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CN110430019B - 一种超低功耗无线通信方法和节点设备 - Google Patents

一种超低功耗无线通信方法和节点设备 Download PDF

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CN110430019B
CN110430019B CN201910721827.4A CN201910721827A CN110430019B CN 110430019 B CN110430019 B CN 110430019B CN 201910721827 A CN201910721827 A CN 201910721827A CN 110430019 B CN110430019 B CN 110430019B
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Abstract

本发明公开了一种适用于物联网的超低功耗无线通信方法和节点设备。物端节点根据客观环境中固有电磁信号的强弱，动态调整调制方式，生成数据帧，并使用数据帧控制物端节点发信机中的射频开关，以调节发信机射频电路的反射系数，进而控制反射电磁波的有无和大小，将数据信息寄生调制在环境电磁波上。收信机执行解调和解码操作，根据环境电磁波反射量的变化，恢复出数据帧。本发明不仅能够有效降低物端节点的通信功耗，而且能够根据环境变化，动态调整无线通信体制，可以兼顾通信的有效性和可靠性。

Description

一种超低功耗无线通信方法和节点设备
技术领域
本发明涉及物联网领域，特别涉及微弱供电条件下，具备超低功耗特征和动态环境自适应能力的无线通信方法和节点设备。
背景技术
随着智慧城市、智慧农业、智慧医疗、智能可穿戴等概念的提出，物联网在社会生活中获得了越来越多的应用，已经成为国内外重点发展的产业之一。物端节点是物联网的必要组成部分，它属于物联网的感知层，处于物联网拓扑结构的末端，一般嵌入到人体或物体中使用，充当客观事物的感知器官和执行器官，是实现智慧网络，构建网络智能的关键一环。然而，通信功耗过大等问题一直没有得到妥善的解决，毫瓦级的通信功耗会很快耗尽电池电量，这严重制约着物联网的应用。
为此，研究人员设计了一种基于电磁波后向散射的超低功耗调制解调方法，工作原理如图1所示。其中，A为天线(天线阻抗Za)，B为环境射频源，C为射频开关，ZL为负载，且ZL＝Za。具体工作过程为：
1.物端节点通过信道编码等基带处理方法，将采集到的数据变换为单极性方波信号，然后使用方波信号控制射频开关C的状态(开或闭)实现信号调制：(1)当需要传输比特位1时(如图1中左半部分所示)，CTRL处出现高电平，使得开关K1闭合，A和负载ZL导通，因为ZL＝Za，射频电路同天线匹配，所以反射系数为0，理想情况下，电磁信号被全部吸收，反射信号的功率为0。(2)当需要传输比特位0时(如图1中右半部分所示)，CTRL处出现低电平，使得开关K1打开，天线A和负载ZL不连通，此时对天线而言，负载阻抗无穷大，反射系数为1。理想情况下，信号被全部反射，反射信号功率最大。
2.接收端通过辨别反射信号的强度，就可以恢复出物端节点发送的比特数据，具体地：抽样判决接收到的电磁波信号，(1)当电磁波信号在一个符号周期内的能量大于阈值时，表明物端节点发送的原始数据为比特0；(2)当电磁波信号在一个符号周期内的能量小于阈值时，表明物端节点发送的原始数据为比特1。
由图1可见，在物端节点发信机中，只有射频开关一个有源器件。以AD公司生产的射频开关ADG901为例，功耗≤2.75微瓦，远远低于ZigBee、Bluetooth、LoRa、NB-IoT等物联网通信芯片的功耗。
