基于BPSK调制的多通道环境反向散射通信系统

葛翔昊

（国网湖北省电力有限公司谷城县供电公司，湖北 襄阳 441700）

0 引 言

无线电力传输（Wireless Power Transmission，WPT）技术无须通过导线直接接触即可完成电能输送，可节省电缆成本和有线传输的电阻损耗，同时安全性高，供电方式灵活，适应范围广，在学术界和工业界引起了广泛的关注[1,2]。环境反向散射技术作为无线电力传输的一个新兴方向，具有成本低、频带利用率高、能耗低等特点，吸引了无线电力传输领域研究人员的目光[3]。在环境反向散射通信系统中，无线反向散射标签从周围环境收集射频（Radio Frequency，RF）信号，如电视塔或者Wi-Fi信号，然后将自身的比特信息调制到RF信号，并反向散射到接收器。由于环境反向散射技术基于射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术提出，环境反向散射所用的设备也被称为标签（Tag）。在该类系统中，标签不需要专用的射频发射器，即可实现无源发射器和接收器之间的无线通信，适用于未来的绿色物联网通信技术[4]。

1 环境反向散射研究

近年来，关于环境反向散射的研究越来越多。例如：基于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）载波的环境反向散射通信系统将直接链路信号视为干扰信号，利用OFDM信号的循环前缀结构恢复标签的信息来消除干扰信号，且循环前缀的长度越长，标签获得的性能更好[5]。环境反向散射也被用于认知无线电网络方向，标签可作为非授权用户，从主发射器获取能量发送数据。因此，标签可以工作在基于“underlay”或者“overlay”的认知无线电网络中。王智民提出了协同接收器来恢复RF信号和标签信号，并指出连续干扰消除检测器可以接近最大似然（Maximum Likelihood，ML）检测器的误码率（Bit Error Ratio，BER）。目前，学术界在此方面的研究大多数集中在一个标签的环境反向散射通信系统上，对于多通道环境反向散射通信系统的研究较少。因此，研究了一种新的多通道环境反向散射通信系统，同时接收射频和多标签信号，并对它们的比特信息进行译码。设计思路是先获得2种场景下多通道环境反向散射通信系统的ML检测器信号，在此基础上可以得到每个场景下ML检测器检测误码率的封闭表达式，最后通过仿真验证计算结果。

2 反向散射通信技术

反向散射通信技术利用无源设备通过调制反射信号进行无线通信，主要包括反向散射标签和读卡器2部分。反向散射标签是一种被动射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）标签，只能通过接收读卡器的RF信号进行供能，并通过相应的反向散射信号进行数据传输。

读卡器向标签发射一段连续波信号，经过耦合传入反向散射标签，标签内的调制器将数据转换成相应的控制信号，然后利用反射器改变标签的反射状态。改变后的反射信号会经过散射矩阵和反射器进行耦合，进而反射回读卡器天线。读卡器接接收回波信号并进行信号处理，就可以将标签的数据解调出来。

3 系统设计与实现

3.1 系统框架

文章提出的多通道环境反向散射电力通信系统主要包含RF源、多通道反向散射标签、联合检测器以及信号处理模块4部分。

3.2 系统设计

3.2.1 RF源设计

RF源是整个系统的信号源，主要由稳压电源、本振、振荡电路和功放等部分构成。文章采用Si4463射频芯片作为主要的射频芯片，并搭配一个2.4 GHz个人计算机（Personal Computer，PC）端口的单片机控制信号。

3.2.2 多通道反向散射标签设计

多通道反向散射标签主要包含天线匹配、RF信号解调、数据加工和调制等功能模块。为支持多通道通信，文章采用一种新型的反向散射标签设计，即利用反射器和反射系数变化实现不同通道的多路复用。标签发射的反射信号可以被多个天线接收，从而实现多通道通信。

3.2.3 联合检测器设计

文章提出的多通道环境反向散射电力通信系统的核心是联合检测器，主要用于实现RF源数据和标签数据的联合检测。多通道反向散射标签通过改变反射信号的幅度和相位实现多通道通信，因此联合检测器需要融合多个天线接收到的反射信号。

文章采用一种基于似然比检测的融合方法，即将多个天线接接收的反射信号进行组合，计算各个通道的似然比值，并进行最终决策。该方法具有较高的信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）和较低的比特误码率。

