一种无干扰可配置的后向散射无线传感网络架构*

王 茵,莫金容,施燕峰,鄢婷婷

(1.贵州师范大学智能信息处理研究所,贵阳 550001;2.贵州交通职业技术学院,贵阳 550001)

自问世以来,后向散射通信因其低成本和低功耗已在RFID(Radio Frequency Identification)系统中得到普遍应用[1-2]。同样地,运用后向散射通信原理,传感节点发射机可简化成连接到天线的晶体管,将大大降低无线通信系统的成本和功耗。例如,华盛顿大学的学者研究了基于后向散射通信具有射频能量获取的WISP(Wireless Identification and Sensing Platform)无线智能传感系统,该系统支持标准的UHF RFID协议,具有可编程、可扩展的功能,已在无线测温、生物信号获取等领域得到应用[3-5]。还有,基于后向散射通信和无线能量获取的汽车主动式安全监测研究也受到普遍关注[6-8],如胎压监测系统[9];在激光脉冲主动探测和PM2.5测量的应用中,前者分析了大气散射模型导致的后向散射对激光脉冲的影响,后者基于后向散射建立了PM2.5颗粒物浓度的方法[10-11]。此外,后向散射原理在新兴的绿色通信技术和无线功率的时间优化方案上得到相应的研究[12-13]。可以相信,后向散射无线传感网络的研究和应用会得到越来越多的重视。

与RFID系统较高的数据速率不同,后向散射无线传感网络主要用于变化相对较慢的环境,数据速率往往较低,一般在10 bit/s左右。因此,后向散射无线传感网络工作距离较大,连续工作时间也较长。但是,正因为实现简单,后向散射传感节点没有接收机,也不具有防碰撞功能,不像RFID系统那样,具有协商和同步机制。而对于多传感器应用环境,必须考虑同频道干扰问题[14-15]。鉴于此,基于频分多址FDMA(Frequency Division Multiple Access)和软件无线电技术SDR(Software Defined Radio)[16-17],本文提出一种无干扰可配置的后向散射无线传感网络架构,以提高无线通信的灵活性、可扩展性、抗干扰性,降低成本和功耗。

1 后向散射传感信号模型

后向散射传感节点结构非常简单,可表示成开路和短路两个负载状态间切换的天线,如图1所示。图1中,当后向散射传感收发器发送的射频载波信号被后向传感器天线接收后,受传感数据的影响,传感节点负载状态不断变化,反射系数也随之变化,从而实现反射信号被传感数据调制,并通过后向散射传回传感收发器。

图1 后向散射传感信号模型

如果记传感收发器发送的未调制载波复信号为:

(1)

式中:P、ωc和φc分别是载波信号的峰值功率、角频率和相位。

则第i个传感器接收到载波复信号可表示为:

(2)

式中:αi是路径传输衰耗。

引起天线负载变化的传感数据是二元序列,则时变的反射系数可表示为:

(3)

式中:ak∈{+1,-1}是反射系数对应的二元序列,对应于负载的开路和短路两个状态,p(t)是周期为Ti的传感数据矩形脉冲。

(4)

式中:τi为信号传输时延,φoi是接收到的传感信号的相位。

如果有多个传感器同时工作,则收发器收到的信号为:

(5)

式中:n(t)是高斯白噪声。

从上可见,经过反射,载波信号幅度和相位已被传感数据调制,即后向散射传感信号通过调幅和调相,实现了后向散射调制通信。

还可见,区别于传统的无线传感网络和RFID系统,这种后向散射无线传感网络系统具有如下特点:

①由于传感器没有产生本地的射频信号,只是反射收发器的载波信号,没有频偏,因此,收发器实现简单,可采用零中频的接收方式,不存在镜像干扰的问题,也易于实现集成。

②由于后向散射传感信号是一个慢变化信号,传感数据速率低,大都是10 bit/s量级[18],可降低传感节点功耗,提高传输距离。

③由于传感数据速率低,传输时延可忽略不计,收发器与传感器之间自然同步,收发器和传感器实现简单,且反射信号可以只考虑幅度调制,即可用ASK调制表征传感节点的后向散射通信。

但是,由于后向散射传感节点没有接收机,不像RFID系统那样,具有协商和同步机制,也不具有防碰撞功能。因此,对于多传感器应用环境,会出现频率干扰问题,即类似于RFID系统多标签碰撞。

