一种中继辅助的环境反向散射通信方法

摘要

本发明公开了一种中继辅助的环境反向散射通信方法，中继同时辅助射频发射机和反向散射通信设备与各自的目标接收机进行通信，这里反向散射通信设备调制自己的信息到射频发射机的信号上，中继采用串行干扰消除的方式译码信息，并将译码后的信息通过非正交多址的方式转发给各自的信息接收机，并在保证射频通信链路的通信质量的前提下，通过优化环境反向散射通信设备的反射系数以及中继的功率分配因子，以此来优化环境反向散射通信的性能。与传统的译码转发中继通信系统相比，本发明中提出的中继辅助的环境反向散射通信方法，可以明显提升系统的通信性能。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种中继辅助的环境反向散射通信方法。

背景技术

随着物联网的发展，海量节点的供电与通信问题急需解决，显然，传统的有线供电方式不再适合；定期更换电池或者给电池充电是一种办法，但是对具有上千上万个节点的传感器网络来说这是不方便的；利用太阳能供电不稳定，影响系统的稳定运行。同时，传统的无线通信技术需要发送射频信号，存在功耗大，成本高的问题。而环境反向散射(AmbientBackscatter)技术在一定程度上解决了这些难题。

环境反向散射技术是一种新颖的射频识别技术，反向散射设备(BackscatterDevice)可以将自己所需要传输的信息比特调制在周围环境的射频信号上，比如WIFI信号，电视塔信号，基站信号等，实现与其接收机之间的通信。环境反向散射技术利用环境中已存在的射频信号作为通信唯一的电力来源,而通信繁荣发展的今天，这种射频信号几乎无处不在，所以该技术几乎可以实现任何地点下设备之间的通信。在这个过程中，环境反向散射设备并不需要专门的射频发射机，可以避免频繁的更换电池和充电的麻烦，成本低，耗电少，其应用前景十分广阔,可以进一步推动移动物联网的发展，是一种绿色的通信技术。

在环境反向散射通信系统中，当反向散射设备和其信息接收机之间的通信距离较远时，通信会中断，针对这一问题，提出了一种中继辅助的环境反向散射通信方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种中继辅助的环境反向散射通信方法，用于解决当反向散射射频发射机和反向散射设备和相关信息接收机之间的通信距离较远时，通信会中断的问题。与传统的译码转发的中继通信技术相比，该方法在保证传统射频链路通信质量的同时，可以显著的提高整个通信系统的吞吐量。

本发明采用以下技术方案：

一种中继辅助的环境反向散射通信方法，设定中继辅助的环境反向散射通信网络中包括一个射频发射机，中继，射频信号接收机，反向散射设备及其信息接收机，分别用节点S，节点R，节点D，节点C以及节点T表示；中继同时辅助射频发射机和反向散射通信设备与各自的目标接收机进行通信完成信道估计，反向散射通信设备调制自己的信息到射频发射机的信号上完成信源信号传输；中继采用串行干扰消除的方式译码信息，并将译码后的信息通过非正交多址的方式转发给各自的信息接收机完成中继转发；并在保证射频通信链路的通信质量的前提下，通过优化环境反向散射通信设备的反射系数以及中继的功率分配因子，优化环境反向散射通信的性能。

具体的，信道估计具体为：

射频发射机S首先向通信网络中的中继节点R发送导频序列，中继节点R利用导频信号估计直接链路信道信息h_(S,R)和反向散射链路信道h_(S,C)·h_(C,R)，同时中继节点R发送导频序列给射频信号接收机D和反向散射设备的信息接收机T，射频信号接收机D估计信道信息h_(R,D)，反向散射设备的信息接收机T估计信道信息h_(R,T)。

具体的，信源信号传输具体为：

射频发射机S发送携带数据信息的射频信号给中继R，反向散射设备C接收射频信号，反向散射设备C将自己所需要发送的信息调制到接收到射频信号上并反向散射出去，在中继节点R处同时接收到来自于射频发射机S和反向散射设备C的信号，并对两路信号进行译码，反向散射设备C的信息附着在射频发射机S发送的射频信号上，中继利用串行干扰消除技术同时译码射频发射机的信号s和反向散射设备的信号c。

进一步的于，中继节点R接收到的信号y_r为：

其中，P_s表示射频发射机的发送功率，α表示路径损耗系数，s表示射频发射机发送的信息信号，并且E{|s|²}＝1；c表示反向散射设备发送的信息信号，η表示反向散射设备的反向散射系数；n_r表示热噪声，d_(A,B)和h_(A,B)分别表示设备A和设备B间的距离和小尺度衰落，这里A,B∈{S,D,R,C,T}，h₀表示反向散射链路信道系数，h₀＝h_(S,C)h_(C,R)。

