本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)涉及反向散射通信系統(tǒng)信號(hào)發(fā)送和接收方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的反向散射通信系統(tǒng)，如射頻識(shí)別(rfid)系統(tǒng)，是通過(guò)閱讀器(reader)產(chǎn)生并發(fā)送射頻正弦載波給臨近的標(biāo)簽(tag)提供能量并承載標(biāo)簽信息回傳給閱讀器。因?yàn)殚喿x器需要生成專用的射頻正弦載波，所以這種傳統(tǒng)的反向散射通信系統(tǒng)需要消耗較高的能量，且能效較低。為了解決傳統(tǒng)反向散射通信系統(tǒng)高消耗、低能效的問(wèn)題，一種環(huán)境反向散射通信技術(shù)也已在近幾年被提出。該技術(shù)利用周圍環(huán)境中的射頻信號(hào)(如wifi和電視信號(hào)等)作為載波以承載標(biāo)簽信息至閱讀器。然而，這些反向散射通信系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是，閱讀器必須知道所有相關(guān)信道的信息才能檢測(cè)出標(biāo)簽所發(fā)送的符號(hào)，這個(gè)過(guò)程是極為繁瑣且有時(shí)是困難的(特別是對(duì)于環(huán)境反向散射通信)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，就是針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種在閱讀器端不需要進(jìn)行信道估計(jì)的反向散射通信系統(tǒng)信號(hào)發(fā)送和接收方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

反向散射通信系統(tǒng)信號(hào)發(fā)送和接收方法，該反向散射通信系統(tǒng)包括射頻源、標(biāo)簽和閱讀，其中標(biāo)簽接收射頻源發(fā)送的信號(hào)，閱讀器接收射頻源發(fā)送的信號(hào)和標(biāo)簽發(fā)送的反向散射信號(hào)，其特征在于，包括：

在標(biāo)簽端：直接反射接收到的射頻源信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)天線阻抗來(lái)調(diào)制標(biāo)簽端信息，然后先發(fā)送標(biāo)記符號(hào)，再發(fā)送有用數(shù)據(jù)，所述標(biāo)記符號(hào)的內(nèi)容是閱讀器端已知的；

在閱讀器端：接收到標(biāo)簽端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，先通過(guò)已知的標(biāo)記符號(hào)重構(gòu)所有的標(biāo)記符號(hào)，再對(duì)接收的信號(hào)通過(guò)聚類算法聚類，然后通過(guò)重構(gòu)出的標(biāo)記符號(hào)區(qū)分聚類后符號(hào)的類別，最后恢復(fù)標(biāo)簽發(fā)送的有用數(shù)據(jù)符號(hào)。

本發(fā)明總的技術(shù)方案，與傳統(tǒng)方法不同的是，本發(fā)明直接對(duì)閱讀器接收到的信號(hào)進(jìn)行聚類，并利用標(biāo)簽所發(fā)送的標(biāo)識(shí)符號(hào)(labelsymbol)，來(lái)恢復(fù)出標(biāo)簽發(fā)送符號(hào)。其中，通過(guò)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行聚類可以將同一個(gè)發(fā)射符號(hào)對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)聚類到同一個(gè)類別。利用預(yù)設(shè)的標(biāo)記符號(hào)和聚類類別之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以恢復(fù)出接收信號(hào)對(duì)應(yīng)的發(fā)射符號(hào)。

進(jìn)一步的，所述通過(guò)已知的標(biāo)記符號(hào)重構(gòu)所有的標(biāo)記符號(hào)的具體方法為：

根據(jù)閱讀器的接收信號(hào)y(n)：

其中，s(n)指的是射頻源信號(hào)，c(n)是標(biāo)簽要發(fā)送的信號(hào)，ps指的是射頻源信號(hào)的功率，f為射頻源和閱讀器之間的信道響應(yīng)，g為標(biāo)簽和閱讀器之間的信道響應(yīng)，l為射頻源和標(biāo)簽之間的信道響應(yīng)，α是標(biāo)簽的反射系數(shù)，u(n)服從功率為σ²的循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯分布，即u(n)與信號(hào)s(n)和c(n)獨(dú)立；

上式也適用于傳統(tǒng)rfid系統(tǒng)，只需令s(n)＝1即可。以下就以環(huán)境反向散射通信為例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路及具體步驟。傳統(tǒng)的環(huán)境反向散射系統(tǒng)需要知道上式中所有相關(guān)信道的信息以恢復(fù)出標(biāo)簽發(fā)送信號(hào)。不同于傳統(tǒng)的環(huán)境反向散射系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)方案，本發(fā)明提出一種新型的發(fā)送與接收機(jī)設(shè)計(jì)方案，直接對(duì)閱讀器接收到的信號(hào)進(jìn)行聚類，通過(guò)標(biāo)簽發(fā)送的標(biāo)記符號(hào)指明聚類后符號(hào)的類別，從而恢復(fù)出發(fā)送符號(hào)。

