一种多背向散射标签同时通信并定位的方法、装置和系统

1.本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种多背向散射标签同时通信并定位的方法、装置和系统。


背景技术：

2.近年来，背向散射通信技术蓬勃发展，被认为是实现万物互联的关键技术之一。背向散射标签通过反射环境中的无线信号实现通信，如lte信号、tv信号、wi
‑
fi信号和ble信号等。相比传统主动通信设备，背向散射标签不需要昂贵、耗电的射频模拟器件，包括晶振、射频振荡器、去耦电容等，具有不需要电池、体积小、造价低廉等优势，很适合嵌入在钥匙、钱包、药瓶等物体中实现万物互联。实现对背向散射的高精度定位有许多应用场景，比如将背向散射嵌入在药瓶中，当病人需要吃药时提醒他药瓶在哪；在钥匙上嵌入背向散射标签，当出门忘带钥匙时提醒钥匙在哪。然而，现有的技术将定位和通信作为两个独立问题研究，无法同时实现定位与通信，并且现有的背向散射通信与定位技术也存在各自的问题。
3.首先，现有的背向散射通信技术支持并行解码存在最大数量有限、需要特制设备的支持、需要多次重传、需要高信噪比等单个或多个限制。其次，现有的背向散射定位技术存在需要多个无线接入点，并且需要事先收集每个无线接入点准确的位置、朝向等信息；需要支持超宽带的特制设备，并且需要收发端集成在一个设备上，只能定位一个背向散射标签。
4.由此可见，现有技术存在无法支持大规模并行解码，无法单接入点定位，无法同时定位多个背向散射标签与通信和定位无法共存等技术问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多背向散射标签同时通信并定位的方法、装置和系统，其目的在于解决现有技术存在的需要多个已知位置、已知朝向的接入点、通信与定位无法共存的技术问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多背向散射标签同时通信并定位的方法，包括：
7.s1：利用多天线设备1发射无线信号经至少一个背向散射标签反射并传输至多天线设备2；
8.s2：解析所述多天线设备2接收到的所述无线信号从中获取背向散射反射信号与直射路径信号对应的高维特征参数；
9.其中，所述高维特征参数标识所述背向散射反射信号和所述直射路径信号各自对应的传播路径的角度和长度；所述背向散射反射信号表示从多天线设备1出射只经所述背向散射标签反射未经环境反射和/或散射影响的信号，所述直射路径信号表示从多天线设备1出射未经环境影响直接传播到所述多天线设备2的信号；
10.s3：根据所述背向散射反射信号对应的高维特征参数同时解码各个所述背向散射
标签对应的传输数据；
11.s4：利用各个所述背向散射标签对应的传输数据与所述直射路径信号对应的高维特征参数计算各个所述背向散射标签和所述多天线设备2相对于所述多天线设备1的位置信息。
12.在其中一个实施例中，所述步骤s1包括：利用所述多天线设备1发射无线信号至所述背向散射标签，以使所述背向散射标签将标签数据调制至所述无线信号中并反射传输至所述多天线设备2；
13.其中，所述标签数据包括身份编码和待传递数据，所述身份编码用于标识各个所述背向散射标签的身份信息。
14.在其中一个实施例中，所述多天线设备2接收到的无线信号，包括：
15.从所述多天线设备1直接传输至所述多天线设备2的无线信号；和，
16.从所述多天线设备1发射经过环境反射、散射后传输至所述多天线设备2的无线信号；和，
17.从所述多天线设备1发射经过所述多背向散射标签反射后传输至所述多天线设备2的信号；和，
18.从所述多天线设备1发射经过所述多背向散射标签反射、环境反射和散射后，传输至所述多天线设备2的无线信号。
19.在其中一个实施例中，所述步骤s2包括：
20.解析所述多天线设备2接收到的所述无线信号从中获取表示无线信道对无线信号幅值、相位的影响的信道状态信息；
21.根据所述信道状态信息计算所述背向散射反射信号与所述直射路径信号对应的高维特征参数。
22.在其中一个实施例中，所述步骤s2还包括：
23.基于时域上高维特征参数的分布，过滤与环境反射影响和折射影响有关的信号对应的传播路径，分离所述背向散射反射信号与所述直射路径信号各自对应的高维特征参数。
24.在其中一个实施例中，所述与环境反射影响和折射影响有关的信号，包括：