进一步的，中继节点R接收到的用于译码信号s的信干噪比(SINR)γ_sr为：

在中继节点R正确译码信号s并消除其影响后，得到关于信号c的信噪比γ_cr为：

。

具体的，中继转发具体为：

中继节点R转发射频发射机的信息s给射频信息接收机D，同时中继节点R转发反向散射设备的信息c给反向散射设备的信息接收机T，转发采用非正交多址的方式，分别转发译码后的信号和给节点D和节点T，中继节点R使用自己的能量转发信息，发送功率为P_r，功率分配因子分别为β_s和β_c，β_s+β_c＝1，在功率分配时，射频发射机通信信号的优先级高于反向散射通信信号的优先级，设定β_s＞β_c，在反向散射设备的信息接收机处，采用串行干扰消除获取自身关心的信息。

进一步的，中继节点R的发送信号x为：

在节点D或者节点T处接收到的信号y_d(or>为：

其中，n_d表示节点D的噪声，n_t表示节点T的噪声，

节点D只需译码信号s，节点T则需要先译码信号s后译码信号c，在节点D或节点T处的关于信号s对应的SINRγ_sd(or>为：

对于节点T而言，在成功译码信号s后，节点T本身所关心的信号c所对应的信噪比为：

。

进一步的，对于射频通信链路，发生中断包括：中继节点R不能正确译码信号s；在中继节点R可以正确译码信号s后在节点D处发生中断，射频通信链路的中断概率表述如下：

其中，表示节点A与节点B的信道功率的均值；A,B∈{S,R,C,D,T}；E₁(·)表示指数积分函数。

进一步的，对于散射通信链路，在节点R或者T端，均需要接收到的关于信号s的SINR大于译码门限γ_s才继续译码信号c，定义R_c表示节点C的传输速率，散射通信链路的中断概率为：

其中，k表示不小于零的整数；Γ(α,x)表示不完全伽马函数，ψ(z)表示普西函数，Γ(z)是伽马函数，Re(z)＞0；表示梅耶尔G函数。

进一步的，保证射频通信链路的通信质量优化反射系数和中继的功率分配因子，建立优化模型如下：

0≤η≤1

β_c+β_s＝1

0≤β_c≤β_s≤1

P_s≥0,P_r≥0。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供的一种中继辅助的环境反向散射通信方法，中继能够同时转发射频发射机和环境反向散射设备的信息，解决了环境反向散射设备和其信息接收机只能较近距离范围内通信的问题，从仿真结果来看，与传统的中继通信系统相比，能够看出本发明中提出的中继辅助的环境散射通信方法，可以明显提升系统的通信性能。

进一步的，本发明进一步的改进在于，信道估计阶段，射频发射机S首先向通信网络中的中继节点R发送导频序列，中继节点R利用导频信号估计直接链路信道信息h_(S,R)和反向散射链路信道h_(S,C)·h_(C,R)，同时中继节点R发送导频序列给射频信号接收机D和反向散射设备的信息接收机T，射频信号接收机D估计信道信息h_(R,D)，反向散射设备的信息接收机T估计信道信息h_(R,T)，如此所有的具有接收功能的设备都获得了必要的信道信息，便于信号的译码处理。

进一步的，信源信号传输阶段，射频发射机S会发送携带数据信息的射频信号给中继R，同时反向散射设备C能够接收到这一射频信号，反向散射设备C将自己所需要发送的信息调制到接收到射频信号上并反向散射出去，在中继节点R处会同时接收到来自于射频发射机S和反向散射设备C的信号，并对两路信号进行译码，考虑译码算法的复杂性和环境反向散射通信的本身特点—反向散射设备C的信息信号c附着在射频发射机S发送的射频信号s上，所以在本发明中，中继利用串行干扰消除技术同时译码射频发射机的信号s和反向散射设备的信号c。

进一步的，中继转发阶段，在中继节点R转发射频发射机的信息s给射频信息接收机D的同时，中继节点R也能够转发反向散射设备的信息c给反向散射设备的信息接收机T，转发采用非正交多址的方式，分别转发译码后的信号和给节点D和节点T，中继节点R使用自己的能量转发信息，发送功率为P_r，功率分配因子分别为β_s和β_c，β_s+β_c＝1，在功率分配时，考虑对原有射频通信链路通信质量的保护，设定信号的优先级高于信号的优先级，所以本发明中，中继用于转发射频发射机信号的功率占比大于用于转发反向散射设备信号的功率占比，也就是β_s＞β_c。在反向散射设备的信息接收机处，采用串行干扰消除获取自身关心的信息。

