全雙工環(huán)境反向散射通信網(wǎng)絡(luò)的綠色物聯(lián)網(wǎng)

李皎皎，馮 鋒

（寧夏大學(xué) 信息工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)作為一種新興的網(wǎng)路技術(shù)，在20世紀90年代便被提出[1]，但是和同一時代提出的幾乎6年就更換一代的移動通信系統(tǒng)相比，物聯(lián)網(wǎng)還是處于發(fā)展初期。從現(xiàn)在的形式來看，隨著經(jīng)濟及移動設(shè)備的迅速發(fā)展，移動通信仍憑其應(yīng)用之廣和接入之便，不再局限于人與人的溝通，人與物的溝通，而更注重物與物的通信，信息通信將成為維持整個社會生態(tài)系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的信息大動脈，所以物聯(lián)網(wǎng)會是第五代移動通信技術(shù)（5G）及未來移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵應(yīng)用場景[2]。并且隨著網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)將會遍布生活、工作、學(xué)習(xí)的每個角落[3-5]。

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展之所以緩慢是其存在一些瓶頸：首先，傳感器的能源，多數(shù)傳感器需要存儲式電源，不便捷、需人工維護及不夠可靠；其次，傳感器的成本，部署傳感器確實有利于生活、生產(chǎn)，但其電路及維護成本太高，沒有足夠的利益驅(qū)動傳感器和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展；再次，物聯(lián)網(wǎng)缺乏有效的架構(gòu)和機制，物聯(lián)網(wǎng)最終目標是萬物互通互聯(lián)，而大多單位、部門、公司構(gòu)建各自獨立的物聯(lián)網(wǎng)，并沒有真正的實現(xiàn)互聯(lián)。學(xué)術(shù)界針對傳感器的能源問題，興起了對反向散射技術(shù)的研究熱潮，并將其作為未來物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵通信技術(shù)。反向散射技術(shù)有效地保證了低功耗甚至是零功耗的同時提供低速率通信。反向散射通信技術(shù)包含應(yīng)用于射頻識別（RFID）系統(tǒng)的傳統(tǒng)反向散射技術(shù)及雙站反向散射、環(huán)境反向散射及轉(zhuǎn)型反向散射技術(shù)等新型反射通信技術(shù)。

1 RFID系統(tǒng)模型

1.1 RFID系統(tǒng)工作過程

一般情況，典型的RFID 系統(tǒng)包括閱讀器、電子標簽以及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)三部分[6]，如圖1所示。系統(tǒng)的工作原理主要有兩種方式：電感耦合方式、電磁反向散射耦合方式。兩種信息傳遞過程包括建立應(yīng)答機制、信號的放射與接收，4 個工作步驟如下[7]：

1）閱讀器由內(nèi)置發(fā)射天線發(fā)出一定頻率的射頻（RF）信號，當(dāng)電子標簽進入天線的工作區(qū)域產(chǎn)生感應(yīng)電流，標簽便獲得能量被激活；

2）電子標簽憑借上一步產(chǎn)生的感應(yīng)電流將自身編碼等信息通過卡里內(nèi)置的發(fā)送天線發(fā)送出去；

3）系統(tǒng)接收發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對接收到的信號進行解調(diào)和解碼后送到后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進行相關(guān)的處理；

4）后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PC 端或手機端）進行進一步處理，如根據(jù)邏輯運算判斷此卡的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構(gòu)動作。

圖1 RFID 系統(tǒng)的模型Fig.1 Model of RFID system

標簽與閱讀器之間是通過天線架起的空間電磁波傳輸通道，其按照通信距離可分為近場和遠場。相應(yīng)地，它們之間的數(shù)據(jù)交換方式分別有負載調(diào)制和反向散射調(diào)制，本文著重介紹反向散射調(diào)制。反向散射調(diào)制技術(shù)是指無源RFID 射頻標簽將數(shù)據(jù)發(fā)送回閱讀器所采用的通信方式，射頻標簽返回數(shù)據(jù)方式是通過控制天線的阻抗，而控制射頻標簽天線阻抗的方式有多種，但都是基于一種稱為“阻抗開關(guān)”的方式。采用的幾種阻抗開關(guān)有變?nèi)荻O管、邏輯門、高速開關(guān)等，其原理如圖2所示。