然而图1所示方案在解决物端节点通信功耗过大问题的同时，也存在较多的不足，突出表现在：调制方式单一，不具备环境适应能力。在图1中，无论B发出的电磁波是强、是弱，物端节点都只能使用固定的调制方式以固定速率发送数据，不具备任何环境适应能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何在有效降低物联网中物端节点通信功耗的同时，为物端节点提供环境适应能力，使其能够根据环境变化，动态调整无线通信机制，兼顾通信的有效性和可靠性。
本发明所采用的技术方案为：
一种超低功耗无线通信方法，包括以下步骤：
(1)物端节点使用监测电路和辐射功率等级估计算法，实时监测射频源发射电磁波的辐射功率水平，得到环境辐射功率的等级值；
(2)物端节点根据环境辐射功率等级值选择用户数据调制方式；
(3)选择好调制方式后，物端节点生成控制数据，并使用直接序列扩频方法将控制数据映射为基带信息，形成控制部分；
(4)物端节点将待发送数据作为数据部分，和控制部分一起组成数据帧；
(5)在调制发送数据帧时，对于控制部分，物端节点使用FM0编码处理控制部分，将比特位映射为不同高、低电平值，使用高、低电平控制内部射频开关的开闭，对于数据部分，物端节点使用步骤(2)选择的调制方式，将比特位映射为相位值，并转化为所对应方波信号的时间延迟值，使用方波信号中的高、低电平，控制内部射频开关开闭的时间，通过内部射频开关的开闭以及开闭时间控制发送天线的反射系数；
(6)接入网关接收数据帧，并通过带通滤波、相干解调、和低通滤波得到I、Q两路数据xI(t)和xQ(t)；
(7)接入网关计算复数xI(t)+jxQ(t)幅值的平方，得到信号y1(t)，并对信号y1(t)进行标准FM0译码算法，得到比特序列y2[k]；
(8)接入网关从比特序列y2[k]中辨别出前导码，进行帧同步，并从y2[k]中取出完整的一帧数据y3[k]，进行解扩，得到相关结果，根据相关结果判决得到控制数据；
(9)接入网关根据控制数据中的调制类型信息，选择解调方法，解调得到物端节点发送的数据信息。
其中，步骤(1)中监测电路由匹配网络、整流电路和微控制器组成；匹配网络用于实现射阻抗匹配；整流电路用于将射频源发射的信号转化为直流电压信号；微控制器用于通过ADC将直流电压信号转化为数字值。
其中，步骤(1)中辐射功率等级估计算法包括如下步骤：
(101)设定电压等级总数N、最大电压值Vmax和最小电压值Vmin；
(102)从微控制器的ADC管脚采集电压值Vadc；
(103)若Vadc＞Vmax，使用Vadc更新Vmax的值，若Vadc＜Vmin，使用Vadc更新Vmin的值；
(104)计算并输出环境辐射功率的等级值L：L＝ceil[(Vadc-Vmin)*N/(Vmax-Vmin)]，ceil[...]表示向上取整。
其中，步骤(3)中采用的直接序列扩频方法是，将控制数据中的比特“1”编码为“10110111000”，将控制数据中的比特“0”编码为“01001000111”。
其中，步骤(2)中选择的用户数据调制方式包括基于电磁波后向散射的ASK调制、基于电磁波后向散射的FSK调制以及基于电磁波后向散射的相移键控调制BPSK、QPSK、8PSK和16PSK；其中，基于电磁波后向散射的BPSK为，将比特位0映射为相位0，对应的方波延迟时间0；将比特位1映射为相位π，对应的方波延迟时间T/2，其中，T为方波信号的周期。
其中，基于电磁波后向散射的QPSK调制为，将比特00、01、11、10分别映射为相位0、π/2、π、3π/2，对应方波的延迟时间分别为0、T/4、T/2、3T/4，其中，T为方波信号的周期。
其中，基于电磁波后向散射的8PSK调制为，将比特位000、001、011、010、110、111、101、100分别映射为相位0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4，对应方波的延迟时间分别为0、T/8、T/4、3T/8、T/2、5T/8、3T/4、7T/8，其中，T为方波信号的周期。
