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CN113242110A - 一种基于信道编码的可靠反射通信系统 - Google Patents

一种基于信道编码的可靠反射通信系统 Download PDF

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CN113242110A
CN113242110A CN202110441791.1A CN202110441791A CN113242110A CN 113242110 A CN113242110 A CN 113242110A CN 202110441791 A CN202110441791 A CN 202110441791A CN 113242110 A CN113242110 A CN 113242110A
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林桂平
徐思聪
蒋纬炜
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Abstract

一种基于信道编码的可靠反射通信系统包括激励信号源、反射标签TAG、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TAG发射到接收机上，还包括WIFI发送器，所述反射标签TAG通过WIFI发射器与接收机进行信息交互，所述接收机包括优化处理，所述优化处理为USRP RIO设备首先侦听激励信道，并通过设定采样频率对I/Q分量进行采样，然后计算传输和静默状态的持续时间；最后将持续时间输入到优化算法中，获得最优RS码参数，并将最优RS码参数的索引反馈到标签；所述优化算法包括步骤：面向流估计、概率分布估计、面向符号估计、RS码优化。本申请通过编码，利用搭载在WiFi信号上反射的信息，可以克服较短的WiFi静默期，从而实现可持续反射传输。

Description

一种基于信道编码的可靠反射通信系统
技术领域
本发明通信的技术领域，尤其涉及一种基于信道编码的可靠反射通信系统。
背景技术
无源反射通信因其极低的能耗而被公认为连接物联网(IoT)设备的一种有效的技术。如图1所示，一个反射通信系统基本上由激励信号源、反射标签TAG和传统接收机构成。在系统中，从激励源发射射频(RF)信号(激励信号)，反射标签TAG通过改变其负载阻抗来调制激励信号以向接收机发送数据。简言之，反射标签TAG本身不产生载波信号，而是借用来自激励源的载波信号来发送数据。因此，反射标签TAG的能耗极低，通常在微瓦级。
根据激励信号源是否为专用设备提供，反射通信通常分为专用反射通信和环境反射通信。环境反射利用来自周围RF发射机的RF信号，不需要专用射频设备，因此部署简单而具有非常好的应用价值。
环境反射通信系统中的反散射标签可以反射电视信号、FM无线电、蓝牙、WiFi信号等。其中，由于WiFi信号无处不在，所以WiFi反射通信正在获得很好的发展势头。由于反射标签TAG发送信息完全依赖于激励信号，所以可以将WiFi反射通信看作是搭便车“Rider”系统，该模式的优点是：
部署成本低；可以简化环境反射通信系统的部署，而无需额外的基础设施。
泛在部署；随着接入点(AP)的广泛部署，WiFi信号在大多数住宅区、商业区、交通站等处都存在。
然而，泛在的WiFi信号源具有长度不同的静默周期，其原因是：首先，基于802.11个协议在每个帧之后附加短帧间空间(SIFS)。SIFS的时间通常在微秒级，例如，802.11a的SIFS是16微秒[12]。其次，无线网络的业务负载及其采用的高层协议进一步使得静默周期的持续时间不断变化。我们称这个现象为激励信号的间断性。激励信号的间断性会造成反射通信的丢包率较高，因而反射通信不可靠。此外，由于标签的超低功率限制，反射标签TAG很难跟踪激励信号的变化并调整其传输策略。因此，为了在搭载泛在WiFi信号传输信息，需要充分考虑WiFi信号的间断状态。
发明内容
为了解决由反射通信系统激励信号间断性造成的不可靠性的问题，本发明提出了一种基于信道编码的可靠反射通信系统，具体方案如下：
