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CN115441988A - 一种基于Rateless LDPC码的可靠WiFi反射通信系统 - Google Patents

一种基于Rateless LDPC码的可靠WiFi反射通信系统 Download PDF

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CN115441988A CN202210829582.9A CN202210829582A CN115441988A CN 115441988 A CN115441988 A CN 115441988A CN 202210829582 A CN202210829582 A CN 202210829582A CN 115441988 A CN115441988 A CN 115441988A
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Abstract

一种基于Rateless LDPC码的可靠WiFi反射通信系统，包括激励信号源、反射标签、接收机，所述激励信号源发出的信号经过反向散射链路上的反射标签发射到接收机上，所述反射标签在收到激励信号源发射的激励信号后，通过阻抗匹配将要发送的信息附于激励信号上，然后生成LDPC码生成矩阵，再通过调制发送给接收机；接收机收到信息后解码，若解码成功则返回给标签表示解码成功，标签就会继续发送下一帧信息编码，否则再经过一段时间反射标签没有收到信号后，更改LDPC码生成矩阵，对信息重新编码并重新发送信息帧，直到译码成功。本发明通过LDPC编码，利用搭载在WiFi信号上反射的信息，可克服长距离传输的干扰或信道条件不好的情况，也可克服WiFi数据包的间隔性，做到可靠传输。