其中，基于电磁波后向散射的16PSK调制为，将比特位0000、0001、0011、0010、0110、0111、0101、0100、1000、1001、1011、1010、1110、1111、1101、1100分别映射为相位0、π/16、π/8、3π/16、π/4、5π/16、3π/8、7π/16、π/2、9π/16、5π/8、11π/16、3π/4、13π/16、7π/8、15π/16，对应方波的延迟时间分别为0、T/16、T/8、3T/16、T/4、5T/16、3T/8、7T/16、T/2、9T/16、5T/8、11T/16、3T/4、13T/16、7T/8、15T/16，其中，T为方波信号的周期。
一种超低功耗的无线通信节点设备，包括物端节点和接入网关；
物端节点包括：监测电路、发送端基带模块和发送端射频模块；接入网关包括：接收端射频模块和接收端基带模块；
监测电路，用于实时监测射频源发射电磁波的辐射功率水平，得到环境辐射功率的等级值；
发送端基带模块，用于根据监测得到的辐射功率等级值，选择用户数据调制方式，生成控制数据，并使用直接序列扩频方法，将控制数据映射为基带信息，形成控制部分；将待发送数据当做数据部分，和控制部分一起组成数据帧；对于数据帧的控制部分，使用FM0编码方法，将比特为映射为不同高、低电平值，生成方波，控制发送端射频模块中射频开关的开闭；对于数据帧中的数据部分，使用的选择的用户数据调制方法，将比特为映射为不同高、低电平值，生成方波，控制发送端射频模块中射频开关的开闭时间；
发送端射频模块，由射频开关、负载阻抗和天线组成，通过射频开关的开闭以及开闭时间控制天线的反射系数，以调整后向散射电磁波的强度；
接收端射频模块用于接收数据帧，通过带通滤波、相干解调、低通滤波得到I、Q两路数据xI(t)和xQ(t)；
接收端基带模块用于计算复数xI(t)+jxQ(t)幅值的平方，得到信号y1(t)，对y1(t)执行标准FM0译码算法，得到比特序列y2[k]，从y2[k]中辨别出前导码，进行帧同步，并从y2[k]中取出完整的一帧数据y3[k]，进行解扩，得到相关结果，根据相关结果判决得到控制数据，根据控制数据中的调制类型信息，选择解调方法，解调得到物端节点发送的数据信息。
同背景技术相比，本发明的优点在于：
1.采用基于电磁波后向散射的相移键控数字调制方法，将数据寄生调制在射频源提供的电磁波上，相对于背景技术，可靠性更高，也就是说，在相同的信噪比下，误码率更低。
2.为物端节点提供环境适应能力，使其能够根据环境电磁信号的强弱，动态选择调制方式，兼顾了通信的有效性和可靠性。
附图说明
图1为传统的超低功耗调制解调技术原理图；
图2为本发明的方案组成框图；
图3为本发明提出的环境电磁波辐射功率监测电路；
图4为本发明提出的辐射功率等级估计算法；
图5为本发明提出的“环境辐射功率等级-调制方式”关系图；
图6为本发明提出的控制数据格式；
图7为本发明提出的控制数据基带处理方法；
图8为本发明提出的信息传输帧的帧结构；
图9为本发明提出的基于电磁波后向散射的BPSK调制方法；
图10为本发明提出的基于电磁波后向散射的QPSK调制方法；
图11为本发明提出的接入网关控制数据恢复方法；
图12为本发明提出的射频模块。
具体实施方式
根据本发明的一个实施例，具体实施方案如下：
1.如图2所示，整个方案主要涉及射频源、物端节点(发信机)、接入网关(收信机)三种网元。其中，射频源既可以是客观环境中已有的设备，例如FM广播信号塔、电视信号塔、蜂窝网基站、WiFi路由器等，也可以是人为专门布设的设备，例如巡航无人机等，它主要负责向外发射电磁波(频率记为f)。物端节点负责发送数据，将待发送数据调制寄生在射频源发射的电磁波上。接入网关负责接收物端节点发送的数据。
2.物端节点使用监测电路和辐射功率等级估计算法，实时监测环境电磁波的辐射功率水平，得到环境辐射功率的等级值。
1)监测电路如图3所示。整个电路由天线、匹配网络、整流电路和微控制器组成。匹配网络负责实现射频电路和天线之间的阻抗匹配；整流电路负责将RF信号转化为直流模拟电压信号；微控制器(Microprocessor Control Unit，MCU)上集成的ADC(Analog/DigitalConverter，模数变换器件)负责将直流电压信号转化为数字值。