一种基于信道编码的可靠反射通信系统，包括激励信号源、反射标签TAG、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TAG发射到接收机上，还包括WIFI发送器，所述反射标签TAG通过WIFI发射器与接收机进行信息交互，所述接收机包括优化处理，所述优化处理为USRP RIO设备首先侦听激励信道，并通过设定采样频率对I/Q分量进行采样，然后计算传输和静默状态的持续时间；最后将持续时间输入到优化算法中，获得最优RS码参数，并将最优RS码参数的索引反馈到标签；所述优化算法包括步骤：面向流估计、概率分布估计、面向符号估计、RS码优化。
具体地说，所述反射标签TAG基于FPGA，FPGA通过数字输入/输出(DIO)电缆连接到反射标签TAG，反射标签TAG的输出信号传输到NI-USRP 2953R。
具体地说，所述反射标签TAG包括封帧模块、RS编码器、上采样器、频移器、与门、调制器；所述封帧模块形成的数据帧发送到RS编码器中进行编码，然后经过上采样器后与移频器发出的频率信号经过与门后进入到调制器内。
具体地说，所述接收机还接收反射信号，具体为：USRP RIO设备侦听频率平移后的信道，通过比较接收信号的自相关性和预定义的阈值来检测帧，一旦达到峰值，设备就开始采集样本，然后依次进行匹配滤波处理、解调、同步和RS解码。
具体地说，所述面向流的估计具体步骤为：接收机首先监听激励信道，并分别生成激励信号的通断状态时间；然后将通断状态时间输入到最大似然估计以生成每个状态的概率分布。
具体地说，概率分布的估计，具体步骤为：
使用帕累托Pareto分布来评估WiFi流量的统计特性并产生测量数据，即WiFi信号的通断状态，并采用所述测量数据来获得WiFi业务的概率分布参数；
通过数学运算，得到静默状态与传输状态的概率密度函数参数，即
Figure BDA0003035298660000031
其中，N为测量数据样本数，xi为第i个静默状态持续时间，
Figure BDA0003035298660000032
为样本中最小的持续时间，log为自然对数函数，
Figure BDA0003035298660000033
为帕累托分布的形状参数；同样的，根据传输状态的时间得到传输状态对应的帕累托分布参数，即
Figure BDA0003035298660000034
其中，M为对应的测量数据样本数，yi为第i个传输状态持续时间，
Figure BDA0003035298660000035
为样本中最小的持续时间。
具体地说，面向符号的估计，具体步骤为：
采用双态马尔可夫模型来表示状态之间的转换；令α和β分别表示从传输状态(ON)到静默状态(OFF)及静默状态到传输状态的转移概率，马尔可夫模型的转移概率矩阵，即
Figure BDA0003035298660000041
进一步地，假设发送符号的误差只发生在经历静默状态，得到符号的平均错误概率
Figure BDA0003035298660000042
基于RS码的纠错能力，可得到采用(n，k)的RS码的错误率pe
Figure BDA0003035298660000043
其中
Figure BDA0003035298660000044
为RS码的纠错能力；若参数α和β已知，即可以得到系统的错误率；通过帕累托分布，得到
Figure BDA0003035298660000045
Figure BDA0003035298660000046
和
Figure BDA0003035298660000047
为帕累托分布的均值，R为传输速率，单位bps。
具体地说，RS码优化，具体步骤为：通过RS码启发式搜索算法搜索部分RS码，计算错误率，如果错误率小于给定阈值
Figure BDA0003035298660000048
保存该编码参数，最后在满足条件的参数中选择编码率最高的参数作为最优参数。
具体地说，所述反射标签TAG由天线和微控制器组成，微控制器控制单刀双掷(SPDT)射频交换网络产生反向散射信号；所述微控制器产生频率为Δf的方波信号，用于切换天线的吸收或反射信号状态。
本发明的有益效果在于：
(1)本申请通过编码，利用搭载在WiFi信号上反射的信息，可以克服较短的WiFi静默期，从而实现可持续反射传输。使用优化RS码对欲反射的标签数据进行编码，再反射泛在的WiFi信号上，在接收端进行解码恢复原始数据。