25.从多天线设备1发射经环境反射影响和散射影响由多天线设备2接收的无线信号；和，
26.从多天线设备1发射，经环境反射、散射等影响和背向散射反射，由多天线设备2接收的无线信号。
27.在其中一个实施例中，所述无线信号包括广播信号和数据信号；
28.其中，所述广播信号包括所述多天线设备1和所述多天线设备2建立连接之前的历史广播信号，所述数据信号包括所述多天线设备1和所述多天线设备2建立连接以后的传输数据信号。
29.在其中一个实施例中，所述步骤s4包括：
30.提取所述背向散射反射信号的高维特征参数的时域变化规律并解码背向散射标签的标签数据，所述标签数据包括身份编码与待传递数据，所述时域变化规律表示连续时间段内的信道状态信息对应的高维特征参数变化规律；
31.根据所述直射路径信号的高维特征参数中的角度信息获取多天线设备1相对于多天线设备2的方向信息；
32.根据所述多天线设备1相对于多天线设备2的方向信息、所述背向散射反射信号的高维特征参数和直射路径信号的信号传播时间参数估计每个背向散射标签的位置和多天线设备1相对于多天线设备2的位置；
33.根据所述背向散射身份信息将所述背向散射标签的位置和相应的背向散射标签对应；
34.根据所述多天线设备1的身份信息将所述多天线设备1相对于多天线设备2的信息和相应的设备信息对应。
35.按照本发明的另一方面，提供了一种多背向散射标签同时通信并定位的装置，包括：
36.发射模块，用于利用多天线设备1发射无线信号经至少一个背向散射标签反射并传输至多天线设备2；
37.解析模块，用于解析所述多天线设备2接收到的所述无线信号从中获取背向散射反射信号与直射路径信号对应的高维特征参数；
38.其中，所述高维特征参数标识所述背向散射反射信号和所述直射路径信号各自对应的传播路径的角度和长度；所述背向散射反射信号表示从多天线设备1出射只经所述背向散射标签反射未经环境反射和/或散射影响的信号，所述直射路径信号表示从多天线设备1出射未经环境影响直接传播到所述多天线设备2的信号；
39.解码模块，用于根据所述背向散射反射信号对应的高维特征参数同时解码各个所述背向散射标签对应的传输数据；
40.定位模块，用于利用各个所述背向散射标签对应的传输数据与所述直射路径信号对应的高维特征参数计算各个所述背向散射标签和所述多天线设备2相对于所述多天线设备1的位置信息。
41.按照本发明的另一方面，提供了一种多背向散射标签同时通信并定位的系统，包括存储器及处理器，所述存储器中储存有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的多背向散射标签同时通信并定位的方法的步骤。
42.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
43.本发明提供了一种多背向散射标签的同时定位与通信方法，在只有一个无线接收端的情况下，可以实现多个背向散射标签的同时定位与通信。同时，本发明所提的方法也可以用于定位无线发射端和无线接收端之间的相对位置，并且本发明所提的方法可以将估计得到的位置信息与相应的设备身份信息关联。
附图说明
44.图1为本发明一实施例中多背向散射标签的同时定位与通信方法的流程图；
45.图2为本发明一实施例中无线信号从多天线设备1到多天线设备2的示意图；
46.图3为本发明一实施例中同时定位多个背向散射标签的原理图。
具体实施方式
47.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
48.背向散射标签可以嵌入在钱包、钥匙、药瓶等物品上面实现万物互联。然而在小型室内环境中，比如家中、小型办公室等，一般只有一个无线接入点，所以在此提出多背向散射同时通信与定位方法，只利用一个无线接入点就可以实现多个背向散射标签同时解码和定位，并且本发明可以同时定位出无线发射端的位置。
49.基于此场景，本发明提出了一种多背向散射标签同时通信并定位的方法，如图1所述，所述方法包括：
50.s1：利用多天线设备1发射无线信号经至少一个背向散射标签反射并传输至多天线设备2；
51.s2：解析多天线设备2接收到的无线信号从中获取背向散射反射信号与直射路径信号对应的高维特征参数；
52.其中，高维特征参数标识背向散射反射信号和直射路径信号各自对应的传播路径的角度和长度；背向散射反射信号表示从多天线设备1出射只经背向散射标签反射未经环境反射和/或散射影响的信号，直射路径信号表示从多天线设备1出射未经环境影响直接传播到多天线设备2的信号；
