一种免信道估计的背向散射通信方法、装置及系统

本发明属于无线通信领域，更具体地，涉及一种免信道估计的背向散射通信方法、装置及系统。

背景技术：

1、无源背向散射通信无需主动产生射频信号，而是通过置于射频环境中的标签通过调制环境中的射频信号来加载标签信息，是一种绿色的通信方式。被动通信的背向散射标签放弃了传统的高功耗器件大多采用无源器件，具有超低功耗、小尺寸和易部署等优势，是未来物联网的重要技术之一。

2、起初背向散射通信通过单天线进行通信，仅依靠单根天线连接阻抗进行信号调制，传输速率和系统吞吐量都很低。随着多输入多输出技术(multi-input multi-output,mimo)的产生，工业界和学术界也开始了多天线背向散射通信的研究。利用多天线标签进行背向散射通信提升了系统的传输速率和吞吐量。当前，已经有多天线空间调制传输方案的背向散射通信以及多天线空时编码的背向散射通信的研究，都一定程度的提升了背向散射通信系统的传输可靠性和速率。

3、然而，当前的多天线背向散射通信接收机都是采用相干检测，接收机需要估计级联背向散射信道信息，同时多天线标签也要发射所需要的导频符号进行级联信道的估计。这使得多天线背向散射通信解码成本高，随着天线数量的增加，导致导频开销巨大。此外，信道估计的误差也会带入到信息检测中，会降低整个背向散射通信系统的通信性能。

4、综上所述，提出一种无需级联背向散射信道估计的多天线无源背向散射通信方法与系统是具有重要应用价值的。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种免信道估计的背向散射通信方法与系统，其目的在于实现多天线标签通信的差分编码，解决多天线背向散射通信中级联信道估计复杂、标签导频开销大的问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种免信道估计的背向散射通信方法，应用于背向散射标签，包括：构建天线矩阵将信息进行多维度映射，组成信息空时块，在时间维度进行差分编码，生成待标签传输的信息空时块。

3、进一步地，针对索引空间维度，多天线标签将传输比特分为两部分，分别用于构建天线索引矩阵以及产生天线索引矩阵下所携带的星座符号。第一部分比特用来确定天线索引矩阵，比特长度为所能构成的天线索引矩阵有q种结果，其中，表示向下取整操作；从q天线索引矩阵的集合选取一个作为当前空时块时间内每个时隙所激活天线的索引序列。由于每个时隙只激活一根天线，所以天线索引矩阵中每一列只有一个元素。标签根据待传输空时块天线索引序列通过配置阻抗网络不同时隙激活不同的天线，标签天线数为nt，nt个时隙遍历激活所有天线。所构成的天线索引矩阵满秩。每一个天线索引矩阵对应一个天线索引序列当标签天线数为nt时，所构成的天线索引矩阵总共有nt！种排序结果。

4、更进一步地，第二部分比特的长度为nt表示标签天线数量，m表示调制阶数；将第二部分比特调制成nt个星座符号放置于对应的天线索引矩阵的位置，形成待差分操作的多天线背向散射标签信息空时块，天线索引矩阵用pq表示，信息空时块x(i)可以表示为：其中，diag()表示将矢量形成对角化矩阵。将比特映射成信息空时块后，进行前后空时块的差分操作，将第一个信息空时块设置的单位矩阵经过差分操作的差分空间背向散射信息矩阵可以表示为：s(i)＝s(i-1)x(i)，多天线标签控制射频开关和阻抗网络产生对应的反射系数来生成差分空间背向散射信息矩阵。

5、进一步地，可以在索引空间维度的基础上引入分集增益，再进行差分编码。此时，构建的天线索引矩阵的维度是nt/2×nt/2，标签的第一部分比特长度则为天线索引矩阵共有种可能，其中，表示向下取整操作。第二部分比特长度为首先调制成nt个星座符号，再将它们进行正交空时编码，形成nt/2个的正交空时码矩阵，选取天线索引矩阵的一列与nt/2个正交空时码矩阵中的一个依次进行克罗内克积运算形成待差分操作的信息空时块。再将前后信息空时块进行差分操作，可以表示为：s(i)＝s(i-1)x(i)。s(i)即为当前标签要传输的信息块。标签根据差分后的空时块的天线索引配置阻抗网络，一个正交空时码矩阵时间内通过配置阻抗网络选择激活一个天线组合用于传输正交空时码矩阵。

