高速OFDM子载波环境反向散射通信方法及系统

高速ofdm子载波环境反向散射通信方法及系统
技术领域
1.本发明涉及高速ofdm子载波环境反向散射通信方法及系统，属于无线通信领域。


背景技术：

2.环境反向散射通信系统包括射频信号源、标签和接收机三个部分。其中，射频信号源通常为wi-fi节点、lte基站等商用信号源，会产生信号与其他商用设备进行通信；标签为具有低功耗和低成本两大特性的硬件系统，通过调制并反射射频信号源产生的信号传输自己的信息；接收机则通过接收并解调来自标签反射的射频信号获取标签信息。由于这样的通信过程利用环境中已有的信号而不需要额外产生信号，环境反向散射通信系统具有低功耗、低成本和高频谱利用率三大优点。
3.这一通信过程利用的是来自商用信号源的环境射频信号，因此标签信息的调制方式需要基于商用信号的物理层调制方式进行针对性设计。由于正交频分复用(ofdm)传输体制被如wi-fi、lte、nb-iot等多种商用协议广泛采用，针对ofdm传输体制设计反向散射通信方法及系统被众多学者所关注，本发明也针对这方面进行了设计。传统的ofdm反向散射通信方法通过调制ofdm符号的相位进行信息的传输。采用这种方式，标签无法对ofdm符号不同子载波进行独立调制。因此，传统通信系统仅能实现符号级调制，具有传输速率较低的缺点，不适用于高速通信的场合。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提供高速ofdm子载波环境反向散射通信方法及系统方法及系统，利用环境ofdm信号频谱特征进行高速反向散射通信；发射端标签在反射环境ofdm信号的同时，通过子载波移位键控改变该信号的子载波排列方式，并利用不同的子载波排列方式表示不同的标签信息，实现标签信息的传输；接收端为具有双天线的接收机。该接收机采用相关解码，利用发射端标签建立的子载波排列方式与接收数据相关结果峰值位置的映射关系实现对发射端标签传输信息的解调，即实现高速ofdm子载波环境反向散射通信。本发明对于环境ofdm信号的最小调制单元为ofdm的子载波，所述子载波远小于传统ofdm反向散射通信系统的最小调制单元。因此，本发明相比传统通信系统具有高传输速率的优势，同时，还兼具通信系统结构简单、应用范围广、低功耗、低成本等优点。
5.本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
6.本发明公开的高速ofdm子载波环境反向散射通信方法及系统，发射端标签基于从环境或者上位机中获取的信息进行编码。编码完成后，当环境中存在能够用于传输的ofdm信号时，发射端标签在对环境ofdm信号反射的过程中通过子载波移位键控改变该信号的子载波排列方式，并利用不同的子载波排列方式表示不同的标签信息，实现标签信息的传输。接收端采用具有双天线的接收机分别接收并解调原ofdm信号和反射ofdm信号中携带的信息。解调完成后，接收端对解调出的信息进行相关运算后查找相关结果的峰值位置。由于发射端标签将信息映射为不同的子载波排列方式，该峰值位置即表征标签信息。接收端由此
实现对标签信息的解调，即实现高速ofdm子载波环境反向散射通信。
7.本发明公开的高速ofdm子载波环境反向散射通信方法，包括如下步骤：
8.步骤一、发射端标签基于环境ofdm信号中的子载波数目编码待传输信息。
9.步骤1.1、发射端标签从环境或上位机中获取待传输的信息，并对其进行编码。
10.步骤1.2、发射端标签基于环境ofdm信号中的子载波数目将编码后的信息映射为数值。
11.步骤1.2-1、标签预先确定环境ofdm信号的子载波位数n，并基于n对ofdm信号的子载波按照不大于log
2 n比特进行分组。
12.步骤1.2-2、标签计算分组后每组子载波信息的数值。
