基于MPSK载波的反向散射通信系统接收机设计方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于mpsk(相移键控)载波的反向散射通信系统接收机设计方法。

背景技术：

环境反向散射通信技术的提出，解决了传统的反向散射通信系统，如射频识别(rfid)系统的高消耗、低能效问题。该技术利用周围环境中的射频信号作为载波发送给标签，标签接收到的信号一部分用于能量收集来满足标签电路的正常工作，另一部分用于反向散射，将标签的信息加载到载波上传输给阅读器。这种方式既解决了能耗问题，又不影响现有通信系统。已有信号检测算法可以分为两大类：基于能量检测和基于似然比检测。前者算法复杂度低，但是由于只利用了接收信号的幅度信息，误码率性能相应较差；后者误码率性能优良，但求接收信号概率分布的似然比时求了一个标签周期内的环境信号的联合概率分布，算法复杂度较高。

技术实现要素：

为了在接收机复杂度和误码率性能之间寻找平衡点，本发明提出了一种利用周围环境中的mpsk射频信号的信道估计算法，该算法可以消除估计信道的相位模糊性，并基于估计所得信道，提出低复杂度的接收机设计方法。由于在现有无线通信系统，如无线局域网(wlan)和卫星通信(sc)等，广泛使用mpsk调制方式，本发明利用了此类信号，来实现环境反向散射通信。

本发明从信道估计的角度建立了环境反向散射通信系统的接收机设计流程，利用了标签信号的两种假设下，对应的信道不同，如图4所示，将检测信号转变为检测信道，直接利用估计所得信号进行判决，降低了接收机复杂度。根据无线通信系统的协议，图1示出了环境信号的包结构，标签信号的周期是环境信号周期的l倍，每个环境信号包中，前lp个信号为导频，后ld个信号为数据信号。本发明利用一个标签信号周期内的l个环境信号做信道估计，以精确地估计出标签信号所对应的信道。图3示出了本发明环境反向散射通信系统的系统模型，发送端和标签均配备一根天线，阅读器配备k根天线，第n个标签信号周期对应的l个接收信号时隙中，第l个时隙第k根天线上的接收信号可以表达成：

fork＝1,...,kl＝1,...,l。

其中，标签信号c(n)作为基带调制信号，α表示信号c(n)的反射系数，ps代表环境信号的功率，s(n,l)表示与标签信号c(n)对应的第l个环境信号，hk表示发送端到阅读器第k根天线的低通信道冲激响应，fk表示标签到阅读器第k根天线的低通信道冲激响应，g表示发送端到标签的低通信道冲激响应，uk(n,l)指的是阅读器端的噪声。

将接收信号表示成向量形式，如下：

h0＝hh1＝h+αgf

由上述公式可得，标签信号发送0或者1的区别在于信道的不同，观察图1可得，标签在发送信息之前发送了两个导频c(0)＝0及c(1)＝1，用作标记两种信道：h0和h1。本发明利用了此特点，将标签信号对应的估计信道与已标记的两种信道做比较，选择更相似的信道所对应的标签符号作为判决结果。判决准则如下：

本发明提出的距离接收机的设计优点在于，在降低接收机复杂度的同时，设计信道估计算法提升接收机性能。

本发明还提出了对于mpsk环境信号的专属信道相位估计算法，可以消除信道相位模糊，提高估计精确度。而且，该算法同时利用了环境信号的导频部分和数据部分进行信道估计，得到的估计信道更准确。该信道相位估计算法同时适用于单天线和多天线接收的系统，大大降低了操作复杂度。

本发明基于距离接收机，提出了一种反馈式距离接收机，在每一次判决后更新参考信道，以提升参考信道的准确度，从而提升检测性能。

本发明还基于距离接收机提出了一种迭代式距离接收机，在判决完n个标签信号后，按照0或1将对应的接收信号分为两个信号集，基于两个信号集内所有元素估计出参考信道，再利用距离接收机进行标签信号判决。重复进行判决——估计——再判决的过程，直至估计信道收敛。

本发明的有益效果为，在不影响接收机误码率性能的前提下，降低了基于mpsk载波的环境反向散射通信系统的接收机复杂度；放松了接收机完美已知信道和噪声方差的条件；使得该接收机更具有实用性，助力物联网系统的发展。