2)辐射功率等级估计算法如图4所示，运行在MCU上，根据ADC输出的数字信息，计算功率等级的估计值，指明环境电磁波的辐射功率水平，功率等级值越高，环境电磁波越强，其辐射功率越大。具体方法为：(1)预先给电压等级总数N，最大电压值Vmax和最小电压值Vmin等变量赋值；(2)从微控制器ADC管脚采集电压值Vadc；(3)若Vadc＞Vmax，使用Vadc更新Vmax的值，若Vadc＜Vmin，使用Vadc更新Vmin的值；(4)计算并输出数值：L＝ceil[(Vadc-Vmin)*N/(Vmax-Vmin)]，ceil[...]表示向上取整。
3.物端节点的信息发送流程具体包括如下步骤：
1)当有数据需要发送时，物端节点根据环境辐射功率等级值选择用户数据调制方式：环境辐射功率等级越高，可以使用的调制阶数越高；环境辐射功率等级越低，可以使用的调制阶数越低。可供选择的调制方式包括(但不限于)：基于后向散射通信的ASK调制方法、基于后向散射通信的FSK调制方法、基于后向散射通信的相移键控(包括BPSK、QPSK、8PSK、16PSK)调制方法。图5展示了功率等级总数为4时，环境辐射功率等级和调制方式间的对应关系。
2)选择好调制方式后，物端节点生成控制数据，控制数据的格式如图6所示，主要包括前导码、目的地址、源地址、调制类型和校验码。其中，(1)前导码：用于接收端的帧同步；(2)目的地址：用于指明接收端的地址；(3)源地址：用于指明发送端的地址；(4)调制类型：用于指明物端节点选择的调制方式；(5)校验码：是对前述各域的校验，校验方法可以采用CRC算法。
3)使用直接序列扩频方法，将控制数据映射为基带信息，形成控制部分。具体地如图7所示：将控制数据中的比特“1”编码为“10110111000”，将控制数据中的比特“0”编码为“01001000111”。
4)将待发送的用户数据当作数据部分，控制部分和数据部分一起组成数据帧，具体如图8所示。
5)物端节点完成基于后向散射的数据调制，向外发送数据帧。
(1)对于控制部分，物端节点使用FM0编码方法处理控制部分，将比特为映射为不同高、低电平值，按照图1所示方法，使用高、低电平控制射频开关的开闭，完成基于电磁波后向散射的数字调制。
(2)对于数据部分，物端节点使用步骤2选择的调制方式，将用户数据调制寄生在射频源发射的电磁波上向外发送数据。
对于基于后向散射通信的相移键控技术，需将分组后的比特位，映射为相位值，进而转化为方波信号的时间偏移，然后按照图1所示方法，使用方波信号的高、低电平，控制射频开关的开闭，控制天线和射频电路之间的反射系数，以调整后向散射电磁波的强度，完成寄生调制。假设方波周期为T，频率为Δf＝1/T，则有：
①对于基于后向散射通信的BPSK调制技术，将比特位0映射为相位0，将比特位1映射为相位π，则比特位0可以转化为时间延迟0，比特位1可以转化为时间延迟T/2，如图9所示。
②对于基于后向散射通信的QPSK调制技术，将比特位00、01、11、10分别映射为相位0、π/2、π、3π/2，进而分别转化为时间延迟0、T/4、T/2、3T/4，如图10所示。
③对于基于后向散射通信的8PSK调制技术，将比特位000、001、011、010、110、111、101、100映射为相位0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4，进而分别转化为时间延迟0、T/8、T/4、3T/6、T/2、5T/8、3T/4、7T/8。
④对于基于后向散射通信的16PSK调制，将比特位0000、0001、0011、0010、0110、0111、0101、0100、1000、1001、1011、1010、1110、1111、1101、1100映射为相位0、π/16、π/8、3π/16、π/4、5π/16、3π/8、7π/16、π/2、9π/16、5π/8、11π/16、3π/4、13π/16、7π/8、15π/16，进而分别转化为时间延迟0、T/16、T/8、3T/16、T/4、5T/16、3T/8、7T/16、T/2、9T/16、5T/8、11T/16、3T/4、13T/16、7T/8、15T/16。
