一种环境反向散射通信方法及通信设备

技术领域

本发明属于低功耗物联通信领域，尤其涉及一种环境反向散射通信方法及通信设备。

背景技术

环境反向散射通信系统由环境射频源、反向散射发射机和反向散射接收机组成。环境射频源发射环境射频信号，反向散射发射机接收到环境射频信号后，利用射频信号反向散射原理，将信息调制到入射射频信号的反射信号上，并反向散射给接收机，完成对数据发送，而不需要自己产生射频信号。反向散射接收机基于接收到的无线信号检测反向散射符号实现信息解调。环境反向散射通信无需复杂的射频结构，减少功率放大器、高精度晶振、双工器、高精度滤波器等器件使用，也不需要复杂的基带处理，降低了传感器能耗的同时也降低了生产成本，减小了传感器体积，便于传感器设备的部署和维护。

环境反向散射通信系统(Ambient Backscatter Comminication System, ABCS)，是利用环境中已有的射频源（如电视塔、蜂窝基站，蓝牙信号和Wi-Fi AP等）发射的环境射频信号，反向散射发射机接收到环境射频信号后，通过切换天线阻抗改变反射信号的幅度和相位来实现信息传输，无需部署额外的射频源，进一步降低了网络架构的成本和功耗。

在基于环境反向散射通信过程中，接收机接收到的信号主要包括三部分：1）直射信号：环境射频源发射的信号经环境中除反向散射发射机之外的其他物体反射或散射到达反向散射接收机；2）反射信号：环境射频源发射的信号到达反向散射发射机，发射机进行数据调制，改变入射射频信号的幅度和相位并反向散射给接收机；3）噪声项。

环境反向散射通信接收机接收到的信号可以建模为：

其中，

反向散射接收机的目标是估计调制信号

发明内容

本发明提供一种环境反向散射通信方法，方法能够提升反向散射调制符号的检测性能，从而使得环境反向散射信号能够采用更高阶的调制方式，进而提升反向散射的通信速率，扩展环境反向散射的通信距离。

通信方法包括：

射频源向反向散射发射机发射射频信号；

反向散射发射机接收射频信号，并对接收到的射频信号进行强度测量；

根据射频信号的强度信息，并结合反向散射发射机当前的能量状况，确定本次发射后是否进入休眠状态；

在满足发射条件后，将射频信号调制到入射射频信号的反向散射信号上，实现对射频信号的发送；

发送完毕后，如未进入休眠状态，则预设一能量收集定时器，在定时器溢出时，反向散射发射机停止能量收集，进入休眠状态。

进一步需要说明的是，方法中，反向散射发射机和接收机在进行通信，且环境射频源为OFDM信号时，设

设反向散射符号

设环境射频源的发射天线数为1，反向散射发射机的发射天线数为1，接收机的接收天线数为

设

设环境射频源、反向散射发射机、反向散射接收机保持时间同步，则接收机接收到的信号为：

其中，

设时延

其中，

为反射信道的频域响应，/>

第

其中，直射链路信道向量

反射链路信道向量

进一步需要说明的是，方法中，接收机将接收信号变换到频域，在频域上利用射频OFDM信号的导频位置，进行反向散射信号的检测。

进一步需要说明的是，方法中，接收机在对反向散射信号检测时，前导序列检测符号边界。

进一步需要说明的是，前导序列采用星座图轮流多次发射的方式，确定符号边界，并根据同一星座点所有接收信号能量的累加平均来确定检测门限，以辅助接收机进行信号检测。

进一步需要说明的是，方法还包括：基于唤醒序列唤醒接收机准备开始数据检测；

唤醒序列采用01交替序列，或gold序列，或反向散射发射机预设的序列；唤醒序列还采用OOK执行调制。

进一步需要说明的是，方法中，反向散射发射机处于静默状态时，不反向散射任何信号；

在静默期，接收机估计干扰信号的信道信息，即射频源与接收机之间的信道。

进一步需要说明的是，方法中，接收机进行反射信道估计时，标记接收机检测数据包的起始位置。

进一步需要说明的是，方法中，接收机利用比较器来检测唤醒序列，当比较器的两个输入之间的差超过预设阈值时，则检测到比特信息传输。

本发明还提供一种通信设备，用于实现环境反向散射通信方法。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供的环境反向散射通信方法可以应用到的环境反向散射通信中，本发明的帧结构中具有唤醒序列模块、静默期模块、前导序列模块、帧头模块、载荷模块和载荷校验模块，其中，反向散射通信的信息比特经过编码和调制后，通过反向散射发射机特定的正交扩频序列扩频，以增大反向散射的通信距离。本实施例还在帧结构的静默期，反向散射发射机对接收到的射频信号进行测量，根据射频信号强度测量结果，结合自身的能量状况，确定本次数据发射后是否进入休眠状态，实现了降低功耗的作用。