13.步骤二、发射端标签在对环境ofdm信号反射的过程中通过子载波移位键控改变该信号的子载波排列方式，并利用不同的子载波排列方式表示不同的标签信息，实现标签信息的传输。采用不同的子载波排列方式表示不同的标签信息的方式进行传输，将调制单元由ofdm符号缩小至ofdm子载波，大幅度提升标签信息的传输速率，满足高速率通信的应用要求。
14.步骤2.1、发射端标签捕捉到环境中存在用于传输的ofdm信号后，对该信号进行反射并开始进行标签信息的传输。
15.步骤2.2、发射端标签在反射环境ofdm信号的同时，进行子载波移位键控调制，以改变反射信号的子载波图案，将标签信息嵌入到反射信号上进行传输。
16.步骤2.2-1、发射端标签的第一反射天线反射环境ofdm信号并进行频移。令环境ofdm信号的带宽为λ，基带信号为y
ob
(t)，中心频率为fo。针对该信号，第一反射天线在反射的同时需要将其频移λ。为了对环境信号进行这样的频移，设置第一反射天线连接的第一反射开关的切换频率为f1＝λ。
17.令天线阻抗为za，开关在断开状态下对应的负载阻抗为z
l1
，闭合状态下对应的负载阻抗为z
l2
，则开关在断开状态下天线的反射系数γ1为：在闭合状态下天线的反射系数γ2为：其中，是za的共轭。因此，通过按照切换频率λ切换第一反射开关，第一反射天线的反射系数的变化将呈现出一个频率为λ的方波y
rf1
(t)。采用傅里叶级数展开，并考虑该方波的一次谐波得：
[0018][0019]
其中，f1＝λ为第一反射天线连接的第一反射开关的切换频率。
[0020]
因此，第一反射天线反射环境ofdm信号后，所产生的反射信号y
out1
(t)为：
[0021][0022]
其中，a1为第一反射天线的反射信号的能量强度。由y
out1
(t)可见，相比原始信号，反射信号进行了频率为λ的频移。
[0023]
步骤2.2-2、发射端标签的第二反射天线反射环境ofdm信号和第一反射天线产生的反射信号，并同时对这些信号进行频移。
[0024]
若环境ofdm信号子载波的带宽为ζ，标签需要传输的十进制数值为θ(t)，则第二反射天线需要进行θ(t)
×
ζ的频移。为此，与步骤2.2-1中的设置类似，设置第二反射天线连接的第二反射开关的切换频率为ζ
×
θ(t)。与第一反射天线类似，第二反射天线反射系数的变化将符合频率为ζ
×
θ(t)的方波y
rf2
(t)，对于该方波进行傅里叶分析并考虑其一次谐波得：
[0025][0026]
其中，f2＝θ(t)
×
ζ为第二反射开关的切换频率。
[0027]
因此，第二反射天线产生的反射信号y
out2
(t)为：
[0028][0029]
其中，a2为第二反射天线的反射信号的能量强度。
[0030]
由y
out2
(t)可见，第二反射天线在反射信号的同时，对其进行了f2和f1+f2的频移。令环境ofdm信号包含n个子载波，且令反射频带的带宽为λ，中心频点为fo+λ。通过频移f2，标签将原频带的ofdm符号的第n-θ(t)+1～n个子载波频移成了反射频带内的第1～θ(t)个子载波；通过频移f1+f2，标签将原频带的ofdm符号的第1～n-θ(t)个子载波频移成了反射频带内的第θ(t)+1～n个子载波。
[0031]
步骤2.2所述的子载波移位键控调制技术的最小调制单元为ofdm符号的子载波而非ofdm符号，因此采用不同的子载波排列方式表示不同的标签信息的方式进行传输，将调制单元由ofdm符号缩小至ofdm子载波，信息传输速率不再受ofdm符号速率的影响，具有高传输速率的优点，满足高速率通信的应用要求。
[0032]