由于噪聲服從cscg分布，導(dǎo)致了在給定c(n)和s(n)的條件下接收信號(hào)y(n)服從均值為方差為σ²循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯分布，y(n)的概率可以表示為：

其中，i表示c(n)和s(n)組合成的種類；

閱讀器端的接收信號(hào)可以轉(zhuǎn)化為

本發(fā)明提出標(biāo)簽端發(fā)兩個(gè)符號(hào)的方式來(lái)標(biāo)記聚類后的類別。令a表示標(biāo)記符號(hào)構(gòu)成的矩陣，即b表示標(biāo)簽端發(fā)送符號(hào)種類構(gòu)成的矩陣，即其中m與標(biāo)簽端的調(diào)制方式有關(guān)，比如標(biāo)簽端采用qpsk方式調(diào)制，則m＝4。將a設(shè)置成滿秩矩陣，則at＝b。在接收端，將接收信號(hào)y(1)、y(2)乘以t，再將得到的結(jié)果分別乘以v可重構(gòu)出所有的標(biāo)識(shí)符號(hào)，其中v與射頻源信號(hào)的調(diào)制方式有關(guān)，比如射頻源信號(hào)采用qpsk方式調(diào)制。本發(fā)明以射頻源信號(hào)采用qpsk方式調(diào)制標(biāo)簽端使用bpsk方式調(diào)制為例具體闡述本發(fā)明思想令標(biāo)記符號(hào)為2個(gè)，分別為1和-1，則將閱讀器接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為：

對(duì)閱讀器接收到的n個(gè)信號(hào)進(jìn)行聚類處理后，形成8個(gè)組，其中可以通過(guò)y(1)、y(2)乘以t再分別乘以1，重構(gòu)出其他的標(biāo)識(shí)符號(hào)，找到i個(gè)中心點(diǎn)。然后根據(jù)標(biāo)記符號(hào)所指，恢復(fù)出標(biāo)簽發(fā)送信號(hào)。由于不知道射頻源信號(hào)s(n)的信息，所以本發(fā)明不知道這8個(gè)中心點(diǎn)和射頻源信號(hào)之間的關(guān)系，但是本發(fā)明可以確定其中哪4個(gè)對(duì)應(yīng)于c(n)＝1，故借此可以恢復(fù)出標(biāo)簽信號(hào)。

本發(fā)明的有益效果在于，相對(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)，本發(fā)明的方法可大大提高接收機(jī)的檢測(cè)性能，且不需要復(fù)雜繁瑣的信道估計(jì)步驟。

附圖說(shuō)明

圖1示出了本發(fā)明的系統(tǒng)模型；

圖2示出了本發(fā)明的接收機(jī)檢測(cè)框圖；

圖3示出了本發(fā)明聚類后的發(fā)送符號(hào)標(biāo)注方法；

圖4示出了本發(fā)明em算法的流程圖。

圖5示出了本發(fā)明提出的環(huán)境反向散射系統(tǒng)發(fā)送與接收機(jī)設(shè)計(jì)方案在awgn信道下的性能；

圖6示出了本發(fā)明提出的環(huán)境反向散射系統(tǒng)發(fā)送與接收機(jī)設(shè)計(jì)方案在瑞利信道下的性能。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。

圖1示出了本發(fā)明的系統(tǒng)模型，接收機(jī)接收射頻源的信號(hào)和標(biāo)簽反向散射的信號(hào)，接收信號(hào)為

其中，s(n)指的是射頻源信號(hào)，c(n)是標(biāo)簽要發(fā)送的信號(hào)，ps指的是射頻源信號(hào)的功率，f為射頻源和閱讀器之間的信道響應(yīng)，g為標(biāo)簽和閱讀器之間的信道響應(yīng)，l為射頻源和標(biāo)簽之間的信道響應(yīng)，α是標(biāo)簽的反射系數(shù)，u(n)服從功率為σ²的循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯(cscg)分布，即u(n)與信號(hào)s(n)和c(n)獨(dú)立。由于噪聲服從cscg分布，導(dǎo)致了在給定c(n)和s(n)的條件下接收信號(hào)y(n)服從均值為方差為σ²循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯分布，y(n)的概率可以表示為：

圖2示出了本發(fā)明接收機(jī)檢測(cè)框圖，本發(fā)明接收機(jī)的檢測(cè)過(guò)程包括4個(gè)過(guò)程，本發(fā)明首先進(jìn)行標(biāo)記重構(gòu)，將標(biāo)簽發(fā)送的有限個(gè)標(biāo)記符號(hào)重構(gòu)出射頻源信號(hào)和標(biāo)簽信號(hào)的所有可能性；然后將重構(gòu)出來(lái)的所有標(biāo)記符號(hào)作為中心點(diǎn)，對(duì)將閱讀器接收到的n個(gè)信號(hào)進(jìn)行聚類，形成i個(gè)組；再根據(jù)標(biāo)記符號(hào)來(lái)指明這些組分別對(duì)應(yīng)于標(biāo)簽發(fā)送的哪個(gè)符號(hào)；最后根據(jù)標(biāo)記符號(hào)所指，恢復(fù)出標(biāo)簽發(fā)送信號(hào)。

