一种使用差分传输和曼彻斯特编码增强反向散射的方法

摘要

本发明涉及环境反向散射方法，具体为一种使用差分传输和曼彻斯特编码增强反向散射的方法，包括以下步骤：搭建发送机与接收机；阻抗匹配时发送机与接收机存储能量；当阻抗不匹配时将信号进行曼彻斯特编码并通过发送机发送信号，接收机接收信号；接收机将接收信号通过包络检波器然后由模拟减法器进行相减运算，抵消掉TV信号的干扰；将相减运算后得到的信号的幅值经阈值比较器与阈值相比较，并通过曼彻斯特编码规则来解码出传输的信息。本发明将差分传输方式和曼彻斯特编码两种方法相结合，可以最大限度的增强环境反向散射的性能，使用曼彻斯特码可以有效的增加传输距离，利用差分传输方式对信道中的干扰有抑制作用，降低了环境反向散射的误码率。

说明书

技术领域

本发明涉及环境反向散射方法，具体为一种使用差分传输和曼彻斯特编码增强反向散射的方法。

背景技术

从马克维塞尔正式提出不可见计算（InvisibleComputing）的概念开始，人们一直致力于让物与物能够实现广泛互联，通过完全智慧的响应行为，实现人和物的深度融合，并为此展开一系列的研究开发工作，从而为人类提供更好的服务体验。20多年过去了，尽管信息物理融合这个理念（Cyber-PhysicalSystem,CPS）得到广泛认可，面向万物相连的物联网产业也被一致看好，但并未出现爆发式的大规模物联网应用，不得不说物联网节点的能源问题是其中的一个重要瓶颈。

能源问题首先导致了物联网应用的成本大幅度增长。事实上，许多生态环境监控系统、地质灾害预警系统等都面临一个共同的问题，那就是难以维持长时间运行，直接导致了这类解决思路的可扩展性和实用性的大幅下降。自然而然，人们就想到，如果节点自身不配备或不是主要依赖自身的电源设备供电，而是通过从环境中获取能量支撑其计算、感知和通信与组网就好了。早在二战期间就有利用电磁能的射频识别（RadioFrequencyIDentification，RFID）被动标签，这是雷达技术在民用方面的扩展。2005年，英特尔西雅图研究员提出标签结合无线充电技术，从射频识别阅读器的连续波中获取能量，研发了无线识别和感知平台（WirelessIdentificationandSensingPlatform，WISP）新技术。2013年，美国华盛顿大学首次设计出环境反向散射原型，其主要的工作原理是可以从TV信号、WIFI信号等信号中获取能量，并且通过反向散射该信号来进行通信，调制过程由是否实现阻抗匹配来实现，若阻抗匹配，则传输的能量大部分被吸收，接收方收到的能量较少，若阻抗不匹配，发送方将信号反向散射，接收方收到的能量较多，通过比较接收端的能量多少可以实现信号的传输与解码。

环境反向散射可以直接在现有的环境中获取能量，而且节省了传统反向散射RFID中的阅读器，实现了标签之间的通信，但是由于该技术刚刚起步，所以可达到的通信距离较短，且传输过程中误码率较高。

发明内容

本发明为了解决环境反向散射通信距离较短和传输过程中误码率较高的问题，提供了一种使用差分传输和曼彻斯特编码增强反向散射的方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种使用差分传输和曼彻斯特编码增强反向散射的方法，包括以下步骤：

搭建环境反向散射设备，包括其内集成有电源管理模块的发送机与接收机，将发送机上的天线安装为两根极化方向正交的极化天线，接收机上的天线也安装为两根极化方向正交的极化天线,且极化方向和发送机极化天线的极化方向保持一致，发送机在原有结构基础上增加一个反相器，接收机包括两个包络检波器、一个模拟减法器和一个阈值比较器；