53.s3：根据背向散射反射信号对应的高维特征参数同时解码各个背向散射标签对应的传输数据；
54.s4：利用各个背向散射标签对应的传输数据与直射路径信号对应的高维特征参数计算各个背向散射标签和多天线设备2相对于多天线设备1的位置信息。
55.具体的，如图2所示，接收到的多天线设备2接收到的无线信号包括以下几个部分：1)直接从多天线设备1传播到多天线设备2的信号；2)从多天线设备1经过环境中反射、折射影响再到多天线设备2的信号；3)从多天线设备1经过背向散射标签反射再到多天线设备2的信号；4)从多天线设备1经过背向散射标签反射和环境散射、反射影响再到多天线设备2的信号。首先，需要分离出1)和3)对应的信号传播路径的高维特征参数，高维特征参数包括信号到达角，信号发射角和信号飞行时间。
56.在一个实施例中，分别利用接收端多天线之间的信号相位差，发射端多天线之间的信号相位差和多载波信号每个载波上的信号相位差求解信号到达角，信号发射角和信号飞行时间。接收端多天线之间的信号相位差可以表示为：
[0057][0058]
其中，f
n
表示接受信号频率，d
rx
表示接收端相邻天线之间的距离，θ
k
表示信号到达角，c表示光速。相同的发射端多天线之间的信号相位差可以表示为：
[0059][0060]
其中，d
tx
表示发射端相邻天线之间的距离，表示信号发射角。除此之外，由于多载波信号每个载波上的波长不同，导致在相同传播距离的情况下不同载波上的信号有相位
差，表示为：
[0061][0062]
其中，δf表示相邻子载波间的频率差，τ
k
表示信号传播时间。根据三种相位差，利用music算法把所有路径的信号分离出来，并计算出相应路径对应的信号到达角，信号发射角和信号飞行时间。
[0063]
在一个实施例中，需要过滤与环境反射、折射等影响有关的信号传播路径，分离背向散射反射信号与直射路径信号的高维特征参数。首先，通过k
‑
means聚类算法将一段固定时间内，多个数据包对应的信道状态信息分别估计得到的信号到达角，信号发射角和信号飞行时间进行聚类，由于传统的室内环境下一般只存在3到5条反射路径，将聚类算法中的聚类数量设置为n+4，其中n表示背向散射标签的数量。然后建立了概率模型来判断哪些路径是与环境反射、折射等影响无关的。该概率模型可以表示为：
[0064][0065]
其中，和分别表示每个聚类里信号传播时间，信号到达角和信号飞行时间的统计学方差，表示每个聚类里点的数量，ω是一个常系数由于消除不同单位下的尺度差异。选取概率最高的聚类作为信号直射路径的参数估计，选取其次的n个概率最高的聚类最为所有背向散射标签反射路径对应的参数估计。
[0066]
在一个实施例中，步骤s2包括：解析多天线设备2接收到的无线信号从中获取表示无线信道对无线信号幅值、相位的影响的信道状态信息；根据信道状态信息计算背向散射反射信号与直射路径信号对应的高维特征参数。
[0067]
在一个实施例中，步骤s2还包括：基于时域上高维特征参数的分布，过滤与环境反射影响和折射影响有关的信号对应的传播路径，分离背向散射反射信号与直射路径信号各自对应的高维特征参数。
[0068]
具体的，利用背向散射标签反射路径对应的参数估计解码所有背向散射标签的信号。背向散射标签通过调节反射信号的模式将比特1和比特0调制到入射的载波信号上。具体而言，当背向散射标签调制比特1时，背向散射标签反射无线信号，该时刻数据包对应的信道状态信息估计得到的高维特征参数中包括了背向散射对应的信号路径的参数估计；当背向散射标签调制比特0时，背向散射标签吸收无线信号，该时刻数据包对应的信道状态信息估计得到的高维特征参数中不存在背向散射对应的信号路径的参数估计。基于此，可以利用背向散射对应的信号传播路径的高维特征参数的时域特征解码所有背向散射的信号。
[0069]
另外，首先建立一个解码矩阵，这个解码矩阵的每一行代表背向散射标签的数量，每一列表示固定时间长度内的所有数据包的数量，也就是高维特征参数的估计次数。接下来，提取出第i个聚类里面的所有参数估计对应的数据包的索引记为index
i
，然后把解码矩阵中第i行中属于index
i
的置1，其他的置0。最后根据解码矩阵就可以把所有背向散射对应的数据都解码出来。其中解码得到的数据中包含了背向散射标签的身份信息和所需传递的信息，根据解码后的背向散射身份信息，将高维特征参数估计与其对应的背向散射标签关联，这样做可以使最后的定位结果和相应的背向散射标签关联。