(2)使用基于RS的反射通信系统，标签能够在泛在的WiFi信号上以非常高的可靠性传输信息。并且，标签和激励源之间不需要协商，从而实现完全的无源反射系统。
(3)本申请采用自适应RS码来匹配静默周期的平均时间跨度，以实现可靠的反射传输。
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为本发明提出的反射通信系统工作示意图。
图3为可靠反射通信系统模块架构图。
图4为反射标签TAG硬件连接模式图。
图5为激励信道马尔可夫模型图。
图6为RS码启发式搜索算法图。
图7为本发明提出的反射通信系统在测试场景示例图。
具体实施方式
参照图2，本发明提出一种基于信道编码的可靠反射通信系统，包括激励信号源、反射标签TAG、接收机、WIFI发送器，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TAG发射到接收机上。所述反射标签TAG通过WIFI发射器与接收机进行信息交互。
所述激励信号源由TP链路路由器产生，支持802.11a/b/g/n/ac协议。为了评估RS代码在间断性WiFi信号上的反射性能，如图7所示，电脑运行ping命令来生成对具有不同分组大小和间隔的WiFi信息流。
所述反射标签TAG基于FPGA，反射标签TAG为反向散射标签，如图4所示，FPGA通过数字输入/输出(DIO)电缆连接到反射标签TAG，反射标签TAG的输出信号传输到NI-USRP2953R。USRP设备作为接收端对信息进行解码,监听频移后的信道信息。在FPGA端实现标签节点的发送过程，然后将携带信息的方波发送给标签。所述反射标签TAG由天线和微控制器组成，微控制器控制单刀双掷(SPDT)射频交换网络产生反向散射信号。所述单刀双掷(SPDT)射频交换网络为标签中的“Backscatter tag”模块。
具体地说，如图3所示，所述反射标签TAG包括封帧模块、RS编码器、上采样器、频移器、与门、调制器。所述封帧模块形成的数据帧发送到RS编码器中进行编码，然后经过上采样器后与移频器发出的频率信号经过与门后进入到调制器内。移频器和调制器实现基带转换。
所述封帧模块用于将由比特表示的信息序列处理形成数据帧；其中数据帧由以下字段组成：1个字节长度表示帧的长度，3～108字节有效载荷数据，2字节循环冗余检查用于检测数据的过境损坏。数据帧中的每m＝log2(n+1)比特被分在一组，并转换成GF(2m)中的一个符号。之后，基于优化算法获得的最优参数，将每k个符号编码为n个符号码字，编码符号最终被转换为比特序列，然后使用单极性非归零(NRZ)行码进行转换。对于帧同步，在基带信号之前插入{1010101010101010101010100100011}的前导序列，类似于FM0编码。所述基带信号为信道本身存在的WIFI信号。
图4中的反射标签TAG的微控制器产生频率为Δf的方波信号，用于切换天线的吸收或反射信号状态。根据傅里叶分析，由于方波的一次谐波是正弦信号，所以当其应用于输入正弦信号时，在反向散射链路中实现了频移器的功能。
上采样器对原始的基带信号进行上采样处理以使其频率匹配Δf，接着对上采样器采集的信号和频移器输出的方波之间执行逻辑与操作。与操作的输出信号控制天线的开关，以进行二进制启闭监控调制OOK来反射信息。
所述接收机为USRP接收器。接收机首先检测接收样本的自相关值进行帧检测，当检测到帧开始时，接收机开始以采样频率fs对信号进行采样，采样样本分为同相(I)和正交(Q)样本。令rI和rQ分别表示所获得的同相和正交样本，并且通过
Figure BDA0003035298660000071
计算接收功率。然后，将功率序列通过匹配滤波器整形。最后，我们对滤波后的序列进行判决，若其值大于设定的检测阈值，我们判定为1，否则，判定为0。阈值可根据接收的功率强度自适应地调整。调整策略为，用已知的前导模式和接收样本之间的进行互相关计算，一旦在互相关值中检测到峰值(在已知前导模式和接收样本之间进行互相关处理。当接收前导与已知前导相关联时，会产生上述峰值。峰值出现在具有前向窗口的序列的末尾，或在具有后向窗口的后序列的开头)，那么该位置被认为是前导码的终点。阈值为表示“1”的最小值和表示“0”的最大值的平均值。值得注意的是，进行自适应调整的原因是反射通信的接收功率强度变化显著。
