基于BPSK調(diào)制的多通道環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)

葛翔昊

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司谷城縣供電公司，湖北 襄陽 441700）

0 引 言

無線電力傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）技術(shù)無須通過導(dǎo)線直接接觸即可完成電能輸送，可節(jié)省電纜成本和有線傳輸?shù)碾娮钃p耗，同時安全性高，供電方式靈活，適應(yīng)范圍廣，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界引起了廣泛的關(guān)注[1,2]。環(huán)境反向散射技術(shù)作為無線電力傳輸?shù)囊粋€新興方向，具有成本低、頻帶利用率高、能耗低等特點(diǎn)，吸引了無線電力傳輸領(lǐng)域研究人員的目光[3]。在環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)中，無線反向散射標(biāo)簽從周圍環(huán)境收集射頻（Radio Frequency，RF）信號，如電視塔或者Wi-Fi信號，然后將自身的比特信息調(diào)制到RF信號，并反向散射到接收器。由于環(huán)境反向散射技術(shù)基于射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)提出，環(huán)境反向散射所用的設(shè)備也被稱為標(biāo)簽（Tag）。在該類系統(tǒng)中，標(biāo)簽不需要專用的射頻發(fā)射器，即可實(shí)現(xiàn)無源發(fā)射器和接收器之間的無線通信，適用于未來的綠色物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)[4]。

1 環(huán)境反向散射研究

近年來，關(guān)于環(huán)境反向散射的研究越來越多。例如：基于正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）載波的環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)將直接鏈路信號視為干擾信號，利用OFDM信號的循環(huán)前綴結(jié)構(gòu)恢復(fù)標(biāo)簽的信息來消除干擾信號，且循環(huán)前綴的長度越長，標(biāo)簽獲得的性能更好[5]。環(huán)境反向散射也被用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)方向，標(biāo)簽可作為非授權(quán)用戶，從主發(fā)射器獲取能量發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，標(biāo)簽可以工作在基于“underlay”或者“overlay”的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中。王智民提出了協(xié)同接收器來恢復(fù)RF信號和標(biāo)簽信號，并指出連續(xù)干擾消除檢測器可以接近最大似然（Maximum Likelihood，ML）檢測器的誤碼率（Bit Error Ratio，BER）。目前，學(xué)術(shù)界在此方面的研究大多數(shù)集中在一個標(biāo)簽的環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)上，對于多通道環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)的研究較少。因此，研究了一種新的多通道環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)，同時接收射頻和多標(biāo)簽信號，并對它們的比特信息進(jìn)行譯碼。設(shè)計思路是先獲得2種場景下多通道環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)的ML檢測器信號，在此基礎(chǔ)上可以得到每個場景下ML檢測器檢測誤碼率的封閉表達(dá)式，最后通過仿真驗(yàn)證計算結(jié)果。

2 反向散射通信技術(shù)

反向散射通信技術(shù)利用無源設(shè)備通過調(diào)制反射信號進(jìn)行無線通信，主要包括反向散射標(biāo)簽和讀卡器2部分。反向散射標(biāo)簽是一種被動射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）標(biāo)簽，只能通過接收讀卡器的RF信號進(jìn)行供能，并通過相應(yīng)的反向散射信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

讀卡器向標(biāo)簽發(fā)射一段連續(xù)波信號，經(jīng)過耦合傳入反向散射標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)的調(diào)制器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信號，然后利用反射器改變標(biāo)簽的反射狀態(tài)。改變后的反射信號會經(jīng)過散射矩陣和反射器進(jìn)行耦合，進(jìn)而反射回讀卡器天線。讀卡器接接收回波信號并進(jìn)行信號處理，就可以將標(biāo)簽的數(shù)據(jù)解調(diào)出來。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)框架

文章提出的多通道環(huán)境反向散射電力通信系統(tǒng)主要包含RF源、多通道反向散射標(biāo)簽、聯(lián)合檢測器以及信號處理模塊4部分。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 RF源設(shè)計

RF源是整個系統(tǒng)的信號源，主要由穩(wěn)壓電源、本振、振蕩電路和功放等部分構(gòu)成。文章采用Si4463射頻芯片作為主要的射頻芯片，并搭配一個2.4 GHz個人計算機(jī)（Personal Computer，PC）端口的單片機(jī)控制信號。

3.2.2 多通道反向散射標(biāo)簽設(shè)計

多通道反向散射標(biāo)簽主要包含天線匹配、RF信號解調(diào)、數(shù)據(jù)加工和調(diào)制等功能模塊。為支持多通道通信，文章采用一種新型的反向散射標(biāo)簽設(shè)計，即利用反射器和反射系數(shù)變化實(shí)現(xiàn)不同通道的多路復(fù)用。標(biāo)簽發(fā)射的反射信號可以被多個天線接收，從而實(shí)現(xiàn)多通道通信。

3.2.3 聯(lián)合檢測器設(shè)計

文章提出的多通道環(huán)境反向散射電力通信系統(tǒng)的核心是聯(lián)合檢測器，主要用于實(shí)現(xiàn)RF源數(shù)據(jù)和標(biāo)簽數(shù)據(jù)的聯(lián)合檢測。多通道反向散射標(biāo)簽通過改變反射信號的幅度和相位實(shí)現(xiàn)多通道通信，因此聯(lián)合檢測器需要融合多個天線接收到的反射信號。

文章采用一種基于似然比檢測的融合方法，即將多個天線接接收的反射信號進(jìn)行組合，計算各個通道的似然比值，并進(jìn)行最終決策。該方法具有較高的信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）和較低的比特誤碼率。

3.2.4 信號處理模塊設(shè)計

信號處理模塊主要用于對接收的信號進(jìn)行數(shù)字化處理，并輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號。本研究主要采用通過檢測信號振幅判別數(shù)字信號。