进一步的，因为节点C是利用节点S的射频信号发送信息，所以应首先保证射频通信链路的通信质量在此前提下，本发明通过优化反射系数和中继的功率分配因子，使得散射通信链路能有最好的中断通信性能。

综上所述，本发明提供的一种中继辅助的环境反向散射通信方法，该方法中，中继能够同时转发射频发射机和环境反向散射设备的信息，解决了环境反向散射设备和其信息接收机只能较近距离范围内通信的问题。从仿真结果来看，与传统的中继通信系统相比，能够看出本发明中提出的中继辅助的环境散射通信方法，可以明显提升系统的通信性能。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明中整个系统的模型图；

图2为中断概率随反射系数的变化图；

图3为中断概率随反向散射设备到中继节点距离的变化图；

图4为系统吞吐量随反向散射设备到中继节点距离的变化图以及本发明与传统的译码转发中继通信系统的系统吞吐量的对比。

具体实施方式

本发明提供了一种中继辅助的环境反向散射通信方法，中继同时辅助射频发射机和反向散射通信设备与各自的目标接收机进行通信，反向散射通信设备调制自己的信息到射频发射机的信号上，中继采用串行干扰消除的方式译码信息，并将译码后的信息通过非正交多址的方式转发给各自的信息接收机，并在保证射频通信链路的通信质量的前提下，通过优化环境反向散射通信设备的反射系数以及中继的功率分配因子，以此来优化环境反向散射通信的性能。与传统的译码转发中继通信系统相比，本发明中提出的中继辅助的环境反向散射通信方法，可以明显提升系统的通信性能。

首先设定中继辅助的环境反向散射通信网络中包括一个射频发射机，中继，射频信号接收机，反向散射设备及其信息接收机，分别用节点S，节点R，节点D，节点C以及节点T表示。h_(A,B)是设备A与设备B之间的小尺度衰落，d_(A,B)是设备A与设备B之间的距离，(A,B)∈{S,R,D,C,T}，s是射频发射机的信息，c是反向散射设备的信息。

请参阅图1，本发明一种中继辅助的环境反向散射通信方法，包括以下步骤：

S1、信道估计阶段；

射频发射机S首先向通信网络中的中继节点R发送导频序列，此时中继节点R能够利用导频信号估计直接链路信道信息h_(S,R)和反向散射链路信道h_(S,C)·h_(C,R)，同时中继节点R也会发送导频序列给射频信号接收机D和反向散射设备的信息接收机T，射频信号接收机D能够估计信道信息h_(R,D)，反向散射设备的信息接收机T能够估计信道信息h_(R,T)。

S2、信源信号传输阶段；

射频发射机S发送携带数据信息的射频信号给中继R，同时反向散射设备C会接收到射频信号，反向散射设备C将自己所需要发送的信息调制到接收到射频信号上并反向散射出去，在中继节点R处，会同时接收到来自于射频发射机和反向散射设备的两路信号，并对两路的信号进行译码，考虑译码算法的复杂性和环境反向散射通信的本身特点—反向散射设备的信息附着在射频发射机发送的射频信号上，因此，在本发明中，中继利用串行干扰消除技术同时译码射频发射机的信号s和反向散射设备的信号c。

中继节点R接收到的信号y_r为：

其中，P_s表示射频发射机的发送功率，α表示路径损耗系数；s表示射频发射机发送的信息信号，并且E{|s|²}＝1；c表示反向散射设备发送的信息信号；η表示反向散射设备的反向散射系数；n_r表示热噪声，d_(A,B)和h_(A,B)分别表示设备A和设备B间的距离和小尺度衰落，这里A,B∈{S,D,R,C,T}；h₀表示反向散射链路信道系数，h₀＝h_(S,C)h_(C,R)。

中继节点R接收到的用于译码信号s的信干噪比(SINR)γ_sr为：

在中继节点R正确译码信号s并消除其影响后，得到的关于信号c的信噪比γ_cr为：

S3、中继转发阶段；

中继节点R转发射频发射机的信息s给射频信息接收机D，同时中继节点R转发反向散射设备的信息c给反向散射设备的信息接收机T，为了保证射频链路的通信质量，转发采用非正交多址的方式，在功率分配时，考虑对原有射频通信两路通信质量的保护，始终将较多功率用于射频发射机信息的转发，在射频接收机处，采用一般的接收机译码信息，而在反向散射设备的信息接收机处，采用串行干扰消除获取自身关心的信息。

在中继转发阶段，中继采用非正交多址方式分别转发译码后的信号和给节点D和节点T。在这种场景下，中继节点R使用自己的能量转发信息，发送功率为P_r，功率分配因子分别为β_s和β_c，β_s+β_c＝1。