2 可配置架构

正如前述,由于后向散射传感节点结构简单,没有RFID系统的防碰撞协议,因此,当多个传感器同时工作时,会出现同频道干扰问题,从而影响传感器的无线接入和系统性能。因此,提出一种基于频分多址和软件无线电的后向散射无线传感网络架构,实现传感数据脉冲周期的可配置,避免多传感数据功率谱混叠,既保证后向散射无线传感网络灵活性,又改善系统性能。

2.1 基于软件无线电可配置的架构

图2是广义上的软件无线电架构,包括射频前端、带宽变换和数据处理三部分[16]。射频前端由天线、低噪放大器和上、下变频器组成,上、下变频器中心频率可配置;在软件无线电架构链中,带宽变换最重要,包括A/D和D/A,它决定系统的整个带宽,影响数据处理的方式、速度和系统的性能。为提高系统性能,要求A/D和D/A尽可能靠近天线。这种方式尽管结构灵活,但因其需要较高的采样率,物理上较难实现;数据处理单元比较灵活,可采用PC机、FPGA、DSP中的一种,或者它们之间的组合实现。

传统无线传感节点的组成如图3(a)所示。图3(a)中,收发器完成传感数据的调制和射频放大,或者完成射频信号到数字信号的转换。收发器采用硬件的方式实现物理层、链路层的功能,仅能支持一种通信协议和频段,扩展性、灵活性差。

图3 可配置的传感网络架构

因此,基于软件无线电技术,利用软件无线电的优点,提出一种可配置后向散射无线传感架构。第1步,构建基于软件无线电的后向散射传感收发器架构,如图3(b)所示。图3(b)中,采用基于DSP的数字频率合成技术,实现收发器载波频率的可配置,以满足不同工作频段的需要;采用FPGA+DSP技术,实现传感数据的频谱分析、滤波和其他处理,并支持多种协议,实现与其他网络的互联。第2步,构建基于软件的脉宽可配置后向散射传感器。采用FPGA+DSP技术,实现传感数据脉冲宽度的可配置,如图3(c)所示。

实现这种可配置的后向散射无线传感网络系统可分为两个阶段。第一阶段,原型验证阶段。这个阶段要求软件容易编程,采用具有较强的计算能力的软件无线电平台,验证提出的架构和算法;第二阶段,系统优化完善阶段。在第1个阶段的基础上,第2个阶段完全采用FPGA+DSP技术,实现系统的灵活性和可扩展性,同时降低系统的成本和物理尺寸。

本文工作属于第一阶段,采用成熟的软件无线电平台,验证提出系统的可行性和合理性。

2.2 脉冲周期配置条件

既要避免同频道干扰,解决多传感器无线接入的问题,又要使后向散射传感节点结构简单,本文提出一种具有副载波调制的接入方法,即FDMA的接入方法。

由于方波信号功率主要集中在基波,因此,为便于分析,接收到的ASK调制传感复信号可用基波表示为:

(6)

式中:ωi=2π/Ti,也就是频分多址副载波的角频率。

按照相关短距离无线通信的频谱的约束,功率谱可近似表示为[19-20]:

S(f)≈1/(f-fi)2

(7)

式中:fi=1/Ti

并且,信号功率谱集中在fi±ri/2的范围内,即信号带宽为:

Wi=ri=1/Tbi

(8)

式中:Tb是传感数据码元宽度。

因此,如果第1,2,…,n个传感器对应的脉冲周期满足:T1

(9)

以此类推:

(10)

同时,由于频谱资源有限,为保证这n个传感数据能被传感收发器接收,则这n个传感器对应的数据码元宽度还应满足下式:

(11)

式中:B是传感收发器接收带宽,一般可选择为有关无线电规范划分的频道带宽值250 kHz[19]。

式(10)给出了实现多传感器无干扰接入必须满足的传感数据脉冲周期约束,而式(11)则给出了多传感器接入传感(二元)数据累积符号率的上界。利用这些约束和上界,可灵活配置多传感数据脉冲周期,实现后向散射多传感器无干扰接入。

3 原型实现

近年来,随着软、硬件技术的发展,各种适合科学研究的软件无线电平台应运而生。如采用Linrad,High Performance Software Define Radio,GNU Radio和LabVIEW实现的软件无线电平台原型等。其中,采用LabVIEW和GNU Radio实现的软件无线电平台原型最普遍。

3.1 LabVIEW和GNU Radio

GNU Radio是开源的软件无线电专用开发软件,支持Linux和Windows环境,采用图形化和文本编程模式。GNU Radio 运用主要采用Python编程语言编写,而核心信号处理模块则是C++在带浮点运算的微处理器上构建的。因此,可在C++环境下开发所需的信号处理模块,并可在低成本的射频前端上实现软件无线电平台原型。