附图说明

图1示出了环境信号和标签信号的包结构框图；

图2示出了本发明环境反向散射通信系统的系统框图；

图3示出了本发明环境反向散射通信系统的系统模型；

图4示出了本发明的信道与信号转换图；

图5示出了本发明环境反向散射通信系统的接收机操作框图；

图6示出了本发明提出的接收机设计方案和传统能量检测以及似然比检测方案的误码率对比。

具体实施方式

下面结合附图和仿真示例对本发明进行详细描述，以便本领域的技术人员能够更好地理解本发明。

图2表示了本发明的系统框图，在此系统中有两个共存的通信系统：传统的mpsk系统，由射频源(比如卫星通信信号、蓝牙、紫蜂等)、专用接收机(如手机终端)组成；环境反向散射通信系统，由射频源、供电的标签和配备有k(k≥1)根天线的阅读器组成。本发明关注环境反向散射通信系统，在该系统中，标签将自身信息加载在来自于射频源的mpsk信号上，传送到阅读器。标签的反向散射天线连接着负载阻抗的开关和射频能量收集模块，标签通过切换天线阻抗的开关进而改变反射信号的幅度和/或相位以调制接收到的mpsk载波，射频能量收集模块收集来自于环境中的mpsk信号的能量。

图3表示了本发明的系统模型，其中hk表示发送端到阅读器第k根天线的低通信道冲激响应，fk表示标签到阅读器第k根天线的低通信道冲激响应，g表示发送端到标签的低通信道冲激响应。

标签端收到的低通信号为：

其中s(n,l)是指单位功率的低通mpsk信号，ps是平均传输功率。

阅读器第k根天线，k＝1,2,…,k接收到的信号为：

yk(n,l)＝yd,k(n,l)+yb,k(n,l)+uk(n,l)(5)

其中，是来自射频源的直接链路信号，yb,k(n,l)＝αgfkx(n)c(n)是从标签端反射到阅读器的反向散射信号，uk(n,l)是功率为σ²的基带加性高斯白噪声，即假定噪声独立于直接链路信号和反向散射信号。由于在实际中标签和阅读器的距离很短，本发明假定每个信道fk有一个单独的路径且为一个常数。

用向量表示接收机所有天线收到的信号：

若标签信号的调制模式为ook，则基于两种假设，接收向量可表示为：

观察可知，两种假设的区别在于环境信号前的信道的不同：两者的区别在于是否加上了反射链路的影响，但是由于反射系数较小，在低信噪比时，两者的差别并不大。所以无论是基于似然比的接收机还是基于能量检测的接收机在低信噪比时的性能都较差。本发明从降低接收机复杂度的角度出发，用估计所得信道来区分标签信号的两种假设。如图4所示，本发明将环境信号看作信道，将两种不同的信道h0和h1看作发送机发送的信号，信号经过信道受到噪声的影响，接收机收到信号已不是准确的h0或h1，通过比较信道之间的距离做出标签信号判决。

在现实应用中不可能得到准确的信道信息，所以根据图1可发现，本发明设定，在标签信号发送数据之前，先发送两个导频信号：c(0)＝0，c(1)＝1，这两个标签信号所对应的估计信道作为参考信道，即和在第n个标签符号周期内，估计所得信道为将其视为接收端收到的信号，通过比较接收信号与发送信号之间的相似性做出判决。判决规则为公式三所示的距离检测：

针对此规则，本发明设计了对环境mpsk信号的信道估计算法。信道估计分为两部分：信道相位估计和信道幅度估计。

信道相位估计利用了环境信号的包结构以及mpsk信号的相位特性。以c(0)＝0作为示例，本发明提出的信道估计算法是两部分估计信道的加权和：

是基于前lp个导频所得，由一个包内剩余的ld个数据符号得到。

由图1的环境信号包结构可知，接收机知道前lp个导频符号的确切信息，

y(0,l)＝h0s(0,l)+u(0,l),l＝1,2,...,lp(9)