4.接入网关按照如下步骤恢复出物端节点发送的数据：
1)首先恢复出控制数据，具体方法如图11所示。
(1)通过带通滤波、相干解调、低通滤波得到I、Q两路数据xI(t)和xQ(t)，计算复数xI(t)+jxQ(t)幅值的平方，即信号y1(t)。
(2)对y1(t)执行标准FM0译码算法，得到比特序列y2[k]。
(3)由于控制部分中的前导码已知，使用相关操作可从y2[k]中辨别出前导码，进而实现帧同步，并从y2[k]中取出完整的一帧数据y3[k]。
(4)将y3[k]分组后，分别与比特序列“10110111000”和“01001000111”，根据相关结果最终判决得到控制数据。
2)根据控制数据中的调制类型信息，使用标准的ASK、FSK或PSK解调方法(相干解调或非相干解调)，解调得到物端节点发送的数据信息。
本发明实施例提出了超低功耗无线通信节点设备，包括：
1)物端节点
由监测电路、基带模块和射频模块组成。其中，(1)监测电路负责实时监测射频源发射电磁波的辐射功率水平，得到环境辐射功率的等级值；(2)基带模块负责完成以下操作：①根据监测得到的辐射功率等级值，选择用户数据调制方式，生成控制数据，并使用直接序列扩频方法，将控制数据映射为基带信息，形成控制部分；②将待发送数据当做数据部分，和控制部分一起组成数据帧；③对于数据帧的控制部分，使用FM0编码方法，将比特为映射为不同高、低电平值，生成方波，控制射频开关的开闭；④对于数据帧中的数据部分，使用的选择的用户数据调制方法，将比特为映射为不同高、低电平值，生成方波，控制射频开关的开闭。(2)射频模块由射频开关、负载阻抗、天线组成(如图12所示)，通过射频开关的开闭，控制天线和射频电路之间的反射系数，以调整后向散射电磁波的强度。
2)接入网关
由基带模块和射频模块组成。(1)射频模块负责：通过带通滤波、相干解调、低通滤波得到I、Q两路数据xI(t)和xQ(t)。(2)基带模块负责：计算复数xI(t)+jxQ(t)幅值的平方，得到信号y1(t)，对y1(t)执行标准FM0译码算法，得到比特序列y2[k]，由于控制部分中的前导码已知，使用相关操作可从y2[k]中辨别出前导码，进而实现帧同步，并从y2[k]中取出完整的一帧数据y3[k]，将y3[k]分组后，分别与比特序列“10110111000”和“01001000111”，根据相关结果最终判决得到控制数据。然后，根据控制数据中的调制类型信息，使用标准的ASK、FSK或PSK解调方法，解调得到物端节点发送的数据信息。

Claims (8)

1.一种超低功耗无线通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)物端节点使用监测电路和辐射功率等级估计算法，实时监测射频源发射电磁波的辐射功率水平，得到环境辐射功率的等级值；
其中，辐射功率等级估计算法包括如下步骤：
(101)设定电压等级总数N、最大电压值Vmax和最小电压值Vmin；
(102)从微控制器的ADC管脚采集电压值Vadc；
(103)若Vadc＞Vmax，使用Vadc更新Vmax的值，若Vadc＜Vmin，使用Vadc更新Vmin的值；
(104)计算并输出环境辐射功率的等级值L：L＝ceil[(Vadc-Vmin)*N/(Vmax-Vmin)]，ceil[...]表示向上取整；
(2)物端节点根据环境辐射功率等级值选择用户数据调制方式；
(3)选择好调制方式后，物端节点生成控制数据，并使用直接序列扩频方法将控制数据映射为基带信息，形成控制部分；
(4)物端节点将待发送数据作为数据部分，和控制部分一起组成数据帧；
(5)在调制发送数据帧时，对于控制部分，物端节点使用FM0编码处理控制部分，将比特位映射为不同高、低电平值，使用高、低电平控制内部射频开关的开闭，对于数据部分，物端节点使用步骤(2)选择的调制方式，将比特位映射为相位值，并转化为所对应方波信号的时间延迟值，使用方波信号中的高、低电平，控制内部射频开关开闭的时间，通过内部射频开关的开闭以及开闭时间控制发送天线的反射系数；