步骤三、接收端利用双天线分别接收并解调原ofdm信号和反射ofdm信号中携带的信息；接收端对原ofdm信号携带的信息和反射ofdm信号携带的信息进行相关运算，并得到相关运算结果的峰值位置；由于发射端标签将信息映射为不同的子载波排列方式，该峰值位置即表征标签信息，实现对步骤一所述标签信息的解调，即实现高速ofdm子载波环境反向散射通信。由于环境信号和反射信号的噪声不具有相关性，所述相关解码方法具有更好的抗噪声性能，提高通信系统的抗噪声性能和鲁棒性。
[0033]
步骤3.1、接收端利用双天线分别接收并解调原ofdm信号和反射ofdm信号中携带的信息。
[0034]
步骤3.1-1设置接收端第一接收天线对应的中心频点fo，天线对应前端滤波器带宽为λ，以接收并解调环境ofdm信号。
[0035]
考虑无噪声无干扰的信道，同时，由于反射信号的强度远小于环境信号，忽略反射信号对环境信号的影响，该第一接收天线接收到的基带信号为y
ob1
(t)＝a
royob
(t)，其中a
ro
为直接传输链路的衰减系数。
[0036]
基于傅里叶变换，y
ob1
(t)的频谱y
ob1
(ω)为：
[0037][0038]
其中，τ＝1/ζ，di是原ofdm符号的n个子载波中第i个子载波所携带的信息。因此，环境ofdm信号所解调出的信息d
ob1
为
[0039]
步骤3.1-2设置接收端第二接收天线对应的中心频点fo+λ，带宽为λ，以接收并解调反射ofdm信号。
[0040]
从第二接收天线接收到的基带ofdm信号为：
[0041][0042]
其中，*指的是卷积运算，a
rb
为反射链路的衰减系数，f(t)为带宽是λ的第二接收天线连接的射频前端滤波器。
[0043]
通过傅里叶变换将y
ob2
(t)转换到频域，得其频谱y
ob2
(ω)为：
[0044][0045]
其中，因此，反射ofdm信号所携带的信息为：
[0046][0047]
其中，d1＝{d1,
…
,dn}和d3＝{d
θ(t)+1
,
…
,dn}为干扰信号；
为原ofdm符号的子载波循环移位的结果，其中携带步骤一中编码后的标签信息。
[0048]
步骤3.2、接收端对原ofdm信号携带的信息和反射ofdm信号携带的信息进行相关运算，并得到相关运算结果的峰值位置。由于发射端标签将信息映射为不同的子载波排列方式，该峰值位置即表征标签信息，实现对步骤一所述标签信息的解调，即实现高速ofdm子载波环境反向散射通信。
[0049]
通过将d
ob1
与d
ob2
进行相关，可得相关结果z(m)为
[0050][0051]
由于当d
ob1
与d
ob2
对齐时，|z(m)|将出现最大值，当m＝{0,-θ(t),θ(t)}时，相关结果将出现峰值。因此，通过定位相关结果中位于非原点的峰值，即获取标签对应的数值，完成对标签信息的解调。
[0052]
本发明还公开高速ofdm子载波环境反向散射通信系统，用于实现所述高速ofdm子载波环境反向散射通信方法。所述高速ofdm子载波环境反向散射通信系统，包括发射端标签、接收端。发射端标签包括环境信号检测模块、微处理器和传输状态控制模块。接收端为具有双天线的无线电平台。
[0053]
所述环境信号检测模块包括射频检波器和比较器，用于检测环境中是否存在可用于标签信息传输的ofdm信号。所述射频检波器捕获环境中的射频信号并输出信号的包络值，所述比较器通过比较该包络值与基于先验知识设定的检测门限的幅度差，判断环境中是否存在可用于传输的ofdm信号，并对应输出指示信号至微处理器。若环境中存在可用于传输的ofdm信号，则该指示信号为高电平；反之，该指示信号为低电平。
[0054]
所述微处理器为低功耗微处理器，用于实现步骤一基于环境ofdm信号中的子载波数目编码待传输信息，即用于从上位机中获取的待传输信息作为标签信息，将其编码，并计算其编码结果对应的数值。同时，微处理器基于环境信号检测模块输出的指示信号来输出控制信号，控制传输状态控制模块。当指示信号为高电平时，微处理输出的控制信号同样为高电平，用于控制传输状态控制模块进入“开始传输”状态；而当指示信号为低电平时，微处理器输出的控制信号同样为低电平，用于控制传输状态模块进入“停止传输”状态。
