本发明涉及反向散射通信，具体涉及一种基于频域循环位移的单接收器wifi反向散射方法。
背景技术：
1、近年来，环境反向散射(ambient backscatter)因其在超低功率数据传输方面的巨大潜力而受到广泛关注。反向散射通信的基本原理是通过反射已有信号来进行数据传输。传统的反向散射系统(如射频识别，rfid)需要专门的读写器来产生激励信号，标签通过反射这些激励信号来传输数据。相比之下，环境反向散射则利用环境中已有的无线信号，如电视信号、fm广播、远距离无线电(lora)或wifi等无线信号，作为载波。这一模式极大地扩展了激励信号的来源范围，推动了无源物联网(iot)的发展。
2、wifi作为最广泛使用的室内无线技术，是反向散射通信的理想激励源。当前主流的wifi协议，包括wifi 3/4/5/6(也称为802.11g/n/ac/ax)，采用正交频分复用(ofdm)调制来增强吞吐量并抵抗干扰。在典型的正交频分复用反向散射系统中，标签通过反射由环境wifi设备生成的wifi信号来传输标签数据。这一反射过程通常包括对载波信号的相位或者幅度的调制。例如，现有技术中，freerider技术通过翻转ofdm符号的相位来传输位‘1’，通过保持不变来传输位‘0’。moxcatter技术、rapidrider技术和x-tandem技术也采用了类似的相位调制方法。
3、然而，现有技术存在两个主要限制：
4、1.标签数据的解调依赖于环境数据：现有技术对标签数据进行解码时，往往需要额外的接收器从环境中获取环境数据作为参考，这对系统的灵活性和易用性造成了限制。不仅增加了硬件成本，还需要两个接收器之间进行精确同步。此外，还需要两个独立的频段进行解调，导致频谱利用率低。
5、2.符号级调制限制了系统的吞吐量：现有技术的标签数据调制粒度往往限制于ofdm符号级别，例如freerider需要4个ofdm符号调制1比特标签数据，rapidrider需要1个ofdm符号调制1比特。因此，数据传输速率受限于符号速率，这在高数据率需求的场景下显得尤为不足。
6、本发明旨在突破现有技术的限制，仅利用单接收器实现更细粒度的标签数据调制，提升非受控正交频分复用wifi反向散射系统的数据传输速率。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于频域循环位移的单接收器wifi反向散射方法，针对现有wifi反向散射技术符号级调制与依赖环境数据解调的局限性，本发明设计了一种基于频域循环位移的调制方案，实现子符号级(sub-symbol level)的调制，突破传统符号级调制的限制，提高数据传输速率。此外，设计高效、精确的解码方案，仅通过单接收器进行高精度的解调，简化了系统架构，减少了对额外硬件的需求，从而降低系统的复杂性和成本。
2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
3、一种基于频域循环位移的单接收器wifi反向散射方法，所采用的反向散射系统包括发送端、标签和接收器，反向散射方法包括：
4、发送端采用任何能够发出正交频分复用的wifi信号的设备；其中，发送端将数据调制到n个频域子载波上，通过逆快速傅里叶变换将n个频域子载波转换为n个时域样本，并添加循环前缀，形成以ofdm符号为基本单位的正交频分复用的wifi信号；
5、标签接收wifi信号，基于频域循环位移的调制技术对wifi信号中的ofdm符号进行子符号级的调制：根据标签数据的比特来设定循环移位值，对wifi信号的ofdm符号中选定的时域样本施加线性相位因子，使所述ofdm符号对应的频域子载波按照设定的循环移位值进行循环移位，形成携带标签数据的反射信号；
6、接收器通过ofdm符号的频域不变性确定频域子载波的循环移位值，对接收到的反射信号进行解调，以恢复标签数据；所述频域不变性为：ofdm符号中的导频子载波在调制前的位置和值是已知的。
7、进一步地，所述发送端将数据调制到n个频域子载波上，通过逆快速傅里叶变换将n个频域子载波转换为n个时域样本，并添加循环前缀，形成以ofdm符号为基本单位的正交频分复用的wifi信号，具体包括：
8、发送端通过逆快速傅里叶变换将n个频域子载波转换为n个时域样本；为了抵抗多径干扰和保证符号间隔分离，循环前缀被添加到n个时域样本组成的时域信号的开头：
9、
10、其中，n表示时域样本的索引；s(n)表示ofdm符号；ifft(·)表示逆快速傅里叶变换；xk表示第k个频域子载波，频域子载波的索引k＝1,2，...，n；lcp是循环前缀的长度。