Description

一种基于Rateless LDPC码的可靠WiFi反射通信系统
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于Rateless LDPC码的可靠WiFi反射通信系统。
背景技术
反射通信由于其低能耗的特点，逐渐应用于物联网硬件的数据交互。如图1所示，反射通信系统主要由三部分组成：激励源、反射标签和接收器。反射标签接收来自激励源的射频信号，并通过改变其负载阻抗对其进行调制。然后，需要发送的数据被附到射频信号上并传输给接收器。从整个过程可以看出，标签需要做的是反射调整后的射频信号，而不需要产生自己的能量来发射信号，这就是反射通信超低功耗的原因。
在日常生活中，电视信号、蓝牙信号、调频信号等可以作为电视、蓝牙设备、广播设备等激励源发送的射频信号。显然，反射标签反射无线接入点发送的用于传输信息的WiFi信号的方式被称为WiFi反射通信。WIFI在现实生活中无处不在。无论是在公共场合还是在家里，无线接入点都会一直发出WIFI信号。因此，该技术非常通用，易于部署，除反射标签外无需添加其他设备。
然而，它仍然存在一些缺点，例如在长距离传输过程中严重的信号干扰，以及WIFI数据包之间的间隙，也称为WIFI中断，这将导致接收器丢失一些信息。另外，还需要实际部署中考虑运输资源的分配。现实中的渠道条件是动态的，而不是不变的。当预设的信道参数大于实际信道参数时，会造成传输资源的浪费。当预设信道参数小于实际信道参数时，无法实现可靠传输，也无法满足反射通信的基本要求。
发明内容
为了在对抗信号传输时的干扰，WiFi信号间断性的干扰的同时，自适应链路状况，使信号传输资源得到最大利用率，为此，本发明提出了一种基于Rateless LDPC码的可靠WiFi反射通信系统，具体方案如下：
一种基于Rateless LDPC码的可靠WiFi反射通信系统，包括激励信号源、反射标签、接收机，所述激励信号源发出的信号经过反向散射链路上的反射标签发射到接收机上，所述反射标签在收到激励信号源发射的激励信号后，通过阻抗匹配将要发送的信息附于激励信号上，然后生成LDPC码生成矩阵，再通过调制发送给接收机；接收机收到信息后解码，若解码成功则返回给标签表示解码成功，标签就会继续发送下一帧信息编码，否则再经过一段时间反射标签没有收到信号后，更改LDPC码生成矩阵，对信息重新编码并重新发送信息帧，直到译码成功。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过LDPC编码，利用搭载在WiFi信号上反射的信息，可以克服长距离传输的干扰或信道条件不好的情况，也可以克服WiFi数据包的间隔性，做到可靠传输。
(2)本申请通过编码可以克服较短的WiFi静默期，对抗信道干扰并且自适应链路状况，最大化传输资源利用率，从而实现可靠反射通信。
(3)使用Rateless思想对解码算法进行改变，使反射标签可以根据当前信道状况来选择重发次数，保证信息传输资源的最大利用率，自适应链路状况。
(4)使用基于Rateless LDPC编码的反射通信系统，标签能够在泛在Wifi信号上可靠传输信息的同时无需其他能量，标签和激励源之间也无需协商，实现无源反射通信系统。
附图说明
图1为背景技术中指出的基本反射通信系统图。
图2为一种基于Rateless LDPC码的可靠WiFi反射通信系统的模块架构图。
图3为BP算法流程图。
图4为Tanner图。
图5为Rateless LDPC译码算法图。
具体实施方式
如图2所示，一种基于Rateless LDPC码的可靠WiFi反射通信系统，包括作为激励源的WiFi发送器，反射标签以及接收机。WiFi发送器发送的WiFi信号经过反射标签发射到接收机上，从而实现信息交互。反射标签在收到激励信号后，通过阻抗匹配将要发送的信息附于激励信号上，然后生成LDPC码的生成矩阵，用来对信息加以编码，再通过OOK调制方式发送给接收机。接收机收到信息后，通过BP算法进行迭代解码，若解码成功则返回ACK信号给标签表示解码成功，标签就会继续发送下一帧信息编码，否则再经过一段时间反射标签没有收到ACK信号后，便会更改生成矩阵对信息重新编码并重新发送信息帧，直到译码成功。
以下分别对反射标签、发射机进行详细的描述。
反射标签
如图2所示，反射标签包括分帧模块、索引矩阵产生器、生成矩阵产生器、RatelessLDPC编码器，调制器，所述分帧模块形成数据帧，索引矩阵产生器产生一个索引矩阵，生成矩阵产生器由索引矩阵来生成一个生成矩阵，Rateless LDPC编码器将生成矩阵与数据帧相乘进行编码，然后由调制器进行OOK调制，将调制好的信号反射发送给接收机。
分帧模块用于将由比特表示的信息序列处理形成一帧一帧的数据帧，所述信息序列由传感器获得，经过处理后发送到接收机。索引矩阵产生器用于产生索引矩阵，索引矩阵的形式如公式(1)所示，P是一个m*n矩阵，第s行第t列的元素P(s,t)＝atbs，其中a，b是素数，x，y为正整数。
Figure BDA0003747680850000041
之所以设定x，y为正整数，是因为若接收机没有返回ACK信号则表示译码失败，那么反射标签需要对数据帧进行重新编码，这就需要新的索引矩阵来形成新的生成矩阵。通过改变x，y的值理论上可以生成无限个不同的索引矩阵，由此来生成无数个不同的生成矩阵。
设定校验矩阵H的形式为H＝[H1，H2]；其中H1是根据公式(1)设计的,H1的第(s，t)个循环子矩阵由q*q的单位矩阵I在行方向上向右的循环移动P(s,t)位生成。如公式(2)所示，其中Ix表示单位矩阵每行中x位向右的循环移位。
Figure BDA0003747680850000042
H2的形式如公式(3)所示，H2里中间的I可以自由地上下移动，以确保校验矩阵为无四环和不规则矩阵。
Figure BDA0003747680850000051
在构造完校验矩阵H后，由生成矩阵产生器使用高斯消元法逐行将校验矩阵重写为[I|P]形式，[P'|I]即是生成矩阵。校验矩阵的这种设计方法不仅可以使编码效果接近随机LDPC编码，而且便于计算其相应的生成矩阵。
当得到生成矩阵后，只需要将数据帧与生成矩阵相乘就可以得到完整的LDPC编码。每一个生成矩阵对应一组编码，因此无码率的LDPC编码是从无限的生成矩阵中导出的。采用OOK的调制方式，当WiFi信号到达时，通过反射标签发送调制好的编码。
接收机
接收机包括解调器和译码器，接收机接收到反射标签发来的编码后，首先通过解码器进行解调，然后译码器对解调后的编码进行译码。若译码成功则向反射标签发送ACK信号表示可以继续发送下一帧编码；若译码失败则不做反应，等候反射标签形成新的索引矩阵对译码失败的数据帧进行重新编码，再发送给接收机，直到译码成功。
译码器译码使用BP算法，如图3所示，流程为计算对数似然比、校验节点计算、比特节点计算、判决、然后将判决结果跌倒到校验节点计算中，超过迭代次数或译码成功后结束算法。