(6)接入网关接收数据帧，并通过带通滤波、相干解调和低通滤波得到I、Q两路数据xI(t)和xQ(t)；
(7)接入网关计算复数xI(t)+jxQ(t)幅值的平方，得到信号y1(t)，并对信号y1(t)进行标准FM0译码算法，得到比特序列y2[k]；
(8)接入网关从比特序列y2[k]中辨别出前导码，进行帧同步，并从y2[k]中取出完整的一帧数据y3[k]，进行解扩，得到相关结果，根据相关结果判决得到控制数据；
(9)接入网关根据控制数据中的调制类型信息，选择解调方法，解调得到物端节点发送的数据信息。
2.如权利要求1所述超低功耗无线通信方法，其特征在于：步骤(1)中监测电路由匹配网络、整流电路和微控制器组成；匹配网络用于实现射阻抗匹配；整流电路用于将射频源发射的信号转化为直流电压信号；微控制器用于通过ADC将直流电压信号转化为数字值。
3.如权利要求1所述超低功耗无线通信方法，其特征在于：步骤(3)中采用的直接序列扩频方法是，将控制数据中的比特“1”编码为“10110111000”，将控制数据中的比特“0”编码为“01001000111”。
4.如权利要求1所述超低功耗无线通信方法，其特征在于：步骤(2)中选择的用户数据调制方式包括基于电磁波后向散射的ASK调制、基于电磁波后向散射的FSK调制以及基于电磁波后向散射的相移键控调制BPSK、QPSK、8PSK和16PSK；其中，基于电磁波后向散射的BPSK为：将比特位0映射为相位0，对应的方波延迟时间0；将比特位1映射为相位π，对应的方波延迟时间T/2，其中，T为方波信号的周期。
5.如权利要求4所述超低功耗无线通信方法，其特征在于：基于电磁波后向散射的QPSK调制为：将比特00、01、11、10分别映射为相位0、π/2、π、3π/2，对应方波的延迟时间分别为0、T/4、T/2、3T/4，其中，T为方波信号的周期。
6.如权利要求4所述超低功耗无线通信方法，其特征在于：基于电磁波后向散射的8PSK调制为：将比特位000、001、011、010、110、111、101、100分别映射为相位0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4，对应方波的延迟时间分别为0、T/8、T/4、3T/8、T/2、5T/8、3T/4、7T/8，其中，T为方波信号的周期。
7.如权利要求4所述超低功耗无线通信方法，其特征在于：基于电磁波后向散射的16PSK调制为：将比特位0000、0001、0011、0010、0110、0111、0101、0100、1000、1001、1011、1010、1110、1111、1101、1100分别映射为相位0、π/16、π/8、3π/16、π/4、5π/16、3π/8、7π/16、π/2、9π/16、5π/8、11π/16、3π/4、13π/16、7π/8、15π/16，对应方波的延迟时间分别为0、T/16、T/8、3T/16、T/4、5T/16、3T/8、7T/16、T/2、9T/16、5T/8、11T/16、3T/4、13T/16、7T/8、15T/16，其中，T为方波信号的周期。
8.一种超低功耗的无线通信节点设备，其特征在于，包括物端节点和接入网关；
物端节点包括：监测电路、发送端基带模块和发送端射频模块；接入网关包括：接收端射频模块和接收端基带模块；
监测电路，用于实时监测射频源发射电磁波的辐射功率水平，得到环境辐射功率的等级值；其中，监测电路按照如下步骤得到环境辐射功率的等级值：
(101)设定电压等级总数N、最大电压值Vmax和最小电压值Vmin；
(102)从微控制器的ADC管脚采集电压值Vadc；
(103)若Vadc＞Vmax，使用Vadc更新Vmax的值，若Vadc＜Vmin，使用Vadc更新Vmin的值；
(104)计算并输出环境辐射功率的等级值L：L＝ceil[(Vadc-Vmin)*N/(Vmax-Vmin)]，ceil[...]表示向上取整；