已知环境信号也就已知环境信号的相位，故可将环境信号的影响消除：

这项可近似看作第l个环境符号周期对应的信道，本发明将其在lp个符号周期上做平均以消除噪声的影响。

在信息符号部分，接收信号表示为：

y(0,l)＝h0s(0,l)+u(0,l),l＝lp+1,...,lp+ld(13)

估计信道时，本发明采用维特比-维特比算法或m倍载波相位估计器。考虑在第一个标签符号周期内，第k根接收天线收到的信号：

yk(0,l)＝h0,kexp(j2πm/m)+uk(0,l)(14)

h0＝[h0,k]，周围环境mpsk信号取exp(j2πm/m),m＝1,2,...,m中的一个值，根据复数由幅度和相位组成，本发明将(14)表示如下：

yk(0,l)＝|yk(0,l)|exp[j(∠h0,k+2πm/m+εk(0,l))](15)

εk(0,l)是噪声uk(0,l)的相位。本发明采用维特比-维特比算法对(15)求m次幂，得到：

[yk(0,l)]^m＝|yk(0,l)|^mexp[j(m∠h0,k+mεk(0,l))](16)

因为环境信号相位的m次幂为2πm，exp(2πm)＝1,m＝1,...,m，所以环境信号对相位的影响可以消除。然后，本发明取(16)的相位并除以m，即

为信道的相位估计值，i∈{0,1,...,m-1}。m倍载波相位估计器会引入相位模糊，其会影响信道估计的准确度，本发明利用环境信号的包结构将相位模糊消除。首先，为了消除噪声的影响，相位估计器在数据符号部分做平均，得到信道相位估计值：

该相位值带有相位模糊，需要利用lp个导频符号估计所得信道来矫正模糊性，矫正方法如下：选取的m个可能值中距离最近的值作为数据部分估计所得信道相位。

最终，基于数据部分估计所得信道为

是基于环境数据信号估计所得的信道幅度。本发明设计了三种信道幅度估计算法：

(1)接收信号幅度均值法

(2)二阶矩估计法

(3)基于环境信号的幅度估计算法

对于每个环境信号l和接收天线k，本发明构造了接收信号的旋转变量：

对所有可能取值m'∈{1,2,...,m}而言，定义指数i为

信道幅度的估计值为：

上述部分完成了标签信号c(0)＝0对应的信道估计过程，根据(8)得到

对于c(1)＝1，运用同样的估计过程得到对应的估计信道在接下来的所有标签信号时隙c(n)，本发明运用同一估计过程得到

在得到估计信道之后，运用距离检测接收机(7)判决出标签信号：

许多无线接收机只用导频信号来估计信道，若要得到精确的估计结果，导频信号的数目需要增加，这会影响环境信号的数据传输效率。为了同时保证估计准确度和数据传输效率，本发明提出了同时利用导频信号和数据信号来估计信道的方法。

本发明还提出了一种基于判决反馈的距离接收机，其根据判决信号动态更新参考信道。如开始时参考信道是和若判决出c(2)为0，更新若c(2)＝1，更新并作为c(3)判决的参考信道。每一次判决都更新一次参考信道，这样判决结果会更加准确。

同时，本发明也提出了一种基于迭代估计的距离接收机，在检测完n个标签信号后，得到估计信号：定义

与a0和a1对应的接收信号可分为两个接收信号集合，利用信号集内所有元素估计出参考信道和再进行一次标签信号判决。重复该判决——估计——再判决过程，直至估计信道收敛。

下面通过仿真结果来验证本发明设计的收发信机的性能。假定环境信号为qpsk信号，标签信号为ook，并且假定载波发送机到接收机以及标签的信道为独立的瑞利衰落信道，接收机天线数为4，反射链路比直接链路的信噪比差20db。

图6示出了本发明提出的距离检测器和传统能量检测器，以及似然比检测器的性能比较，其为直接链路平均snr和误码率的关系。其中，环境信号一个包长度为50，导频信号长度为10，接收机配置4根天线，反射链路和直接链路信噪比差值为30db。误码率为10^-3时，本发明提出的距离检测器与完美已知信道的最佳检测器差4db，能量检测与本发明检测器差3.5db。基于反馈判决的距离检测器性能较距离检测器提升了0.8db。基于迭代的距离检测器性能较距离检测器提升了2db。