之后，输入到下采样器中过滤比特样本。在进行下采样前，须准确地建立标签和接收器之间的定时同步。否则，由于时序恢复差而造成的错误率将大大增加。利用经典符号同步算法，对序列进行同步采样。最后，对同步采样后的比特序列进行RS译码，得到数据帧，再通过拆帧获得标签发送的数据。
接收机在系统中执行两个任务，即优化处理和接收反射信息，接收机各模块的功能在Labview平台实现。所述优化处理为：USRP RIO设备首先侦听激励信道，并通过5MHz采样频率对I/Q分量进行采样，然后计算传输和静默状态的持续时间。最后将持续时间输入到包含三个模块的优化算法中，以获得最优RS码参数，并将最优RS码参数的索引反馈到标签。接收反射信息为：USRP RIO设备侦听频率平移后的信道，通过比较接收信号的自相关性和预定义的阈值来检测帧，一旦达到峰值，设备就开始采集样本，然后依次进行匹配滤波处理、解调、同步和RS解码。
所述优化算法的步骤包括
S1、面向流的估计；具体步骤为：接收机首先监听激励信道，并分别生成激励信号的通断状态时间。然后将通断状态时间输入到最大似然估计以生成每个状态的概率分布。
S2、概率分布的估计，具体步骤为：
使用帕累托Pareto分布来评估WiFi流量的统计特性并产生测量数据，即WiFi信号的通断状态，并采用所述测量数据来获得WiFi业务的概率分布参数。
通过数学运算，得到静默状态与传输状态的概率密度函数参数，即
Figure BDA0003035298660000081
其中，N为测量数据样本数，xi为第i个静默状态持续时间，
Figure BDA0003035298660000082
为样本中最小的持续时间，log为自然对数函数，
Figure BDA0003035298660000083
为帕累托分布的形状参数。同样的，根据传输状态的时间得到传输状态对应的帕累托分布参数，即
Figure BDA0003035298660000084
其中，M为对应的测量数据样本数，yi为第i个传输状态持续时间，
Figure BDA0003035298660000085
为样本中最小的持续时间。
S3、面向符号的估计，具体步骤为：
采用如图5所示的双态马尔可夫模型来表示状态之间的转换；需要强调的是，马尔可夫模型是设计RS码的关键。令α和β分别表示从传输状态(ON)到静默状态(OFF)及静默状态到传输状态的转移概率，马尔可夫模型的转移概率矩阵，即
Figure BDA0003035298660000091
进一步地，假设发送符号的误差只发生在经历静默状态，我们得到了符号的平均错误概率
Figure BDA0003035298660000092
因此，基于RS码的纠错能力，可得到采用(n，k)的RS码的错误率pe
Figure BDA0003035298660000093
其中
Figure BDA0003035298660000094
为RS码的纠错能力。若参数α和β已知，即可以得到系统的错误率。通过帕累托分布，得到
Figure BDA0003035298660000095
Figure BDA0003035298660000096
和
Figure BDA0003035298660000097
为帕累托分布的均值，R为传输速率，单位bps。
S4、RS码优化，具体步骤为：通过RS码启发式搜索算法搜索部分RS码，计算错误率，如果错误率小于给定阈值
Figure BDA0003035298660000098
保存该编码参数，最后在满足条件的参数中选择编码率最高的参数作为最优参数。所述RS码启发式搜索算法如图6所示。
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 (9)

1.一种基于信道编码的可靠反射通信系统，包括激励信号源、反射标签TAG、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TAG发射到接收机上，其特征在于，还包括WIFI发送器，所述反射标签TAG通过WIFI发射器与接收机进行信息交互，所述接收机包括优化处理，所述优化处理为USRP RIO设备首先侦听激励信道，并通过设定采样频率对I/Q分量进行采样，然后计算传输和静默状态的持续时间；最后将持续时间输入到优化算法中，获得最优RS码参数，并将最优RS码参数的索引反馈到标签；所述优化算法包括步骤：面向流估计、概率分布估计、面向符号估计、RS码优化。