因为射频发射机的通信优先级高于反向散射通信的优先级，所设定β_s≥β_c，则中继节点R的发送信号x为：

在节点D(或者节点T)处接收到的信号y_d(or>为：

其中，n_d表示节点D的噪声，n_t表示节点T的噪声，

因为优先级的关系，所以节点D只需译码信号s，节点T则需要先译码信号s后译码信号c，与之相对应地，在节点D(或节点T)处的关于信号s对应的SINRγ_sd(or>为：

对于节点T而言，在成功译码信号s后，节点T本身所关心的信号c所对应的信噪比(SNR)为：

对于射频通信链路而言(S->R->D)，发生中断有两种可能：

一种是中继节点R不能正确译码信号s；

第二种情况是在中继节点R可以正确译码信号s后在节点D处发生中断。

所以对于射频通信链路而言，中断概率表述如下：

其中，表示节点A与节点B的信道功率的均值，A,B∈{S,R,C,D,T}；E₁(·)表示指数积分函数。

对于散射通信链路(S->C->R->D)而言，和射频通信链路相似，通信发生中断也包括两种情况。不同的是，由于中继节点R和节点T均需要进行SIC检测，所以在节点R(或者T)端，均需要接收到的关于信号s的SINR大于译码门限γ_s才可继续译码信号c。定义其中R_c表示节点C的传输速率。所以从正确解码的角度出发，可以得到散射通信链路的中断概率为：

其中，k表示不小于零的整数；Γ(α,x)表示不完全伽马函数，ψ(z)表示普西函数，Γ(z)是伽马函数，Re(z)＞0；表示梅耶尔G函数。

因为节点C是利用节点S的射频信号发送信息，所以应首先保证射频通信链路的通信质量在此前提下，通过优化反射系数和中继的功率分配因子，使的散射通信链路能有较好的通信性能，建立优化模型如下：

0≤η≤1

β_c+β_s＝1

0≤β_c≤β_s≤1

P_s≥0,P_r≥0。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

仿真实验和效果分析

仿真参数：

射频发射机发送功率P_s＝10dBm，中继发送功率P_r＝0dBm，通信设备间的距离为d_(S,R)＝10m，d_(S,C)＝12m，d_(R,D)＝10m，d_(C,R)＝5m，d_(C,T)＝10m，对应的小尺度衰落均服从瑞利衰落，且||h_(A,B)||²,(A,B)∈{S,D,C,R}的均值为1，反向散射设备的反射系数η＝0.6，路径损耗因子α＝3，射频发射机数据速率R_s＝1bit/s/Hz，反向散射设备数据速率R_c＝1bit/s/Hz，噪声功率

根据参数仿真本发明提出的系统的中断概率性能曲线，并与传统的中继无线通信系统进行了吞吐量的对比。

请参阅图2，表示反射系数与系统的中断概率之间的关系。图中不同的颜色表示不同的功率分配系数的中断概率曲线。从图中可以看出，随着反射系数的增大，射频通信链路发生中断的概率增大，而散射通信链路的中断概率先降低后几乎保持不变。这是因为反射系数增大，使得散射链路对射频信号的干扰增大，导致射频通信链路的中断概率上升，而对于散射通信链路而言，其有用信号增大，所以中断概率下降。而当反射系数增大到一定值时，因为影响了射频信号的译码，所以散射通信的中断概率不再明显下降。

请参阅图3，给出了在不同的反射系数下，系统中断概率和反向散射节点S与中继节点R之间距离的关系。图中蓝色，黑色和浅灰色分别表示反射系数η＝0.1，η＝0.6和η＝1时，相对应地中断概率曲线。从图中可以看到，射频通信链路的中断概率随着节点S到R的距离的增加而下降，这是因为节点S到节点R距离的增加，中继节点R接收到的来自于节点C的散射信号的功率降低，对于射频信号而言，受到的干扰降低，所以其中断性能下降。对于散射通信链路而言，其中断概率随着节点S到R的距离的增加先下降后上升，这是因为随着节点S到R的距离较近范围内增加距离时，有利于射频信号的译码，从而降低了散射通信链路的中断性能，当距离超过一定值时，到达中继的有用信号功率降低，从而使得散射通信链路发生中断的概率增加。

请参阅图4，给出了当节点S的数据传输速率和节点C的数据传输速率均为2bit/s/Hz时，射频发射机的发送功率与系统吞吐量关系。从图中可以看到射频通信链路和散射通信链路的吞吐量随着射频发射机的发送功率增大而上升。同时，与传统的译码转发的中继系统相比，本发明提出的中继辅助的环境反向散射通信系统具有更高的吞吐量，而这种提升，对于原有的中继通信系统的影响十分的微小。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。