圖3示出了本發(fā)明瑞利信道下接收信號(hào)的聚類。射頻源信號(hào)采用qpsk調(diào)制方式調(diào)制，標(biāo)簽信號(hào)采用bpsk調(diào)制方式調(diào)制，有8種組合情況，標(biāo)簽在發(fā)送有用信號(hào)前發(fā)送兩個(gè)標(biāo)記符號(hào)1，-1，圖中空心點(diǎn)是c＝-1對(duì)應(yīng)的所有情況，實(shí)心點(diǎn)是c＝1對(duì)應(yīng)的所有情況，標(biāo)簽端發(fā)送的兩個(gè)標(biāo)識(shí)符號(hào)所在的位置已經(jīng)由箭頭指出，故可以通過(guò)由兩個(gè)標(biāo)識(shí)符號(hào)分別乘以重構(gòu)出其他的標(biāo)識(shí)符號(hào)，然后根據(jù)標(biāo)記符號(hào)所指，恢復(fù)出標(biāo)簽發(fā)送信號(hào)。

圖4表示了本發(fā)明提出的em算法流程圖。本發(fā)明采用的期望最大化(em)算法求得高斯混合分布的參數(shù)，并對(duì)yk進(jìn)行聚類。最大似然函數(shù)為

由于在通信系統(tǒng)中，發(fā)送端以相等概率發(fā)送各符號(hào)，并且噪聲的方差在不同時(shí)刻保持不變，i個(gè)高斯分布具有相同的協(xié)方差矩陣，故本發(fā)明利用這些先驗(yàn)信息，令可得

在em算法中通過(guò)引入隱變量來(lái)求參數(shù)。本發(fā)明引入隱變量z來(lái)最大化似然函數(shù)求解，其中zi∈{0,1}，并且即z中只有元素為1。y(n)屬于第i組的概率為

將(5)式中的函數(shù)關(guān)于均值和協(xié)方差分別求導(dǎo)等于0可得

通過(guò)將上面3個(gè)公式進(jìn)行迭代就可以求得高斯混合分布的參數(shù)，并將其分類。迭代過(guò)程由圖4給出。γ(zni)中對(duì)于i＝1,…,i中最大值對(duì)應(yīng)的下標(biāo)代表y(n)所在的組，將數(shù)據(jù)聚類好之后，再用y(1)、y(2)及其生成的值標(biāo)記每一組所代表的符號(hào)，這樣就完成環(huán)境反向散射系統(tǒng)的檢測(cè)解碼過(guò)程。

本發(fā)明利用的em算法也可不局限于等概率發(fā)送符號(hào)場(chǎng)景，同時(shí)，噪聲的方差也可隨時(shí)間變化。另外，本發(fā)明也不局限于利用em算法來(lái)求得高斯混合分布的參數(shù)。

圖5示出了本發(fā)明提出的環(huán)境反向散射系統(tǒng)發(fā)送與接收機(jī)設(shè)計(jì)方案在加性高斯白噪聲(awgn)信道下的性能。在仿真過(guò)程中，射頻源信號(hào)采用qpsk調(diào)制方式調(diào)制，標(biāo)簽信號(hào)采用bpsk調(diào)制方式調(diào)制，采用1000個(gè)點(diǎn)進(jìn)行聚類，并且設(shè)置標(biāo)簽端的反射系數(shù)為0.1，誤碼率為100次實(shí)驗(yàn)的平均值。通過(guò)和最大似然(ml)檢測(cè)下的性能對(duì)比來(lái)說(shuō)明本發(fā)明所提出方案的良好性能。這里，最大似然檢測(cè)性能是在信道信息完全準(zhǔn)確知道情況下所能得到的理論下界。通過(guò)仿真圖可以看出在信噪比超過(guò)16db之后，本發(fā)明提出方案的性能與已知或未知射頻源信號(hào)的最大似然檢測(cè)下的性能幾乎相同。

圖6示出了本發(fā)明提出的環(huán)境反向散射系統(tǒng)發(fā)送與接收機(jī)設(shè)計(jì)方案在瑞利信道下的性能。在仿真過(guò)程中，射頻源信號(hào)采用qpsk調(diào)制方式調(diào)制，標(biāo)簽信號(hào)采用bpsk調(diào)制方式調(diào)制，采用1000個(gè)點(diǎn)進(jìn)行聚類，并且設(shè)置標(biāo)簽端的反射系數(shù)為0.1，誤碼率為1000次實(shí)驗(yàn)的平均值。通過(guò)仿真圖可知，隨著信噪比的增大，本發(fā)明提出的方案漸漸接近于最大似然估計(jì)，在30db之后,本發(fā)明提出方案的性能與已知或未知射頻源信號(hào)的最大似然檢測(cè)下的性能幾乎相同。