3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主要采用硬件和軟件相結(jié)合的方式。其中：硬件采用一整套高速和高精度的測試儀器，如多入多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）信號發(fā)生器、多天線接收系統(tǒng)、高速數(shù)字采樣卡等；軟件采用自主研發(fā)的軟件平臺，主要包括數(shù)據(jù)采集、信號融合和數(shù)字信號處理等部分。系統(tǒng)各部分功能如下。

（1）發(fā)射端。首先，PC端通過RS-232與信號發(fā)生器進(jìn)行通信，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過Si4463芯片進(jìn)行射頻調(diào)制，并通過天線發(fā)射出去。

（2）接收端。天線接收反向散射信號后，RF信號經(jīng)過射頻放大器進(jìn)行放大，通過上變頻器從高頻轉(zhuǎn)換成中頻，然后到達(dá)數(shù)字采樣卡，進(jìn)行模擬信號的數(shù)字化處理。

（3）信號處理。由于標(biāo)簽數(shù)據(jù)和RF源數(shù)據(jù)的不同特性，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理，主要包括基帶信號分離、濾波和降噪等步驟。最后，通過二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制技術(shù)，將接收的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。

4 系統(tǒng)建模

環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)模型如圖1所示。該系統(tǒng)由1個RF源、M個反向散射標(biāo)簽和1個接收器組成，并且每個反向散射標(biāo)簽都配置了一根天線。標(biāo)簽中包括單個反向散射天線、能量收集裝置、微控制器、存儲器、可變負(fù)載阻抗以及電池。該系統(tǒng)可從環(huán)境信號中收集能量為電池充電，然后進(jìn)行傳感和數(shù)據(jù)計算。當(dāng)標(biāo)簽有數(shù)據(jù)傳輸需求時，通過調(diào)整負(fù)載阻抗，將比特信息調(diào)制成為來自RF源的高頻信號。當(dāng)阻抗匹配時，接收信號被完全吸收，否則信號被反射。該過程中，接收器同時采集和檢測來自多個標(biāo)簽的RF信號和反向散射信號，其中反向散射信號的幅度和相位由反射系數(shù)決定。

圖1 多通道環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)模型

設(shè)定h0為從RF源到接收器的直接信道系數(shù)，fi為從RF源到第i個標(biāo)簽的前向信道系數(shù)，gi為從第i個標(biāo)簽到接收器的后向信道系數(shù)。假設(shè)信道之間彼此獨(dú)立，并且其在接收器處已知。設(shè)定s(n)∈As表示RF源的發(fā)射信號，As表示發(fā)射信號峰值，Ts表示信號周期，ci(n)∈Ac表示信號周期為Tc的第i個標(biāo)簽的傳輸信號，Ac表示傳輸信號峰值，表示標(biāo)簽的反射系數(shù)。P表示RF源發(fā)射功率，表示直接鏈路的平均功率，表示反向散射鏈路的平均功率，標(biāo)簽沒有附加噪聲。表示第i個標(biāo)簽接收的來自RF源的信號，并且標(biāo)簽用反射系數(shù)在其上調(diào)制ci(n)，則表示第i個標(biāo)簽的反向散射信號，接收器在第n個標(biāo)簽接收的信號為

式中：ω(n)表示接收的噪聲，在時域上的范圍為ω(n)～CN(0,σ2)，σ2表示方差。

于是，有

為使表達(dá)更加方便，將信噪比表示為

實(shí)際上，標(biāo)簽可能具有比RF源更小的符率，例如Rs=NRc表示c在s的N個符號中保持不變，其中N∈Z+，Rs=1/Ts，Rc=1/Tc。為便于分析，假設(shè)P=1，βh=1，那么接收機(jī)接收的信號為

式中：Y表示接收矢量；S表示RF矢量；W表示噪聲矢量；Hi表示信道矩陣，i=1,2,3,…,n。這些向量的公式為

在該系統(tǒng)中，接收器從RF源和多個標(biāo)簽上接收信號，這些標(biāo)簽的比特信息都附在RF源上。因此，與傳統(tǒng)的多用戶信號檢測不同，射頻和標(biāo)簽的信號不獨(dú)立，正交信號檢測方法在這里無效。

對于多通道環(huán)境反向射通信系統(tǒng)聯(lián)合檢測，ML檢測器是能夠使等概率發(fā)送信號的比特誤碼率最小化的最佳檢測器。當(dāng)給定x為

則ML的檢測值為

具體為

多通道環(huán)境反向射通信系統(tǒng)聯(lián)合檢測與ML檢測器具有相同性能，但是更易于分析。假設(shè)給出標(biāo)簽的符率來檢測RF信號，可以得到s(n)（1＜n＜N）的條件比特誤碼率，同樣可以得到cj（1＜j＜M）的比特誤碼率。

5 結(jié) 論

文章研究了多通道環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)，采用聯(lián)合檢測的方法，分析了在BPSK調(diào)制下等數(shù)據(jù)速率和不等數(shù)據(jù)速率2種情況下RF源和標(biāo)簽的誤碼性能。結(jié)果表明，當(dāng)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)速率低于環(huán)境RF信號時，可以為標(biāo)簽帶來分集增益，在高信噪比下進(jìn)一步增加系統(tǒng)的容量。目前，對于環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)的研究還處于起步階段，但是隨著對于“高效實(shí)用、智能綠色、安全可靠”的現(xiàn)代化設(shè)備的迫切需求，“碳達(dá)峰”和“碳中和”將會是長期要肩負(fù)的使命，因此對于多通道環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)的深入研究非常必要，對于踐行綠色通信具有十分重要的意義。