一种环境反向散射通信系统的资源分配方法

1.本发明属于通信技术领域，具体涉及一种通信系统的资源分配方法。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明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。本发明通过反向散射设备，为主传输系统提供附加多径，提高了主传输速率。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
7.一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：
8.步骤1：多天线射频信号源发射导频信号；
9.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∈[0,1]表示能量收集效率；
[0049]
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，反向散射设备收集的能量如下：
[0050][0051]
步骤5
‑
2：通过解决加权和速率最大化问题和传输功率最小化问题获得射频信号源的资源分配方式；
[0052]
步骤5
‑2‑
1：加权和速率最大化问题wsrm；
[0053]
通过优化发射波束赋形向量w来最大化主速率和反向散射速率的加权和。
[0054]
p1:
[0055][0056]
s.t.||w||2＝1
ꢀꢀꢀ
(12b)
[0057]
e≥e
min
ꢀꢀꢀ
(12c)
[0058]
步骤5
‑2‑
2：传输功率最小化问题tpm；
[0059]
通过共同优化发射波束成形矢量w和发射功率p来在给定的主速率和反向散射速率要求下最小化射频信号源的发射功率。
[0060]
p2：
[0061][0062][0063][0064]
||w||2＝1
ꢀꢀꢀ
(13d)
[0065]
e≥e
min
ꢀꢀꢀ
(13e)
[0066]
其中，和分别是主系统和反向散射设备的速率要求，e
min
表示最小能量需求；
[0067]
步骤5
‑
3：对于wsrm问题，采用具有半正定psd矩阵变量的等效化问题，期望运算通过蒙特卡洛方法实现；
[0068]
令w＝pww
h
，则p1重新转化为以下等效问题：
[0069]
p1
‑
psd:
[0070][0071]
s.t.tr(w)＝p
ꢀꢀꢀ
(14b)
[0072]
rank(w)＝1
ꢀꢀꢀ
(14c)
[0073]
e≥e
min
ꢀꢀꢀ
(14d)
[0074]
对于tpm问题，p2转化为以下等效问题：
[0075]
p2
‑
psd:
[0076][0077][0078]
[0079]
rank(w)＝1
ꢀꢀꢀ
(15d)
[0080]
e≥e
min
ꢀꢀꢀ
(15e)
[0081]
步骤5
‑
4：通过凸优化方法计算得到优化问题p1
‑
psd的最优解w
*
，求解wsrm问题；
[0082]
步骤5
‑4‑
1：已知发射功率p，最小能量需求e
min
，信道相关系数h1,h2,g；设置一个整数d；
[0083]
步骤5
‑4‑
2：对w
*
进行奇异值分解svd，即w
*
＝uσu
h
，u＝[u1,...,u
m
]；
[0084]
步骤5
‑4‑
3：如果rank(w
*
)＝1，w
*
＝u1；
[0085]
步骤5
‑4‑
4：否则d＝1,...,d，生成随机向量θ
i
服从均匀分布u(0,2π)；
[0086]
步骤5
‑4‑
5：最优解
[0087]
步骤5
‑
5：通过凸优化方法计算p2
‑
psd最优解w
*
，求解tpm问题。
[0088]
步骤5
‑5‑
1：最小能量需求e
min
，信道相关系数h1,h2,g，设置一个较大的整数d；
[0089]
步骤5
‑5‑
2：对w
*
进行奇异值分解(svd)，即w
*
＝uσu
h
，u＝[u1,...,u
m
]；
[0090]
步骤5
‑5‑
3：令p＝tr(σ)；
[0091]
步骤5
‑5‑
4：如果rank(w
*
)＝1，p
*
＝p，w
*
＝u1；
[0092]
步骤5
‑5‑
5：否则，d＝1,...,d，生成随机向量θ
i
服从均匀分布u(0,2π)；
[0093]
步骤5
‑5‑
6：p
*
＝p，w
*
＝w
d
。
[0094]
优选地，所述导频信号是已知的任何信号。
[0095]
本发明的有益效果如下：
[0096]
本发明创新的提出了在环境反向散射通信系统中的一种资源优化方式，与传统的多输入单输出miso系统相比，主要是基于共生无线电理念下，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。
附图说明
[0097]
图1是本发明的环境反向散射通信系统模型示意图。
[0098]
图2是本发明方法在一个衰落块内共生无线电传输帧结构。
[0099]
图3是本发明方法不同信噪比条件下的主传输速率。
[0100]
图4是本发明方法在约束下的传输速率
具体实施方式
[0101]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0102]