[0055]
所述传输状态控制模块为两个工作于ism波段的天线相应连接两个射频开关，用于在“开始传输”状态下，实现步骤二发射端标签在对环境ofdm信号反射的过程中通过子载波移位键控改变该信号的子载波排列方式，并利用不同的子载波排列方式表示不同的标签信息。该模块受来自微处理器的控制信号控制。当该模块进入“开始传输”状态时，该模块的第一和第二反射天线连接的第一和第二射频开关按照不同频率切换，以令天线的反射系数按照指定的频率进行改变。当该模块进入“停止传输”状态时，传输状态模块的第一和第二射频开关均处于闭合状态，不进行标签信息的传输。
[0056]
所述接收端为具有双天线的软件定义无线电平台接收并解调标签信息，用于实现步骤三相关解码，即实现对步骤一所述标签信息的解调，即实现高速ofdm子载波环境反向
散射通信方法及系统。设置该平台的第一接收天线的中心接收频点为环境激励信号的中心频点，用于接收并解调环境激励信号的ofdm符号携带的信息，该平台的第二接收天线的中心频点为环境激励信号的中心频点偏移ofdm信号的频带带宽，用于接收并解调反射信号的ofdm符号携带的信息。
[0057]
有益效果
[0058]
1、本发明公开的高速ofdm子载波环境反向散射通信方法及系统，利用环境ofdm信号频谱特征进行高速反向散射通信。发射端标签通过采用子载波移位键控将标签信息嵌入到环境ofdm信号中实现信息的传输，接收端通过采用相关解码利用环境ofdm信号和反射ofdm信号解调出标签信息，实现标签信息的传输，即实现高速ofdm子载波环境反向散射通信。
[0059]
2、本发明公开的高速ofdm子载波环境反向散射通信方法及系统，在发射端进行标签信息传输的过程中，采用子载波移位键控技术构造用于表征不同标签信息的不同子载波图案。相比传统的ofdm反向散射通信方法，采用所述方式将调制单元由ofdm符号缩小至ofdm子载波，大幅提升标签信息的传输速率，更适用于如远程办公、音视频直播等需要高速率通信的应用场合。
[0060]
3、本发明公开的高速ofdm子载波环境反向散射通信方法及系统，在接收端采用相关解码方法，通过获取相关结果峰值的位置完成标签信息的解调。由于进行了相关运算且环境信号和反射信号的噪声不具有相关性，所述方法具有更好的抗噪声性能。因此，相比传统的ofdm环境反向散射通信系统，本发明在噪声条件下的误码率更低，具有更好的抗噪声性能和鲁棒性。
[0061]
4、本发明公开的高速ofdm子载波环境反向散射通信方法及系统，用于实现高速ofdm子载波环境反向散射通信方法。该系统仅通过微处理器控制射频开关即可完成标签信息的接收，标签所采用的均为低功耗器件，具有硬件结构简单，可实现性高的特点。
[0062]
5、本发明公开的高速ofdm子载波环境反向散射通信方法及系统，在实现上述有益效果1至4的基础上，发射端标签利用符合商用协议的环境信号即可完成信息的传输。由于wifi、lte等商用ofdm激励源的广泛存在，本方法无需部署专用的射频信号源，具有系统结构简单、部署难度及复杂度低的优点。
附图说明
[0063]
图1是本发明公开的高速ofdm子载波环境反向散射通信方法流程图。
[0064]
图2是传统基于调相的ofdm环境反向散射通信系统结构示意图。
[0065]
图3是高速ofdm子载波环境反向散射通信方法及系统发射端标签的信息传输示意图。
[0066]
图4是高速ofdm子载波环境反向散射通信方法及系统接收端的信息解调示意图，其中λ为环境ofdm信号带宽，fo为环境ofdm信号中心频点，n为环境ofdm信号子载波数。
[0067]