发送机与接收机各自先调整阻抗匹配状态，阻抗匹配的情况下可以从TV信号中获取能量，存储在发送机与接收机中电源管理模块的电容器中，为实现通信提供能量；

发送机与接收机各自再调整阻抗匹配状态，当阻抗不匹配时，发送机将待传输的信息进行曼彻斯特编码，再通过反相器，对信息进行翻转，形成两路同频反相信号，再将两路同频反相信号调制到TV信号中，通过反向散射TV信号可以进行信息的传输，进入通信状态；通过使用曼彻斯特编码可以有效的增加通信距离，并且由于曼彻斯特编码自带同步信息，减少了需要对接收信号做同步处理的步骤，节省了能量；

两路同频反相信号通过发送机的两根极化方向相反的极化天线分别传输，接收机的两根天线分别接收对应方向的信号，发送机与接收机使用极化方向正交的两根极化天线可以避免两路同频的信号在传输过程中受到干扰；

接收机的两根极化天线不仅接收到传输的两路同频反相信号，同样会接收到同频的TV信号，将两路信号通过包络检波器然后由模拟减法器进行相减运算，抵消掉TV信号的干扰，由于传输的是差分信号，通过相减运算，可以得到双倍的幅值，方便解码，使用差分传输与相减运算可以使用较少的模拟器件来消除干扰，在保证设备体积的情况下降低了误码率；

将相减运算后得到的信号的幅值经阈值比较器与阈值相比较，并通过曼彻斯特编码规则来解码出传输的信息。

本发明将差分传输方式和曼彻斯特编码两种方法相结合，可以最大限度的增强环境反向散射的性能，使用曼彻斯特码可以有效的增加环境反向散射传输距离，利用差分传输方式对信道中的干扰有很好的抑制作用，这样也降低了环境反向散射的误码率。

附图说明

图1为差分传输的原理图。

图2为差分传输的设计框图。

图3为曼彻斯特编码的波形图。

图1和图2中Alice和Bod为两个不需要安装电池的设备，两个设备均使用双天线，并且两个天线的极化方向均为正交的，在发送端待传输的信号首先经过一个信号反相器，然后分别在两个天线上进行传输，在接收端端，对两路信号做减法运算，然后通过阈值比较电路解码信号。

具体实施方式

一种使用差分传输和曼彻斯特编码增强反向散射的方法，包括以下步骤：

搭建环境反向散射设备，包括其内集成有电源管理模块的发送机与接收机，将发送机上的天线安装为两根极化方向正交的极化天线，接收机上的天线也安装为两根极化方向正交的极化天线,且极化方向和发送机极化天线的极化方向保持一致，发送机在原有基础上增加一个反相器，接收机包括两个包络检波器、一个模拟减法器和一个阈值比较器；

发送机与接收机各自先调整阻抗匹配状态，阻抗匹配的情况下可以从TV信号中获取能量，存储在发送机与接收机中电源管理模块的电容器中，为实现通信提供能量；

发送机与接收机各自再调整阻抗匹配状态，当阻抗不匹配时，发送机将待传输的信息进行曼彻斯特编码，再通过反相器，对信息进行翻转，形成两路同频反相信号，再将两路同频反相信号调制到TV信号中，通过反向散射TV信号可以进行信息的传输，进入通信状态；