本发明的目的在于提供在未来的物联网通信中一种资源分配方案，用来克服当前物联网通信中能量消耗巨大的局限性，使得大容量、低功耗的物联网通信成为可能。
[0103]
环境反向散射通信系统主要包括一个多天线射频信号源，单个反向散射设备以及单天线接收机，其中多天线射频信号源用于接收和发射信号，主要由信道估计和反向散射
通信两种模式，其模型原理图如附图1。
[0104]
在信道估计模式下，射频信号源发射下行导频信号，反向散射设备用于估计与射频信号源之间的前向信道，接收机估计与射频信号源之间的直接链路信道，反向散射设备以固定反射系数进行反向散射，接收机估计与反向散射设备之间的后向信道。
[0105]
在反向散射通信模式下，射频信号源发送下行数据信号，反向散射设备通过改变负载阻抗向接收机发送信号。接收机先解调射频源信号，然后进行串行干扰消除，检测来自反向散射设备的信号。
[0106]
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：
[0107]
步骤1：多天线射频信号源发射导频信号；
[0108]
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
表示射频信号源的每一根天线到接收机的直接链路信道系数，m表示射频信号源天线数，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
表示射频信号源的没一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；反向散射设备将负载阻抗切换至匹配状态，没有信号被反向散射，信道估计方式包含现有任何方法；
[0109]
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；反向散射设备的功率反射系数配置为接收机已知的常数；
[0110]
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；
[0111]
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；
[0112]
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；
[0113]
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；
[0114]
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。
[0115]
共生无线电是基于主信号周期t
s
与反向散射信号周期t
c
之间的关系，即t
c
＝nt
s
，其中n为整数，且n＞＞1，如附图2所示；
[0116]
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：
[0117]
步骤5
‑
1：构建单天线接收机接收模型；
[0118]
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：
[0119][0120]
式中：p为发射功率，h表示矩阵转置，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，c为反向散射设备发出的信号，z(n)为高斯白噪声；
[0121]
将式(1)中的第二个信号项视为主信号s(n)通过缓慢变化的通道的输出，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：
[0122][0123]
由于单天线接收机没有关于反向散射设备信号c的先验知识，使得部分相干信道参数(csi)未知，因此需要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：
[0124][0125]
其中，为对给定c进行非相干解调的解调速率，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，方差为σ2；这种近似可以用信道训练来解释，其中pt发送有限数量的训练符号来估计信道，并且由于n较大，在每个反向散射设备符号周期中忽略了训练误差。
[0126]
因此，主信号平均主速率为：
[0127][0128]
其中，表示对于给定c的统计期望；
[0129]
主信号概率密度函数为：
[0130][0131]
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：
[0132][0133]
其中，其中，m为贝塞尔参数，γ(.)为伽马函数；
[0134]
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：
[0135][0136]
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：
[0137][0138]
其中，e为自然指数，指数积分；
[0139]
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：