本发明提供的环境反向散射通信方法中，在数据发送完毕后，如果不立即进入休眠状态，则设定一个能量收集定时器，定时器溢出时停止能量收集，进入休眠状态，同样的也起到了降低功耗的作用。在本发明的反向散射通信帧结构中，前导序列采用轮流并多次发射载荷调制方式对应的星座图符号，可以起到增加反向散射的通信距离，提高通信过程的稳定性，满足通信要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为环境反向散射通信方法流程图；

图2为前导序列示意图；

图3为基于帧结构的通信系统示意图。

具体实施方式

本发明提供的环境反向散射通信方法应用于环境反向散射通信。

下面将结合图1和图2来详细阐述本发明的环境反向散射通信方法，在数据传输过程中，基于环境反向散射通信方法将载荷信息比特经过编码和调制后，通过反向散射发射机特定的正交序列或非正交序列进行扩频，可以增加反向散射的通信距离，而且还可以降低通信所消耗的功耗。对于降低通信功耗，提升通信距离有积极的作用。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的

环境反向散射通信方法包括：

S101：射频源向反向散射发射机发射射频信号；

S102：反向散射发射机接收射频信号，并对接收到的射频信号进行强度测量；

S103：根据射频信号的强度信息，并结合反向散射发射机当前的能量状况，确定本次发射后是否进入休眠状态；

S104：在满足发射调节后，将射频信号调制到入射射频信号的反向散射信号上，完成对数据进行发送；

S105：发送完毕后，如未进入休眠状态，则预设一能量收集定时器，在定时器溢出时，反向散射发射机停止能量收集，进入休眠状态。

作为本实施例的一种实现方式，反向散射发射机和接收机在进行通信，且环境射频源为OFDM信号时，假设

本实施例中，假设环境射频源的发射天线数为1，反向散射发射机的发射天线数为1，反向散射接收机的接收天线数为

可选地，假设

假设环境射频源、反向散射发射机、反向散射接收机保持时间同步，则接收机接收到的信号为：

其中，

假设时延

其中，

为反射信道的频域响应。/>

第

其中，直射链路信道向量

反射链路信道向量

对于本实施例来讲，环境射频源发射的信号包括导频和数据。导频可通过小区搜索等过程准确获知，而数据是未知的，且无法完整准确估计。因此，本发明提出在频域仅利用环境OFDM信号的导频位置处的接收信号进行反向散射调制符号的检测，而不需要估计/检测完整的环境OFDM信号。

示例性的讲，以环境射频源为4G基站为例，对于接收机来说，基站发送的导频符号可通过小区搜索过程获知，而PDCCH和PDSCH上承载的数据，由于不知道基站调度信息以及被调度UE的RNTI，因此难以完整准确估计。

本实施例利用导频所在的子载波进行反向散射信号的估计，即

上式中，由于

由于所有导频上的反向散射调制符号相同，因此还可以进行多个载波联合检测或合并。

根据上述涉及的基于帧结构的通信系统使得环境反向散射通信方法中设置静默期，以准确估计直射信道。接收机还可以将接收信号变换到频域，在频域上利用射频OFDM信号的导频位置或其它已知信号位置处的频域接收信号，进行反向散射信号的检测。

作为本发明的通信方法中，接收机将接收信号变换到频域，在频域上利用射频OFDM信号的导频位置，进行反向散射信号的检测。

基于上述环境反向散射通信方法，本发明还涉及通信设备，通信设备可以是反向散射发射机和接收机。

本实施例中，通信设备包括帧结构；帧结构包括唤醒序列位、静默期位、前导序列位、帧头位、载荷位和载荷校验位。

唤醒序列位可以实现标识并唤醒接收机准备开始直射信道估计。

在一个示例性实施例中，唤醒序列位可采用简单的01交替序列、或gold序列、或反向散射发射机预设的其他序列，从而给接收机预留充足的时间开始直射信道估计。

对于本实施例的唤醒序列位来讲，还可以采用OOK调制。本实施例还可以利用比较器来检测唤醒序列，从而避免连续的相关。

对于比较器的硬件来讲，其具有内置阈值，当比较器的两个输入之间的差超过该阈值时，检测到比特传输。而一旦比较器检测到唤醒序列，就会向微控制器发送中断，将其从空闲状态唤醒。

可选地，在无比特传输的情况下，或者无信息通信的状态下，由于包络平均电路消除了环境信号的大变化，因此环境信号单独不会在比较器的两个输入之间产生可区分的差异。

本实施例的静默期位用于当反向散射发射机处于静默状态时，标识反向散射发射机停止向接收机反向散射信号。

具体来讲，反向散射发射机处于静默状态，不反向散射任何信号。而且在静默期，接收机会估计干扰信号的信道信息，即反向散射发射机与接收机之间的信道，以便进行串行干扰消除。这样，在静默期，反向散射发射机可以测量接收到的射频信号，以实现对射频信号强度的监测，从而在数据发送后，可以根据能量现状以及射频信号强度，确定是否进入休眠状态以及进入休眠状态的具体时间。