图5是本发明提供的高速ofdm子载波环境反向散射通信方法及系统架构图。
[0068]
图6是本发明实施例提供的测试系统传输吞吐量示意图，其中，图a为该测试系统在视距环境下传输的系统吞吐量示意图，图b为该测试系统在非视距环境下传输的系统吞吐量示意图。
具体实施方式
[0069]
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明。同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0070]
本实施例采用开源的商用wi-fi平台产生符合802.11g协议的环境ofdm信号作为环境激励源。本实施例设置该信号的中心频点为2.412ghz，传输速率为6mbps，发射功率为20dbm。利用该环境信号进行高速ofdm子载波环境反向散射通信方法及系统的具体实施步骤如下：
[0071]
如图1所示，本实施例公开的高速ofdm子载波环境反向散射通信方法，具体实现步骤如下：
[0072]
步骤一、发射端标签基于环境ofdm信号中的子载波数目编码待传输信息。
[0073]
步骤1.1、发射端标签从环境或上位机中获取待传输的信息，并对其进行编码。
[0074]
步骤1.2、发射端标签基于环境ofdm信号中的子载波数目将编码后的信息映射为数值。
[0075]
本实施例中，由于符合802.11g协议的环境ofdm信号的子载波位数n＝64，发射端标签利用每一个ofdm符号最多可传输log2(64)＝6比特信息。为了提升传输可靠性，本实施例中利用一个ofdm符号传输3比特信息。由于ofdm符号速率为250kbps，采用这种方式后，标签信息的传输速率为750kbps。是传统ofdm反向散射通信系统的3倍。
[0076]
步骤二、发射端标签在对环境ofdm信号反射的过程中通过子载波移位键控改变该信号的子载波排列方式，并利用不同的子载波排列方式表示不同的标签信息，实现标签信息的传输。采用不同的子载波排列方式表示不同的标签信息的方式进行传输，将调制单元由ofdm符号缩小至ofdm子载波，大幅度提升标签信息的传输速率，满足高速率通信的应用要求。
[0077]
步骤2.1、发射端标签捕捉到环境中存在用于传输的ofdm信号后，对该信号进行反射并开始进行标签信息的传输。
[0078]
步骤2.2、发射端标签在反射环境ofdm信号的同时，进行子载波移位键控调制，以改变反射信号的子载波图案，将标签信息嵌入到反射信号上进行传输。
[0079]
本实施例中，由于环境ofdm信号的带宽为λ＝20mhz，子载波间隔为ζ＝312.5khz，设置发射端标签的第一反射天线所连接的第一反射开关的切换频率为20mhz。设置该开关断开状态下对应的负载阻抗趋于+∞，闭合状态下对应的负载阻抗为0，则开关断开状态下反射系数为1，闭合状态下的反射系数为-1。因此，通过切换第一阻抗开关，可以产生一个频率为20mhz，幅值为1的方波。利用该方波，第一反射天线将环境ofdm信号频移20mhz。
[0080]
同时，若该方波利用一个ofdm符号所传输的标签数据十进制值θ(t)＝4，则设置发射端标签的第二反射天线所连接的第二反射开关的切换频率为θ(t)
×
ζ＝4
×
0.3125＝1.25mhz。本实施例中，同样设置该开关断开状态下对应的负载阻抗趋于+∞，闭合状态下对应的负载阻抗为0。则该开关断开状态下反射系数为1，闭合状态下的反射系数为-1。因此，通过切换第二阻抗开关，可以产生一个频率为1.25mhz，幅值为1的方波。利用该方波，第二反射天线将环境ofdm信号和第一反射天线反射的ofdm信号均频移1.25mhz。
[0081]
综上，即实现了对环境ofdm信号分别频移1.25mhz和21.25mhz。
[0082]