11、进一步地，所述根据标签数据的比特来设定循环移位值，对wifi信号的ofdm符号中选定的时域样本施加线性相位因子，使所述ofdm符号对应的频域子载波按照设定的循环移位值进行循环移位，形成携带标签数据的反射信号，具体包括：
12、将标签数据映射到循环移位值：对于每个ofdm符号，将标签数据映射为一个循环移位值d，映射关系由ofdm符号的频域子载波个数决定；
13、施加线性相位因子：标签对ofdm符号中循环前缀之后的n个时域样本乘以线性相位因子时域样本的索引k1＝1,2，...，n，得到反射信号b(n)：
14、
15、其中，j为虚数单位，lcp是循环前缀的长度，n表示b(n)中时域样本的索引，θ表示与线性相位因子相关的归一化频率调制参数。
16、进一步地，所述接收器通过ofdm符号的频域不变性确定频域子载波的循环移位值，具体包括：
17、通过遍历所有可能的循环移位值，计算循环移位前导频子载波的值与循环移位后导频子载波的值的相关性，最高相关性对应的循环移位值即为频域子载波最终的循环移位值；
18、其中，循环移位前导频子载波的值采用结合信道估计的导频子载波估计值pest：
19、pest(k2)＝ik2+iqk2；
20、其中，k2为导频子载波的索引，pest(k2)为第k2个导频子载波估计值；ik2、qk2分别为pest(k2)的复数形式的实部和虚部，i为虚数单位；
21、对于每个可能的循环移位值d，计算循环移位后导频子载波的值p′d：
22、p′d(k2)＝i′k2+iq′k2；
23、p′d(k2)循环移位后的第k2个导频子载波的值；i′k2、q′k2分别为p′d(k2)的复数形式的实部和虚部；
24、使用相关系数矩阵计算循环移位前导频子载波的值与循环移位后导频子载波的值的相关性ρpilot：
25、
26、其中pest(k2)m、p′d(k2)m分别为导频子载波估计值与循环移位后导频子载波值的同相正交矩阵，cov(·)表示计算协方差，σest和σd是pest(k2)m和p′d(k2)m的标准差。
27、进一步地，当最高相关性对应的循环移位值有多个时，接收器会通过ofdm符号的时域不变性确定频域子载波的循环移位值，具体包括：
28、所述时域不变性为：ofdm符号中的循环前缀的值在调制前后保持不变；
29、接收器首先基于最高相关性对应的不同循环移位值对所述频域子载波进行循环移位补偿，对经过循环移位补偿的频域子载波执行逆快速傅里叶变换，得到频域子载波的时域符号；然后，提取得到的时域符号的尾部的n1个时域样本，记为尾部时域样本stail；计算stail与接收到的ofdm符号的循环前缀cp之间的相关系数ρcp：
30、
31、σtail和σcp是stail和cp的标准差。
32、进一步地，还包括联合相位偏移键控调制方法；联合相位偏移键控调制方法具体包括：
33、ofdm符号的循环前缀与尾部的n1个时域样本相同，标签对wifi信号中的ofdm符号进行调制时，如果标签数据为“1”，在尾部的n1个时域样本组成的尾部时域样本stail上引入相位偏移δθ；如果标签数据为“0”，不引入相位偏移：
34、
35、其中，j为虚数单位，n′表示尾部时域样本stail的索引，1≤n′≤n1，btail(n′)表示标签调制后尾部时域样本的值；
36、在解调过程中，接收器需要补偿标签引入的所有可能的相位偏移，并与循环前缀进行相关性计算，以找到正确的相位偏移，实现解调。
37、与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
38、(1)本发明设计了一种基于频域循环位移的调制技术，标签通过对接收到的ofdm信号施加线性相位因子，来实现频域中子载波的循环移位，以携带标签数据。这种方法实现了子符号级的标签数据调制，提高了数据传输的效率，并且仅需要单个符号带宽，避免了频谱资源的浪费。
39、(2)本发明设计了基于单接收器的解调方法，利用反射信号在频域与时域上的不变信息进行解调，摆脱了传统方法对环境数据的依赖，仅根据所接收到的反射信号，就能够准确解码出数据，大大简化了系统架构，降低了硬件复杂性和成本。
40、(3)本发明设计了联合相位偏移键控调制(psk)调制方法，在频域循环位移调制的基础上，进一步利用了循环前缀(cp)在时域上与尾部样本相同的特性，在尾部样本上利用psk(相位偏移键控)调制来传输更多的标签数据，大大提升了正交频分复用wifi反向散射数据传输率。