发送端基带模块，用于根据监测得到的辐射功率等级值，选择用户数据调制方式，生成控制数据，并使用直接序列扩频方法，将控制数据映射为基带信息，形成控制部分；将待发送数据当做数据部分，和控制部分一起组成数据帧；对于数据帧的控制部分，使用FM0编码方法，将比特为映射为不同高、低电平值，生成方波，控制发送端射频模块中射频开关的开闭；对于数据帧中的数据部分，使用的选择的用户数据调制方法，将比特为映射为不同高、低电平值，生成方波，控制发送端射频模块中射频开关的开闭时间；
发送端射频模块，由射频开关、负载阻抗和天线组成，通过射频开关的开闭以及开闭时间控制天线的反射系数，以调整后向散射电磁波的强度；
接收端射频模块用于接收数据帧，通过带通滤波、相干解调、低通滤波得到I、Q两路数据xI(t)和xQ(t)；
接收端基带模块用于计算复数xI(t)+jxQ(t)幅值的平方，得到信号y1(t)，对y1(t)执行标准FM0译码算法，得到比特序列y2[k]，从y2[k]中辨别出前导码，进行帧同步，并从y2[k]中取出完整的一帧数据y3[k]，进行解扩，得到相关结果，根据相关结果判决得到控制数据，根据控制数据中的调制类型信息，选择解调方法，解调得到物端节点发送的数据信息。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112311711B (zh) * 2020-10-21 2022-04-15 上海纵行实业有限公司 一种m-fsk调制方法、装置及系统
CN113031745B (zh) * 2021-03-25 2022-09-06 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种面向环境电磁取能的物联网超低功耗运行方法
CN118074737A (zh) * 2022-11-24 2024-05-24 中兴通讯股份有限公司 反向散射通信方法、装置、设备和存储介质

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102780667A (zh) * 2011-05-13 2012-11-14 北京联拓恒芯科技发展有限公司 数字对讲机物理层的调制方法及设备
CN108141646A (zh) * 2015-08-12 2018-06-08 华盛顿大学 反向散射装置及结合反向散射装置的网络系统
CN109412992A (zh) * 2018-11-13 2019-03-01 上海交通大学 基于正交频分多址技术的反向散射系统及方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190089571A1 (en) * 2017-09-20 2019-03-21 Qualcomm Incorporated Adaptive Backscatter Modulation

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102780667A (zh) * 2011-05-13 2012-11-14 北京联拓恒芯科技发展有限公司 数字对讲机物理层的调制方法及设备
CN108141646A (zh) * 2015-08-12 2018-06-08 华盛顿大学 反向散射装置及结合反向散射装置的网络系统
CN109412992A (zh) * 2018-11-13 2019-03-01 上海交通大学 基于正交频分多址技术的反向散射系统及方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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近零功耗物联网及其关键技术研究;卢宁宁等;《无线电通信技术》;20190605;全文 *

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