表示环境源发射的不确定的源信号，且其服从循环对称复高斯分布其中ps的值对于接收标签来说是未知的，同时s[n]的不同抽样值是独立同分布的，发送标签发射的符号为d∈{0，1，…，m-1}，并且d为{0，1，…，m-1}中各符号的概率是相同的。如图3所示，发送标签的天线端口处接有m个负载，对应发送标签的m个符号，每个负载的阻抗为zload，i。当第i个负载连接至天线，对应的第i个反射系数可表示为

其中，zant为天线阻抗；天线与负载阻抗匹配或负载短路状态分别对应于γ＝0和γ＝1。对于相移键控调制，所有符号对应的|γi|的值相同。

本发明实施例中的信道未知但是在一段时间内恒定不变。由于受到能量限制，并且根据物联网的特性，发送标签的传输速率会远低于源信号的奈奎斯特速率，假设在n个连续的s[n]内保持不变，则被发送标签反射的信号可以表示为：

xb[n]＝γix[n]

在符号i被发送的假设下，接收标签处的第n个样本可表示为

y[n]＝hsrs[n]+hbrxb[n]+w[n]＝(hsr+hsbhbrγi)s[n]+w[n]；

其中，是高斯加性白噪声，nω是噪声功率谱密度。

环境反向散射通信系统中的接收标签利用多级能量检测法判断发送标签发射的m元符号，在不需要有关信道情况以及环境源信号信息的条件下，仅仅依靠接收标签接收到的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。

图4为根据本发明实施例提供的一种能量区间划分示意图，对于接收标签基于多级能量检测法检测接收到的信号矢量所携带的m元符号的过程，具体步骤如下：

步骤1，基于接收到的一个信号矢量y，计算信号能量z＝||y||²；

步骤2，基于插入导频法，获得统计方差集合σ²＝{σ0²,σ1²,...,σm-1²}及对应的索引数组i＝{i0,i1,...,im-1}，计算出多级能量检测的m-1个能量阈值ti(0,...,m-2)，并得到m个能量区间，如图4所示。

步骤3，若步骤1中的信号能量落入的步骤2中的能量区间中，则判断发送标签生成的符号为{0,1,...,m-1}中的第ii个符号。

其中，对步骤2进行进一步说明，图5为根据本发明实施例提供的一种导频序列示意图，利用插入导频法划分能量区间的过程如下：

发送标签每隔一段时间发射一长度为ltm的导频序列，训练序列组成如图5所示，对应接收的信号矢量为tl(l＝1，…，ltm)；

对{0,1,...,m-1}中的每个符号对应的信号矢量tl(l＝(m-1)lt+1，…，mlt)进行归一化处理，获得对应每一符号对应的信号矢量的平均能量z＝{z1，…，zm}，其中

将该符号对应的平均能量作为该符号对应的信号矢量的统计方差，并基于m个符号对应的信号矢量的m个统计方差，将能量轴划分为m个能量区间。

在一个具体实施例中，本发明实施例提供的一种环境反向散射通信系统中的信号发送与检测方法，对提出的检测场景做了相应的性能分析：

复高斯信号源下的多级能量检测法的符号错误率表达式如下：

其中，hi＝hsr+hsbhbrγi；γ＝ps/nw表示环境源处的信噪比。由此可得出信噪比越高，n越大，符号错误率越小即检测性能越好；但当信噪比增大至接近于无穷大时，符号错误率趋近于一错误平层。此外，信道两两之间的相对差对符号错误率的影响也很大，且两两信道相对差越大，检测性能越好。

本发明实施例中高阶调制需要发送一定的训练序列来估计接收信号统计方差，且不需要对发送符号编码，对于支持发送训练序列的系统更为实用。

图6为本发明实施例提供的一种发送标签的电子设备结构框图，如图6所示，所述设备包括：处理器(processor)601、存储器(memory)602和总线603；其中，所述处理器601和所述存储器602通过所述总线603完成相互间的通信；所述处理器601用于调用所述存储器602中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：接收环境源发射的源射频信号；基于生成的m元符号，对接收到的源射频信号进行调制，生成信号矢量并发送至接收标签，以供接收标签基于多级能量检测法，对接收到的信号矢量进行检测；其中，m元符号为{0,1,...,m-1}中的任意一个符号。

图7为本发明实施例提供的一种接收标签的电子设备结构框图，如图7所示，所述设备包括：处理器(processor)701、存储器(memory)702和总线703；其中，所述处理器701和所述存储器702通过所述总线703完成相互间的通信；所述处理器701用于调用所述存储器702中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：接收发送标签发送的信号矢量，所述信号矢量是所述发送标签基于m元符号对环境源发送的源射频信号进行调制得到的；其中，m元符号为{0,1,...,m-1}中的任意一个符号；基于多级能量检测法，对接收到的信号矢量进行检测。

本发明实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：接收环境源发射的源射频信号；基于生成的m元符号，对接收到的源射频信号进行调制，生成信号矢量并发送至接收标签，以供接收标签基于多级能量检测法，对接收到的信号矢量进行检测；其中，m元符号为{0,1,...,m-1}中的任意一个符号。

本发明实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：接收发送标签发送的信号矢量，所述信号矢量是所述发送标签基于m元符号对环境源发送的源射频信号进行调制得到的；其中，m元符号为{0,1,...,m-1}中的任意一个符号；基于多级能量检测法，对接收到的信号矢量进行检测。

本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：接收环境源发射的源射频信号；基于生成的m元符号，对接收到的源射频信号进行调制，生成信号矢量并发送至接收标签，以供接收标签基于多级能量检测法，对接收到的信号矢量进行检测；其中，m元符号为{0,1,...,m-1}中的任意一个符号。

本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：接收发送标签发送的信号矢量，所述信号矢量是所述发送标签基于m元符号对环境源发送的源射频信号进行调制得到的；其中，m元符号为{0,1,...,m-1}中的任意一个符号；基于多级能量检测法，对接收到的信号矢量进行检测。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。