[0140][0141]
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；
[0142]
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：
[0143][0144]
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：
[0145][0146]
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：
[0147]
e＝η(1
‑
α)p||s(n)||2[0148]
其中，η∈[0,1]表示能量收集效率；
[0149]
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，反向散射设备收集的能量如下：
[0150][0151]
步骤5
‑
2：通过解决加权和速率最大化问题和传输功率最小化问题获得射频信号源的资源分配方式；
[0152]
步骤5
‑2‑
1：加权和速率最大化问题wsrm；
[0153]
通过优化发射波束赋形向量w来最大化主速率和反向散射速率的加权和。
[0154]
p1:
[0155][0156]
s.t.||w||2＝1
ꢀꢀꢀ
(12b)
[0157]
e≥e
min
ꢀꢀꢀ
(12c)
[0158]
由于目标函数(12a)相对于w是非凸的并且还具有期望运算，因此很难获得p1最佳解。
[0159]
步骤5
‑2‑
2：传输功率最小化问题tpm；
[0160]
通过共同优化发射波束成形矢量w和发射功率p来在给定的主速率和反向散射速率要求下最小化射频信号源的发射功率。
[0161]
p2：
[0162][0163]
[0164][0165]
||w||2＝1
ꢀꢀꢀ
(13d)
[0166]
e≥e
min
ꢀꢀꢀ
(13e)
[0167]
其中，和分别是主系统和反向散射设备的速率要求，e
min
表示最小能量需求；
[0168]
式(13b)不能转换为问题p2中的snr约束，因为很难从snr方面获得针对主速率的封闭形式表达式。另外，因为约束(13b)和(13c)对于w是非凸的，所以p2也很难以其当前形式求解。
[0169]
步骤5
‑
3：对于wsrm问题，采用具有半正定psd矩阵变量的等效化问题，期望运算通过蒙特卡洛方法实现；
[0170]
令w＝pww
h
，则p1重新转化为以下等效问题：
[0171]
p1
‑
psd:
[0172][0173]
s.t.tr(w)＝p
ꢀꢀꢀ
(14b)
[0174]
rank(w)＝1
ꢀꢀꢀ
(14c)
[0175]
e≥e
min
ꢀꢀꢀ
(14d)
[0176]
由于对数的期望运算保留了(14a)中的凹度，因此(p1
‑
psd)中的目标函数是凹函数。因此，(p1
‑
psd)是一个凸优化问题，可以通过最优化有效解决。
[0177]
对于tpm问题，p2转化为以下等效问题：
[0178]
p2
‑
psd:
[0179][0180][0181][0182]
rank(w)＝1
ꢀꢀꢀ
(15d)
[0183]
e≥e
min
ꢀꢀꢀ
(15e)
[0184]
在仿真中，通过蒙特卡洛方法来实现(15b)中的期望运算。在求解了p2
‑
psd的最优化解之后，获得大致近似的波束赋形解w
*
和(p2)的发射功率p
*
。
[0185]
步骤5
‑
4：通过凸优化方法计算得到优化问题p1
‑
psd的最优解w
*
，求解wsrm问题；
[0186]
步骤5
‑4‑
1：已知发射功率p，最小能量需求e
min
，信道相关系数h1,h2,g；设置一个整数d；
[0187]
步骤5
‑4‑
2：对w
*
进行奇异值分解svd，即w
*
＝uσu
h
，u＝[u1,...,u
m
]；
[0188]
步骤5
‑4‑
3：如果rank(w
*
)＝1，w
*
＝u1；
[0189]
步骤5
‑4‑
4：否则d＝1,...,d，生成随机向量θ
i
服
从均匀分布u(0,2π)；
[0190]
步骤5
‑4‑
5：最优解
[0191]
步骤5
‑
5：通过凸优化方法计算p2
‑
psd最优解w
*
，求解tpm问题。
[0192]
步骤5
‑5‑
1：最小能量需求e
min
，信道相关系数h1,h2,g，设置一个较大的整数d；
[0193]
步骤5
‑5‑
2：对w
*
进行奇异值分解(svd)，即w
*
＝uσu
h
，u＝[u1,...,u
m
]；
[0194]
步骤5
‑5‑
3：令p＝tr(σ)；
[0195]
步骤5
‑5‑
4：如果rank(w
*
)＝1，p
*
＝p，w
*
＝u1；
[0196]
步骤5
‑5‑
5：否则，d＝1,...,d，生成随机向量θ
i
服从均匀分布u(0,2π)；
[0197]
步骤5
‑5‑
6：p
*
＝p，w
*
＝w
d
。
[0198]
图3展示了在环境反向散射通信中，反向散射路径可以增加主速率随着信噪比的增加，反向散射速率与主速率同时增加。图4展示了反向散射速率要求对主速率的影响，随着反向散射速率的增加，曲线开始保持不变，然后逐渐升高最终彼此重合。