圖2 標簽阻抗控制方式Fig.2 Mode of label impedance control

其中具有兩種電平的數(shù)據(jù)信號被發(fā)送之后，通過一個簡單的混頻器（邏輯門）與中頻信號完成調(diào)制，調(diào)制結(jié)果連接到一個阻抗開關(guān)，由阻抗開關(guān)改變天線的反射系數(shù)，從而對載波信號完成調(diào)制。在整個數(shù)據(jù)鏈路中，通過用一個發(fā)射機，完成雙向的數(shù)據(jù)通信，這種方式一般適用于高頻、微波工作的遠距離射頻識別系統(tǒng)，典型的工作頻率有 433 MHz，915 MHz，2.45 GHz 和 5.8 GHz，識別作用距離大于1 m，典型作用距離[8]為3～10 m。

1.2 傳統(tǒng)反向散射的能量傳遞

1.2.1 閱讀器到電子標簽的能量傳輸

在距離為R的射頻標簽處的功率密度為：

式中：PRy為閱讀器的發(fā)射功率；GTy為發(fā)射天線的增益；R為標簽到閱讀器的距離。

與入射波的功率密度成正比的電子標簽所吸收的最大功率，可表示為：

式中，EIRP（等效各向同性輻射功率）為天線有效輻射功率，是指閱讀器發(fā)射功率和天線增益的乘積。

1.2.2 電子標簽到閱讀器的能量傳輸

電子標簽返回能力為：

返回閱讀器的功率密度為：

從中可以看出無源RFID 系統(tǒng)標簽通過電磁場供電，標簽功耗越大，讀寫距離越短，性能越差。其標簽?zāi)芊窆ぷ髦饕蓸撕灥墓ぷ麟妷簛頉Q定，這便大大限制了無源射頻識別系統(tǒng)的識別距離。

可見傳統(tǒng)反向散射技術(shù)缺點明顯，不僅無線信號路徑損耗大，受限于距離，還得需要一個專門的射頻信號，而未來物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備比當(dāng)下對能源、成本和復(fù)雜性有更加嚴格的限制，作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)——射頻識別技術(shù)，無法在無源設(shè)備之間進行通信，同時RFID 中存在通信距離短、路徑損耗嚴重以及設(shè)備依賴電源等缺點[9]。為克服以上缺點，環(huán)境反向散射技術(shù)通過反向散射設(shè)備（BD）在環(huán)境中的射頻載波（例如WiFi，TV 或蜂窩信號）上調(diào)制其信息符號，而不使用復(fù)雜和耗電的射頻發(fā)射器[10]。環(huán)境反向散射通信已成為節(jié)能、經(jīng)濟高效的物聯(lián)網(wǎng)通信中一種有前途的技術(shù)。

2 全雙工環(huán)境反向通信網(wǎng)絡(luò)（ABCN）系統(tǒng)模型

環(huán)境反向散射技術(shù)作為正在興起的技術(shù)，文獻[11]預(yù)計，利用環(huán)境反向散射技術(shù)將帶來新一代的RFID 革命，加速物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。在文獻[12]中，反向散射設(shè)備波形和反向散射接收機檢測器共同設(shè)計用于抵消來自環(huán)境正交頻分復(fù)用（OFDM）信號的直接鏈路干擾。在文獻[13]中提出一種全雙工環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)，其中WiFi 接入點解碼接收到的反向散射信號的同時，將WiFi包傳輸?shù)狡鋫鹘y(tǒng)客戶端。

2.1 全雙工環(huán)境反向通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作過程

本文構(gòu)建由全雙工接入點、用戶，以及在正交頻分復(fù)用載波環(huán)境中反向散射設(shè)備構(gòu)建的全雙工環(huán)境反向散射通信網(wǎng)絡(luò)組成的全雙工環(huán)境反向通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，如圖3所示。

圖3 全雙工環(huán)境反向通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型Fig.3 Model of network system of full-duplex environment reverse communication