BP译码算法是一种基于Tanner图的迭代译码算法，其中Tanner图是一种表示LDPC码的校验矩阵的方法，每个Tanner图都包含两种类型的节点：N个比特节点和M个校验节点。如图4所示，该Tanner图上方的校验节点代表H矩阵中的每一行，也就是一个校验方程；而校验矩阵的列数就是比特节点数，且一一对应。如果一个比特包含在相应的校验方程中，那么所涉及的比特节点和校验节点通过一条线连接，因此Tanner图中的线数与校验矩阵中的1个数相同。
如图3所示，在迭代过程中，消息通过比特节点和校验节点中的Tanner图的边来回传递。经过几次迭代后，消息趋于稳定，然后做出相应的最佳判断。这些消息就是后验概率，消息的初始值设置为信息位的前验概率，即对数似然比LLR。
而在整个译码算法中，每次BP译码后的结果将被保留并替换为下一个BP译码的初始值。这样，通过前述的无限生成矩阵的协作，我们可以在每次BP译码之后叠加对信息位的判断，从而降低误码率。
整个译码算法如图5所示，输入L(ci)为信息位的前验概率，如公式(4)所示
Figure BDA0003747680850000061
其中
Figure BDA0003747680850000062
表示信道接收0的先验概率，
Figure BDA0003747680850000063
表示信道接收1的先验概率，ci表示接收机接收到的每一位比特位。由于信道采用OOK调制方式，因此可以推出
Figure BDA0003747680850000064
与
Figure BDA0003747680850000065
的值，如公式(5)所示。
Figure BDA0003747680850000071
仿真信道采用AWGN，即加性高斯白噪声，因此可以推出最终的前验概率值L(ci)，如公式6所示，其中σ与信噪比SNR和信号功率P有关，
Figure BDA0003747680850000072
Figure BDA0003747680850000073
在上述算法中，BP函数有两个返回值：ACK和L(qi)。ACK是发送给标签的信号，表示解码成功，以便反射标签发送下一帧。相反，如果接收机没有发送ACK，反射标签将继续创建一个新的生成矩阵，对当前帧进行编码并再次发送给接收机。L(qi)是BP译码的结果，它由信息位的后验概率和校验位的后验概率组成。如果解码失败，我们将保留最后一次L(qi)信息位的结果，去替换下一次BP译码的输入L(ci)中的信息位的值，并保留新计算的校验位的值。也就是说，除了第一次需要发送完整的LDPC码外，将来只需要发送编码后的校验位。这种替换保留了最后一次解码的结果，以便每次解码后的判断值更接近真实值，最终尽可能做到可靠交付。
另外，算法中还用到了归一化算法。因为当信噪比较大时，会影响BP算法中后验概率的波动范围。如果超过一定范围，将生成错误值，导致译码失败。因此，我们需要使用归一化算法将每次译码后的后验概率保持在一定范围内，以确保译码的成功。在仿真实验中，我们选择将后验概率值限制在-5到5的范围内。最后对后验概率L(qi)进行判决，值小于0判为0，大于等于0则判为1，得到最终的译码结果。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于Rateless LDPC码的可靠WiFi反射通信系统，包括激励信号源、反射标签、接收机，所述激励信号源发出的信号经过反向散射链路上的反射标签发射到接收机上，其特征在于，所述反射标签在收到激励信号源发射的激励信号后，通过阻抗匹配将要发送的信息附于激励信号上，然后生成LDPC码生成矩阵，再通过调制发送给接收机；接收机收到信息后解码，若解码成功则返回给标签表示解码成功，标签就会继续发送下一帧信息编码，否则再经过一段时间反射标签没有收到信号后，更改LDPC码生成矩阵，对信息重新编码并重新发送信息帧，直到译码成功。
2.根据权利要求1所述的一种基于Rateless LDPC码的可靠WiFi反射通信系统，其特征在于，所述反射标签包括分帧模块、索引矩阵产生器、生成矩阵产生器、Rateless LDPC编码器，调制器，所述分帧模块形成数据帧，索引矩阵产生器产生一个索引矩阵，生成矩阵产生器由索引矩阵来生成一个生成矩阵，Rateless LDPC编码器将生成矩阵与数据帧相乘进行编码，然后由调制器进行OOK调制，将调制好的信号反射发送给接收机。
3.根据权利要求2所述的一种基于Rateless LDPC码的可靠WiFi反射通信系统，其特征在于，所述索引矩阵的形式如下：
Figure FDA0003747680840000011
P是一个m*n矩阵，第s行第t列的元素P(s,t)＝atbs，其中a，b是素数，x，y为正整数；
设定校验矩阵H的形式为H＝[H1，H2]，
Figure FDA0003747680840000021
H1是根据公式(1)设计的,H1的第(s，t)个循环子矩阵由q*q的单位矩阵I在行方向上向右的循环移动P(s,t)位生成,其中Ix表示单位矩阵每行中x位向右的循环移位；
Figure FDA0003747680840000022
H2里中间的I可自由地上下移动；
在构造完校验矩阵H后，由生成矩阵产生器使用高斯消元法逐行将校验矩阵重写为[I|P]形式，[P'|I]即是生成矩阵；
当得到生成矩阵后，将数据帧与生成矩阵相乘得到LDPC编码。
4.根据权利要求1所述的一种基于Rateless LDPC码的可靠WiFi反射通信系统，其特征在于，接收机包括解调器和译码器，接收机接收到反射标签发来的编码后，首先通过解码器进行解调，然后译码器对解调后的编码进行译码。
5.根据权利要求4所述的一种基于Rateless LDPC码的可靠WiFi反射通信系统，其特征在于，所述译码算法步骤为：计算先验概率、将上一次译码结果的信息位替换先验概率的信息位、归一化、使用BP算法迭代译码、反馈。
6.根据权利要求5所述的一种基于Rateless LDPC码的可靠WiFi反射通信系统，其特征在于，使用BP算法迭代译码的具体步骤为：
输入L(ci)为信息位的前验概率
Figure FDA0003747680840000031
其中
Figure FDA0003747680840000032
表示信道接收0的先验概率，
Figure FDA0003747680840000033
表示信道接收1的先验概率，ci表示接收机接收到的每一位比特位；
根据信道采用OOK调制方式，推出
Figure FDA0003747680840000034
与
Figure FDA0003747680840000035
的值
Figure FDA0003747680840000036
Figure FDA0003747680840000037
仿真信道采用AWGN，最终的前验概率值L(ci)为
Figure FDA0003747680840000038
其中σ与信噪比SNR和信号功率P关系为
Figure FDA0003747680840000039
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