步骤三、接收端利用双天线分别接收并解调原ofdm信号和反射ofdm信号中携带的信息；接收端对原ofdm信号携带的信息和反射ofdm信号携带的信息进行相关运算，并得到相关运算结果的峰值位置；由于发射端标签将信息映射为不同的子载波排列方式，该峰值位置即表征标签信息，实现对步骤一所述标签信息的解调，即实现高速ofdm子载波环境反向散射通信。由于环境信号和反射信号的噪声不具有相关性，所述相关解码方法具有更好的抗噪声性能，提高通信系统的抗噪声性能和鲁棒性。
[0083]
步骤3.1、接收端利用双天线分别接收并解调原ofdm信号和反射ofdm信号中携带的信息。
[0084]
步骤3.2、接收端对原ofdm信号携带的信息和反射ofdm信号携带的信息进行相关运算，并得到相关运算结果的峰值位置。由于发射端标签将信息映射为不同的子载波排列方式，该峰值位置即表征标签信息，实现对步骤一所述标签信息的解调，即实现高速ofdm子载波环境反向散射通信方法及系统。
[0085]
本实施例中，设置接收端的第一接收天线对应的中心频点为2.412ghz，带宽为20mhz，以接收并解调环境ofdm信号；并设置接收端的第二接收天线对应的中心频点为2.432ghz，带宽为20mhz，以接收并解调反射ofdm信号携带的信息。采用这种方式，相关结果|z(m)|在m＝0，m＝4以及m＝-4处将出现峰值。因此，通过获取非原点的峰值出现的位置，即可解调出标签信息的十进制数值，即θ(t)＝4。进一步地，通过该十进制数值，即可解调出标签信息。
[0086]
上述实验中，所设计的高速ofdm子载波环境反向散射通信方法及系统包括发射端标签和接收端。发射端标签包括环境信号检测模块、微处理器和传输状态控制模块。接收端为具有双天线的无线电平台。
[0087]
所述环境信号检测模块包括射频检波器和比较器，用于检测环境中是否存在可用于标签信息传输的ofdm信号。本实施例中，所述射频检波器和比较器分别采用的analog devices公司的lt5534和onsemi公司的ncs2200。
[0088]
所述微处理器为低功耗微处理器，用于实现步骤一基于环境ofdm信号中的子载波数目编码待传输信息，即用于从上位机中获取的待传输信息作为标签信息，将其编码，并计算其编码结果对应的数值。本实施例中，所述微处理器采用igllo nano公司的agln250fpga；
[0089]
所述传输状态控制模块为两个工作于ism波段的天线相应连接两个射频开关，用于在“开始传输”状态下，实现步骤二发射端标签在对环境ofdm信号反射的过程中通过子载波移位键控改变该信号的子载波排列方式，并利用不同的子载波排列方式表示不同的标签信息。本实施例中，所述传输状态控制模块为两个ettus公司的vert2450射频天线连接两个analog devices公司的adg902射频开关。
[0090]
所述接收端为具有双天线的软件定义无线电平台接收并解调标签信息，用于实现步骤三相关解码，即实现对步骤一中所述标签信息的解调，即实现高速ofdm子载波环境反向散射通信方法及系统。本实施例中，所述接收端为ettus公司的usrp b210。
[0091]
在上述实验条件下，本系统标签信息的有效最大吞吐量为743kbps，远高于传输ofdm反向散射通信系统。需要强调的是，在具体实施时，通过增加发射端标签反射天线增益，增加环境激励源发射信号功率等方式，进一步提升传输距离。同时，也能够通过选用具
有更多子载波数的ofdm环境激励源或增加标签选择的更多子载波图案表征不同反向散射信息等方式，进一步提升吞吐量，适用于需要高速通信的场合。
[0092]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对多有实施方案予以穷举，凡是属于本发明的技术方案而引申出的显而易见的变化和变动仍处于本发明的保护范围之列。