該系統(tǒng)模型包含有兩個共存的通信系統(tǒng)：一個由全雙工接入點（FAP）和N個反向散射設(shè)備組成的環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)；另一個是由兩條天線（可用于同時進行信息傳輸和接收）、FAP 及其用戶組成的傳統(tǒng)通信系統(tǒng)。本文著重研究環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)，其中FAP 將正交頻分復(fù)用信號發(fā)送給用戶，BD 通過其接收的環(huán)境中的正交頻分復(fù)用載波并將其調(diào)制成信號發(fā)送回FAP；BD 通過故意切換負載阻抗來調(diào)制其接收到的環(huán)境中的正交頻分復(fù)用載波，改變其反向散射信號的幅度和相位。將FAP 接收的反向散射信號最終解碼，并使用能量收集器收集來自環(huán)境中正交頻分復(fù)用信號的能量來補充BD 所有模塊供電電池。其中每個BD 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，包含反向散射天線、開關(guān)負載阻抗、微控制器、信號處理器、能量采集器及其他模塊，如電池、存儲器、感測。

圖4 反向散射設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Internal structure of backscatter equipment

不同于有線信號、無線信號的傳播受時間、頻率等影響比較大，對于幀的傳輸，由N個時隙組成且每個持續(xù)時間T（s）的幀中，F(xiàn)AP 在向用戶發(fā)送下行鏈路正交頻分復(fù)用信號的同時，并以時分多址（TDMA）方式接收從所有BD 反向散射的上行鏈路信號。幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 ABCN的幀結(jié)構(gòu)Fig.5 Frame structure of ABCN

時間段τnT（其中時間部分τn的取值為（0≤τn≤1））的第n個時隙被分配給第n個BD，而表示反向散射時間部分矢量在第n個時隙中，BDn反射其部分事件信號，以便將信息傳輸?shù)紽AP，并從剩余的事件信號中獲取能量，而所有其他BD只從收到的正交頻分復(fù)用信號中收集能量。

2.2 全雙工環(huán)境反向散射的能量傳遞

假設(shè)圖3為塊衰落信道模型。hl是從FAP到用戶的Lh路徑直接鏈路信道響應(yīng)；fn，l為從FAP到第n個BD的Lf路徑前向信道響應(yīng)；gn，l是從第n個BD到FAP的Lg路徑反向信道響應(yīng)；vn，l是從第n個BD到用戶的Lv路徑干擾信道響應(yīng)，其中n=1，2，…，N。M是發(fā)送的OFDM信號的子載波數(shù)量，則對于每個信道，第k個子載波的頻率響應(yīng)定義為

式中：時間索引t=0,1,2,…,M-1；Pn,k是在第n個時隙中的第k個子載波上分配功率。子載波功率值受到平均功率約束的限制，即其中是所有時隙中的總發(fā)射功率。表示子載波功率分配的矩陣其中pn是第n個時隙中的子載波功率分配矢量。

在第n個時隙中，第n個BD的入射信號為其中?表示卷積運算，設(shè)為第n個BD 的功率反射系數(shù)，并表示向量α=從上述系統(tǒng)模型及文獻[14]得，第n個BD 在所有插槽中的總采集能量為：

在FAP 進行CP 去除和離散傅里葉變換操作后，接收到的頻域信號為：

并且所得到的解碼信噪比（SNR）是：

因此，標準化為T的第n個BD 的吞吐量為：

類似于式（4），用戶接收到的頻域信號可寫為：

式中，?k，n頻域噪聲

與式（7）類似，將反向散射鏈路信號視為干擾，用戶的總吞吐量為：

3 結(jié) 論

針對由能源問題致使物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展緩慢這個現(xiàn)狀，研究了兩種反向散射技術(shù)：一種是傳統(tǒng)反向散射技術(shù)；另一種是環(huán)境反向散射技術(shù)。通過總結(jié)的能量傳遞公式看出，傳統(tǒng)的反向散射技術(shù)在RFID 系統(tǒng)中存在路徑損耗嚴重、設(shè)備依賴電源以及通信距離短等局限性，為此設(shè)計環(huán)境OFDM 載波上的全雙工AmBC 網(wǎng)絡(luò)。通過分析全雙工環(huán)境反向散射的能量傳遞可以看出，該網(wǎng)絡(luò)中是通過環(huán)境中的射頻（RF）載波傳輸信息，而無需使用RF 發(fā)射器；能量收集器收集來自環(huán)境中正交頻分復(fù)用信號的能量來補充BD 所有模塊供電電池，而不需要額外的儲蓄電池，更加環(huán)保和節(jié)能，滿足未來物聯(lián)網(wǎng)對能源、成本和復(fù)雜性的嚴格限制。