2.根据权利要求1所述的一种基于信道编码的可靠反射通信系统，其特征在于，所述反射标签TAG基于FPGA，FPGA通过数字输入/输出(DIO)电缆连接到反射标签TAG，反射标签TAG的输出信号传输到NI-USRP 2953R。
3.根据权利要求1所述的一种基于信道编码的可靠反射通信系统，其特征在于，所述反射标签TAG包括封帧模块、RS编码器、上采样器、频移器、与门、调制器；所述封帧模块形成的数据帧发送到RS编码器中进行编码，然后经过上采样器后与移频器发出的频率信号经过与门后进入到调制器内。
4.根据权利要求1所述的一种基于信道编码的可靠反射通信系统，其特征在于，所述接收机还接收反射信号，具体为：USRP RIO设备侦听频率平移后的信道，通过比较接收信号的自相关性和预定义的阈值来检测帧，一旦达到峰值，设备就开始采集样本，然后依次进行匹配滤波处理、解调、同步和RS解码。
5.根据权利要求1所述的一种基于信道编码的可靠反射通信系统，其特征在于，所述面向流的估计具体步骤为：接收机首先监听激励信道，并分别生成激励信号的通断状态时间；然后将通断状态时间输入到最大似然估计以生成每个状态的概率分布。
6.根据权利要求5所述的一种基于信道编码的可靠反射通信系统，其特征在于，概率分布的估计，具体步骤为：
使用帕累托Pareto分布来评估WiFi流量的统计特性并产生测量数据，即WiFi信号的通断状态，并采用所述测量数据来获得WiFi业务的概率分布参数；
通过数学运算，得到静默状态与传输状态的概率密度函数参数，即
Figure FDA0003035298650000021
其中，N为测量数据样本数，xi为第i个静默状态持续时间，
Figure FDA0003035298650000022
为样本中最小的持续时间，log为自然对数函数，
Figure FDA0003035298650000023
为帕累托分布的形状参数；同样的，根据传输状态的时间得到传输状态对应的帕累托分布参数，即
Figure FDA0003035298650000024
其中，M为对应的测量数据样本数，yi为第i个传输状态持续时间，
Figure FDA0003035298650000025
为样本中最小的持续时间。
7.根据权利要求1所述的一种基于信道编码的可靠反射通信系统，其特征在于，面向符号的估计，具体步骤为：
采用双态马尔可夫模型来表示状态之间的转换；令α和β分别表示从传输状态(ON)到静默状态(OFF)及静默状态到传输状态的转移概率，马尔可夫模型的转移概率矩阵，即
Figure FDA0003035298650000026
进一步地，假设发送符号的误差只发生在经历静默状态，得到符号的平均错误概率
Figure FDA0003035298650000027
基于RS码的纠错能力，可得到采用(n，k)的RS码的错误率pe
Figure FDA0003035298650000031
其中
Figure FDA0003035298650000032
为RS码的纠错能力；若参数α和β已知，即可以得到系统的错误率；通过帕累托分布，得到
Figure FDA0003035298650000033
Figure FDA0003035298650000034
和
Figure FDA0003035298650000035
为帕累托分布的均值，R为传输速率，单位bps。
8.根据权利要求1所述的一种基于信道编码的可靠反射通信系统，其特征在于，RS码优化，具体步骤为：通过RS码启发式搜索算法搜索部分RS码，计算错误率，如果错误率小于给定阈值
Figure FDA0003035298650000036
保存该编码参数，最后在满足条件的参数中选择编码率最高的参数作为最优参数。
9.根据权利要求1所述的一种基于信道编码的可靠反射通信系统，其特征在于，所述反射标签TAG由天线和微控制器组成，微控制器控制单刀双掷(SPDT)射频交换网络产生反向散射信号；所述微控制器产生频率为Δf的方波信号，用于切换天线的吸收或反射信号状态。
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