[0070]
在一个实施例中，无线信号包括广播信号和数据信号；其中，广播信号包括多天线
设备1和多天线设备2建立连接之前的历史广播信号，数据信号包括多天线设备1和多天线设备2建立连接以后的传输数据信号。
[0071]
在一个实施例中，与环境反射影响和折射影响有关的信号，包括：从多天线设备1发射经环境反射影响和散射影响由多天线设备2接收的无线信号；和，从多天线设备1发射，经环境反射、散射等影响和背向散射反射，由多天线设备2接收的无线信号。
[0072]
在一个实施例中，步骤s4包括：提取背向散射反射信号的高维特征参数的时域变化规律并解码背向散射标签的标签数据，标签数据包括身份编码与待传递数据，时域变化规律表示连续时间段内的信道状态信息对应的高维特征参数变化规律；根据直射路径信号的高维特征参数中的角度信息获取多天线设备1相对于多天线设备2的方向信息；根据多天线设备1相对于多天线设备2的方向信息、背向散射反射信号的高维特征参数和直射路径信号的信号传播时间参数估计每个背向散射标签的位置和多天线设备1相对于多天线设备2的位置；根据背向散射身份信息将背向散射标签的位置和相应的背向散射标签对应；根据多天线设备1的身份信息将多天线设备1相对于多天线设备2的信息和相应的设备信息对应。
[0073]
具体的，利用估计得到的高维特征参数实现同时定位多个背向散射标签和定位无线发射端相对于无线接收端的位置。如图3所示，首先介绍背向散射标签的位置和收发端的相对位置与高维特征参数之间的关系。把无线接收端，无线发射端和第m个背向散射标签的位置分别记为(0，0)，(x
tx
，y
tx
)，(x
m
，y
m
)。把直射路径的信号发射角，信号到达角和信号飞行时间分别记为θ
tx
，τ
tx
。把背向散射对应的传播路径的信号发射角，信号到达角和信号飞行时间记为θ
m
、τ
m
。可以得到以下关系：
[0074]
aoa：
[0075]
aod：
[0076]
tof：
[0077]
其中，α表示无线发射端相对于无线接收端的角度信息，表示为其中，α表示无线发射端相对于无线接收端的角度信息，表示为l
d
分别表示路径的长度，几者之间的关系表示为l
d
＝||x
tx
，y
tx
||2。值得注意的是，利用相对信号飞行时间来计算，因为由于收发端不同步存在时间偏差，这个时间偏差在所有路径上是相等的。
[0078]
基于以上关系，可以同时计算背向散射标签的位置和无线发射端的位置，也就是求解l
m
＝[(x
tx
，y
tx
)，(x
m
，y
m
)]。通过求解以下的优化方程求解l：
[0079][0080]
其中，
[0081][0082]
以上解释同时定位无线发射端与单个背向散射标签的位置。可以通过求解以下优化方程求解多个背向散射标签的位置：
[0083][0084]
按照本发明的另一方面，提供了一种多背向散射标签同时通信并定位的装置，包括：
[0085]
发射模块，用于利用多天线设备1发射无线信号经至少一个背向散射标签反射并传输至多天线设备2；
[0086]
解析模块，用于解析多天线设备2接收到的无线信号从中获取背向散射反射信号与直射路径信号对应的高维特征参数；
[0087]
其中，高维特征参数标识背向散射反射信号和直射路径信号各自对应的传播路径的角度和长度；背向散射反射信号表示从多天线设备1出射只经背向散射标签反射未经环境反射和/或散射影响的信号，直射路径信号表示从多天线设备1出射未经环境影响直接传播到多天线设备2的信号；
[0088]
解码模块，用于根据背向散射反射信号对应的高维特征参数同时解码各个背向散射标签对应的传输数据；
[0089]
定位模块，用于利用各个背向散射标签对应的传输数据与直射路径信号对应的高维特征参数计算各个背向散射标签和多天线设备2相对于多天线设备1的位置信息。
[0090]
按照本发明的另一方面，提供了一种多背向散射标签同时通信并定位的系统，包括存储器及处理器，存储器中储存有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行的多背向散射标签同时通信并定位的方法的步骤。
[0091]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。