LabVIEW是一种通用的编程系统,提供图像化编程环境,包含数据采集、射频通信、信号分析、数字滤波、数据分析、数据显示及数据存储等函数库,支持Windows环境,提供图形用户接口和方法,便于图形化和文本编程。LabVIEW具有Mathscript脚本函数,可编写及调用MATLAB函数,也可在C++环境下开发所需的信号处理模块,功能更加强大,需要依托射频前端才能实现软件无线电平台原型。

目前,射频前端用得最多的是USRP。NI USRP2930可接收GPS时钟信号,USRP发射、接收和本振单元可共享此时钟,确保发送载波具有极高的频率准确度和稳定度[21],可降低传输的相位抖动,这对于后向散射无线传感网络十分重要[22]。因此,考虑到软硬件兼容性,本文采用LabVIEW+NI USRP 2930的组合,实现支持后向散射无线传感网络的软件无线电原型。

3.2 NI USRP2930

NI USRP2930完成物理层功能,连接到运行LabVIEW的主机,构成软件无线电原型。NI USRP2930有两个SMA连接器,其中一个工作在收发双工模式上,另一个工作在只有收的单工模式上。对于接收模式,射频信号经标准的SMA接口连接到USRP2930,并通过直接数字下变频生成数字基带I、Q信号,其中采用14位的模数转换ADC,采样率为100 MS/s,数字下变频器可对模数转换后的100 MS/s数字信号进行滤波、抽取等处理,按需要生成不同码速率的数字基带I、Q信号。最后,生成的数字基带I、Q信号经Gbit/s以太网口连接到主机;而对于发送模式,主机生成的数字基带I、Q信号经Gb以太网口连接到NI USRP2930。NI USRP2930数字上变频器通过插值的方式,将主机生成的数字基带I、Q信号变成100 Mbit/s数字信号,并经16位、采样率为400 MS/s的数模转换器转变成模拟信号。最后,数模转换器生成的模拟信号经混频、放大等处理后,经天线发送出去,如图4所示。

图4 NI USRP 2930组成

NI USRP2930工作频率范围50 MHz～2.2 GHz,中心频率可调,瞬时带宽达25 MHz,覆盖FM无线电、GPS、GSM、雷达和ISM频段;集成GPS时钟获取功能,生成频率准确度和稳定度极高的本地10 MHz时钟参考信号,供USRP发射、接收和本振单元共享。

3.3 可配置、射频唤醒的后向散射传感网络原型

基于USRP的可配置后向散射传感网络原型如图5所示,原型架构由两台NI USRP2930、一块NI USB6216数据采集卡、一个WISP无线能量获取模块和两台主机组成。

图5中,一台主机和与其连接的NI USRP2930完成连续载波的发送、传感信号的接收和数据提取等,实现射频载波的产生和发送、后向散射信号的接收和数字基带I、Q信号的产生等,即构成基于软件无线电的后向散射传感收发器原型;另一台主机和NI USRP2930、NI USB6216数据采集卡、WISP射频能量获取模块[3]和传感器及信号调理电路集成构成可配置后向散射传感节点原型,实现脉冲周期(副载波频率)配置和传感数据的采集和发送。其中,WISP是一种UHF频段射频能量获取、无电池、基于后向散射通信的无线感知标签,射频能量通过WISP芯片经多级倍压电路并整流成直流电压向传感器供电,即WISP射频能量获取模块与传感器的集成,构成射频唤醒的后向散射传感节点。而主机、NI USRP2930、NI USB6216数据采集卡和LabVIEW一起,实现传感数据脉冲周期的可配置。

图5 可配置后向散射传感网络原型

图7 传感节点图形用户接口

4 实验设置和结果

根据第3节中提出的无干扰可配置后向散射传感网络原型,通过仿真和实验的方式,验证提出架构的合理性和可行性,评估系统性能。

4.1 实验设置

4.1.1 实验环境

实验环境如图6所示,包括两台PC主机、两台 NI USRP2930,一台TEK TDS3032C示波器,一个WISP射频能量获取模块,一块NI USB6216数据采集卡,一块集成温度和湿度传感器的信号调理电路板块。