两路同频反相信号通过发送机的两根极化方向相反的极化天线分别传输，接收机的两根天线分别接收对应方向的信号；

接收机的两根极化天线不仅接收到传输的两路同频反相信号，同样会接收到同频的TV信号，将两路信号通过包络检波器然后由模拟减法器进行相减运算，抵消掉TV信号的干扰；

将相减运算后得到的信号的幅值经阈值比较器与阈值相比较，并通过曼彻斯特编码规则来解码出传输的信息。

在反向散射的解码过程中，由于天线不仅接收传输的信号，而且也会直接接收到没有调制的TV信号、WIFI信号等，要解码传输的信息，需要消除TV信号、WIFI信号等的影响，而且考虑到能耗的问题，需要使用简单的模拟器件来实现。现有的解决办法主要有两种：一种方法是对接收的信号做平均处理来消除TV信号、WIFI信号，但是该方法限制了传输的速率，信号只能在低于平均速率下进行传输；另一种方法采用双天线结构，由于两根天线都会接受TV信号，对两根天线接收到的信号做除法运算，可以消除TV信号的干扰，这种办法对速率没有限制，但该方法需要使用大量的器件来实现除法运算，增大了设备的体积，而且通过得到的比值的大小来解码信号，由于比值之间差距较小，使用解码的准确率不是很高。

本发明采用差分传输方式来传输信息并通过简单的减法运算来消除TV信号的干扰。差分传输就是发送端在两条天线上传输幅值相等相位相反的电信号，接收端对接受的两个信号作减法运算，这样获得幅值翻倍的信号。由于接收到的两路信号中都包含TV信号，通过相减运算，可以消除TV信号的干扰，并且减法运算可以由简单的器件就可以实现，减小了设备的体积。在解码的过程中由于通过相减运算，信号的幅值翻倍，通过简单的阈值电路就可以准确的解码信号。差分传输还有很强的抗干扰性能，其抗干扰的原理是：假如两条信号线都受到了同样（同相、等幅）的干扰信号，由于接受端对接受的两条线的信号作减法运算，因此干扰信号被基本抵消。

但是将差分传输方式用到环境反向散射中有一个问题需要解决，之前的差分传输均用在有线的情况下，在无线的情况下，在两根天线上传输同频的信号，在同一信道内很容易相互干扰。如何让发送端和接收端的两根天线分别传输数据而不受到干扰？通常的解决办法是频分复用或时分复用，但由于反向散射信号均对TV信号进行反射，频率是一致的，所以频分复用不可用，假如使用时分复用的话需要对已经接收的数据进行存储，这对环境反向散射显然是不合理的。为了解决这个问题，本发明使用不同极化方向的天线来进行传输，将发送端的两个天线的线极化方向相互垂直，信号接收端的两个接收天线也同样放置，这样可以实现两根天线之间不相互干扰。

采用合适的编码方式可以有效的增加通信距离并且减少误码率。但是传统的编码机制例如CDMA使用随机序列来编码信息，例如，用“101110111”序列来表示字节0，用序列“111011011”来表示字节1，但是在解码过程中，接收端需要对接收的信号做同步处理并且做相关运算，但是这在环境反向散射中是不可能实现的，吸收的能量不足够实现相关和同步计算。现有的方法是使用正交编码，该原理仿照正余弦信号的正交性，在输出端产生类似正余弦信号的周期信号，例如：用“10101010”来表示1,“00000000”来表示0，通过在接收端计算收到的能量多少来解码信息，改方法虽然不需要对信息进行同步处理，但是它需要多位信息来代表一位信息，而且这种办法还是需要做相关运算，这无疑是浪费能量的。

为了解决这个问题，本发明首次将曼彻斯特编码用到环境反向散射中，在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从低到高跳变表示“1”，从高到低跳变表示“0”。曼彻斯特编码将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。接收方利用包含有同步信号的特殊编码从信号自身提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率，达到同步目的。

使用曼彻斯特编码可以实现自同步，并且可以只用一个时隙内的数据来表示一个字节，这样不仅节省了时间也节省了能量，是最适合环境反向散射的。曼彻斯特的原理图如图2所示，图中包含曼彻斯特编码和其反转信号，两路信号在不同极化方向的天线上传输，通过在接收端做相减运算，可以达到双倍的振幅，解码的准确率增大。

两种方法相结合可以最大限度的增强环境反向散射的性能，使用曼彻斯特码可以有效的增加传输距离，利用差分传输方式对信道中的干扰有很好的抑制作用，这样也降低了环境反向散射的误码率。