6、本发明还提供了一种免信道估计的背向散射通信方法，应用于接收机，包括：标签设置不同的反射系数，利用这些反射系数下接收机信号分量求和并取平均值作为直射链路的分量，接收机在检测标签信息时需要先减去这个分量再进行检测；接收信号去除直射链路信号，接收机分离出级联背向散射链路的差分信号，无需估计级联背向散射信道直接检测天线索引序列和星座符号等多维信息，并通过纠正机制对检测结果进行校正。

7、进一步地，标签的每个射频开关下有两个反射系数可用于工作，标签用反射系数α1工作时，接收机信号分量表示为(hd+hbα1)·s(n)，其中，hd为直射链路信道，hb表示级联背向散射链路信道；标签用反射系数α2工作时，接收机信号的信号分量表示为(hd+hbα2)·s(n)；将两个反射系数工作时的接收机信号分量相加取平均值作为标签发射差分信号时的直射链路分量。标签用反射系数α1工作时时减去直射链路分量得到背向散射信号分量为此时作为反射系数；

8、标签用反射系数α2反射时减去直射链路分量得到背向散射信号分量此时作为反射系数。

9、更进一步地，接收机减去直射链路信号分量得到背向散射的差分信号，接收机在无需估计级联背向散射链路的信道信息的情况下，分别估计天线索引矩阵和星座符号，并设计了纠正机制判定所估计的天线索引矩阵是否可靠；

10、进一步地，所述纠正机制判定估计的天线索引矩阵是否可靠，假设天线索引矩阵集合有q个矩阵，计算所估计的天线索引序列与q个天线矩阵所对应的索引序列集合中每个候选矢量的相似度，并计算相同数量ξ作为相似度表征。所估计的索引序列和每个候选矢量相同元素的数量可以表示为ξ＝[ξ1,...，ξq]，通过降序排列后得到其对应的天线索引序列集合也进行对应操作得到如果表示索引序列可靠；反之，索引序列不可靠。

11、按照本发明的第三个方面，提供了一种背向散射标签，包含背向散射调制模块、射频模块和控制模块。射频模块：由微控制器连接射频开关，射频开关连接不同的负载，通过控制模块控制射频开关选择不同的负载实现标签信号的差分索引空间维度和差分索引空时维度调制。控制模块：由fpga芯片等构成一个微控制器，控制射频开关。背向散射调制模块，用于构建天线索引矩阵将激励源信号进行多维度映射，在时间维度进行差分编码。

12、按照本发明的第四个方面，提供了一种接收机，包括接收模块、背向散射解调模块、检测模块、纠正模块；

13、所述接收模块，用于接收信号；

14、所述背向散射解调模块，用于在不同反射系数下对接收信号分量求和并取平均值作为直射链路分量；在不同反射系数下的接收信号分量分别减去直射链路分量，从而分离出级联背向散射链路的差分信号；

15、所述检测模块，用于检测出差分信号中的天线索引序列以及星座符号对应比特；

16、所述纠正模块，用于通过纠正机制对天线索引序列进行校正，得到比特信息。

17、本发明还提供了一种免信道估计的背向散射通信系统，包括上述的背向散射标签和接收机。

18、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

19、(1)针对索引空间维度背向散射设计了差分天线索引矩阵，提出了通过天线索引矩阵提升标签传输速率，在保持了索引空间维度优越性能的基础上进行了差分编码，避免了复杂的级联信道估计，节省了标签的导频开销，在接收机端实现了低成本的解码。

20、(2)针对索引空时维度，设计了索引空时维度的差分编码背向散射通信方案，使得背向散射通信系统保持复用增益和分集增益的同时，接收机可以实现无需级联背向散射信道的非相干检测。

21、(3)针对所提出的差分索引多维度背向散射传输方案，设计了相应的低复杂度的检测器。接收机根据标签不同反射系数工作特性消除直射链路信号的干扰，对天线索引矩阵和星座符号分别进行检测，并设计纠正机制对检测的天线索引矩阵进行纠正；通过分离天线索引矩阵和星座符号，降低检测器的搜索范围，在无需估计级联信道的情况下实现了背向散射多维度信号的检测。