图6 实验环境图

实验参数设置:载波频率915 MHz,温度和湿度传感数据码元宽度分别设置为满足式(11)的0.02 s和0.05 s,传感数据脉冲周期可调。

4.1.2 基于LabVIEW的图形用户接口

基于LabVIEW,创建传感收发器和传感节点两个图形用户接口,如图7和图8所示。传感节点图形用户接口可配置传感数据脉冲周期、载波频率和数据采样率,可显示基带IQ信号;传感收发器图形用户接口可配置发送查询载波频率和信号获取滤波器参数,显示接收到的信号功率谱和基带IQ信号。

图8 传感收发器图形用户接口

图7中,传感节点图形用户接口包括DAQ数据采集、USRP参数和ASK调制参数等模块。其中,DAQ数据采集模块可设置多通道和定时,本实验采用模拟输入两路通道ai0和ai1,采样时钟源使用板上时钟,采样率为200 k;USRP参数模块可设置USRP设备的IP地址、I/Q数据速率、载波频率和天线端子等;ASK调制参数模块可设置ASK调制的符号率、M进制数和滤波器参数等。同时,DAQ连续实时采集的温、湿度两路信号,经LabVIEW数据格式转换,采集到的2路信号分别对可配置的副载波调制,合路后调制915 MHz载波,最后由USRP将传感数据发送出去。

图8中,传感收发器图形用户接口可配置USRP和ASK解调参数,配置发送查询载波频率,显示接收到的信号功率谱和基带IQ信号。

图9 WISP电压输出波形

4.2 仿真和实验结果

4.2.1 无线能量获取

当载频为915 MHz,USRP发射功率为20 dBm,USRP与WISP模块相距30 cm时,TEK TDS3032C示波器测得WISP输出电压波形如图9所示。

从图9可见,WISP输出电压最小值为0.85伏,通过倍压电路使其升压,可以满足传感器(TMP20温度传感器、HDC1000湿度传感器)正常工作,从而实现传感节点的射频唤醒。

图10 接收到的后向散射基带信号

4.2.2 接收到的后向散射基带IQ信号

收发器USRP接收到的后向散射基带IQ信号如图10所示。

图10(a)中,只有一个传感节点工作,接收到的后向散射基带IQ信号有两个电平,分别对应于“0”和“1”两个电平;图10(b)中,有两个后向散射传感节点工作,传感数据的副载波频率分别设置为20 kHz和19.98 kHz,接收到的后向散射基带IQ信号有多个电平,表明两个后向散射传感节点出现了碰撞;图10(c)中,有两个后向散射传感节点工作,传感数据的副载波频率设置分别为20 kHz和1 kHz,满足频谱不混叠条件,即式(9),接收到的后向散射基带IQ信号只有两个电平,表明两个后向散射传感节点没有出现碰撞,相互间无干扰。以上3种情况对应的接收信号功率谱如图11所示,图11(a)中,只有一个信号功率谱;图11(b)中,有两个信号功率谱,但明显出现频谱混叠;图11(c)中,有两个信号功率谱,并未出现频谱混叠。

图11 接收信号功率谱

4.2.3 误差矢量幅度

误差矢量幅度EVM(Error Vector Magnitude)是描述射频系统频率、相位和幅度总体指标。根据ITU相关标准[23],结合本文提出的框架,EVM可定义为:

(12)

910 MHz～915 MHz频率范围,USRP传感节点发送功率设为20 dBm,测得的EVM的值为2.8%。

4.2.4 中断率

根据中断率的定义,λth对应于符号差错率阈值对应的信号与干扰加噪声比。因此,参照高斯信道下ASK调制误码率为1×10-2时,对应的信噪比10.34 dB为信号与干扰加噪声比阈值λth,其他参数参考3GPP规范[24],即EiTi/N0=44.7 dB,li=-1 dB,μ=1,σ=0.5。

考虑两个用户,即当fi=1 k,fj在100 Hz～2 kHz范围时,中断率的70 000次Monte Carlo仿真和数值计算[25]结果如图12所示.。图12中,数值计算与Monte Carlo仿真误差小于1.86%。

图12 中断率Monte Carlo仿真和数值计算

5 结论

基于软件无线电技术,本文提出一种面向多传感应用、无干扰可配置的后向散射无线传感网络架构。这种架构可应用于不同场合,具有很强的灵活性,并且成本、功耗低。

为验证提出架构的有效性和可行性,基于LabVIEW和USRP平台,构建了架构的实现原型,给出了多传感器无碰撞接入的约束条件。实验证明,通过灵活配置副载波,可实现多传感器的无碰撞、无干扰接入。最后,实验和数值仿真表明,误差矢量幅度EVM值小于2.8%,数值分析和Monte Carlo仿真验证间中断率误差小于1.86%,为下一阶段工作打下了基础。