本发明的前导序列位用于标记接收机检测数据包的起始位置。

需要说明的是，前导序列位定义接收机检测数据包的起始信息，接收机还可利用前导序列进行反向散射信道估计。前导序列位采用轮流发送载荷调制方式对应的所有调制符号，以增加后续信号检测门限的精度。假设载荷采用的调制方式共有M个星座点，前导序列的配置形式如图2所示。

帧头位配置到待传输数据的前端；具体来讲，帧头模块包括：帧类型、目的地址、源地址、载荷长度、帧头的CRC校验。帧头的CRC校验采用多项式

本实施例的载荷位定义MAC层协议的载荷信息；其中，还可以定义MAC层协议的相关数据，使得载荷信息比特经过编码和调制后，通过反向散射发射机特定的正交序列或非正交序列扩频后发射，以增大反向散射通信的距离，满足特定环境的低功耗物联需求。

载荷校验位用于对载荷信息进行校验。可选地，载荷的CRC校验采用多项式

这样，基于上述环境反向散射通信方法可以应用到的环境反向散射通信中，本发明的帧结构中具有唤醒序列模块、静默期模块、前导序列模块、帧头模块、载荷模块和载荷校验模块，其中，反向散射通信的信息比特经过编码和调制后，通过反向散射发射机特定的正交扩频序列扩频，以增大反向散射的通信距离。本实施例还在帧结构的静默期，反向散射发射机对接收到的射频信号进行测量，根据射频信号强度测量结果，结合自身的能量状况，确定本次数据发射后是否进入休眠状态，实现了降低功耗的作用。

当然，如果不立即进入休眠状态，则设定一个能量收集定时器，定时器溢出时停止能量收集，进入休眠状态，同样的也起到了降低功耗的作用。在本发明的反向散射通信帧结构中，前导序列采用轮流并多次发射载荷调制方式对应的所有调制符号，可以起到增加反向散射的通信距离，提高通信过程的稳定性，满足通信要求。

如图3所示，本实施例可以包括环境射频源、反向散射发射机和反向散射接收机；反向散射发射机和接收机可以是终端设备或服务器，反向散射发射机和接收机之间具有通信网络，网络采用基于环境反向散射通信方式。用户可以使用反向散射发射机通过网络与接收机交互，以接收或发送消息等。反向散射发射机和接收机均可以是具有显示屏的各种电子设备，包括但不限于智能手机、平板电脑、便携式计算机和台式计算机、数字电影放映机等等。服务器可以是提供各种服务的服务器。

根据本申请的实施例，配置的反向散射信号具有帧结构。其中，系统在静默期状态时，由于反向散射发射机不反射任何信号，因此接收机接收到的信号仅有环境射频源发射的信号，利用该信号，接收机可以估计环境射频源与接收机之间的信道，以辅助干扰消除。

由于接收机接收到的信号中，直射信号比反射信号强，因此在消除直射信号带来的干扰后，可提升反射信号的信噪比，这样反射信号可以采用更高阶的调制方式，从而提升反向散射通信的数据速率。

需要说明的是，在静默期，反向散射发射机可以利用接收到环境射频源信号，进行信号强度监测。根据监测结果和目前收集到的能量状态，决定在数据发送之后是否进入休眠状态以及何时进入休眠状态。

在反向散射的信号检测中，上述帧结构中，前导序列采用01交替的序列。接收机仅可利用前导序列检测符号边界。而本发明提出的前导序列采用星座图轮流多次发射的方式，不仅可用于接收机确定符号边界，还可根据同一星座点所有接收信号能量的累加平均来确定检测门限，以辅助接收机进行信号检测。

对于上述实现方式，接收机通过小区搜索过程获取环境射频源发射的导频符号；然后，利用静默期估计直射信道，并重构直射干扰信号；在导频位置或其它已知信号位置处，接收机将频域接收信号减去重构的直射信号，将该差值作为等效接收信号，利用最大似然、MMSE或MRC等方案检测反向散射调制信号。而且由于同一OFDM符号的所有导频或其它已知信号上的反向散射调制符号相同，还可以进行联合检测或合并，以增加信号正确检测的概率。

本发明提供的环境反向散射通信方法中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。

这里所描述的技术可以实现在硬件，软件，固件或它们的任何组合。所述的各种特征为模块，单元或组件可以一起实现在集成逻辑装置或分开作为离散的但可互操作的逻辑器件或其他硬件设备。在一些情况下，电子电路的各种特征可以被实现为一个或多个集成电路器件，诸如集成电路芯片或芯片组。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的本发明提供的基于帧结构的通信系统可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据基于帧结构的通信系统公开实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、移动终端、或者网络设备等)执行根据本公开实施方式的索引方法。

基于帧结构的通信系统可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。