3.2.4 信号处理模块设计

信号处理模块主要用于对接收的信号进行数字化处理，并输出转换后的数字信号。本研究主要采用通过检测信号振幅判别数字信号。

3.3 系统实现

系统实现主要采用硬件和软件相结合的方式。其中：硬件采用一整套高速和高精度的测试仪器，如多入多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）信号发生器、多天线接收系统、高速数字采样卡等；软件采用自主研发的软件平台，主要包括数据采集、信号融合和数字信号处理等部分。系统各部分功能如下。

（1）发射端。首先，PC端通过RS-232与信号发生器进行通信，将需要发送的数据通过Si4463芯片进行射频调制，并通过天线发射出去。

（2）接收端。天线接收反向散射信号后，RF信号经过射频放大器进行放大，通过上变频器从高频转换成中频，然后到达数字采样卡，进行模拟信号的数字化处理。

（3）信号处理。由于标签数据和RF源数据的不同特性，需要对数据进行相应的预处理，主要包括基带信号分离、滤波和降噪等步骤。最后，通过二进制相移键控调制技术，将接收的模拟信号转换为数字信号输出。

4 系统建模

环境反向散射通信系统模型如图1所示。该系统由1个RF源、M个反向散射标签和1个接收器组成，并且每个反向散射标签都配置了一根天线。标签中包括单个反向散射天线、能量收集装置、微控制器、存储器、可变负载阻抗以及电池。该系统可从环境信号中收集能量为电池充电，然后进行传感和数据计算。当标签有数据传输需求时，通过调整负载阻抗，将比特信息调制成为来自RF源的高频信号。当阻抗匹配时，接收信号被完全吸收，否则信号被反射。该过程中，接收器同时采集和检测来自多个标签的RF信号和反向散射信号，其中反向散射信号的幅度和相位由反射系数决定。

图1 多通道环境反向散射通信系统模型

设定h0为从RF源到接收器的直接信道系数，fi为从RF源到第i个标签的前向信道系数，gi为从第i个标签到接收器的后向信道系数。假设信道之间彼此独立，并且其在接收器处已知。设定s(n)∈As表示RF源的发射信号，As表示发射信号峰值，Ts表示信号周期，ci(n)∈Ac表示信号周期为Tc的第i个标签的传输信号，Ac表示传输信号峰值，表示标签的反射系数。P表示RF源发射功率，表示直接链路的平均功率，表示反向散射链路的平均功率，标签没有附加噪声。表示第i个标签接收的来自RF源的信号，并且标签用反射系数在其上调制ci(n)，则表示第i个标签的反向散射信号，接收器在第n个标签接收的信号为

式中：ω(n)表示接收的噪声，在时域上的范围为ω(n)～CN(0,σ2)，σ2表示方差。

于是，有

为使表达更加方便，将信噪比表示为

实际上，标签可能具有比RF源更小的符率，例如Rs=NRc表示c在s的N个符号中保持不变，其中N∈Z+，Rs=1/Ts，Rc=1/Tc。为便于分析，假设P=1，βh=1，那么接收机接收的信号为

式中：Y表示接收矢量；S表示RF矢量；W表示噪声矢量；Hi表示信道矩阵，i=1,2,3,…,n。这些向量的公式为

在该系统中，接收器从RF源和多个标签上接收信号，这些标签的比特信息都附在RF源上。因此，与传统的多用户信号检测不同，射频和标签的信号不独立，正交信号检测方法在这里无效。

对于多通道环境反向射通信系统联合检测，ML检测器是能够使等概率发送信号的比特误码率最小化的最佳检测器。当给定x为

则ML的检测值为

具体为

多通道环境反向射通信系统联合检测与ML检测器具有相同性能，但是更易于分析。假设给出标签的符率来检测RF信号，可以得到s(n)（1＜n＜N）的条件比特误码率，同样可以得到cj（1＜j＜M）的比特误码率。

5 结 论

文章研究了多通道环境反向散射通信系统，采用联合检测的方法，分析了在BPSK调制下等数据速率和不等数据速率2种情况下RF源和标签的误码性能。结果表明，当标签的数据速率低于环境RF信号时，可以为标签带来分集增益，在高信噪比下进一步增加系统的容量。目前，对于环境反向散射通信系统的研究还处于起步阶段，但是随着对于“高效实用、智能绿色、安全可靠”的现代化设备的迫切需求，“碳达峰”和“碳中和”将会是长期要肩负的使命，因此对于多通道环境反向散射通信系统的深入研究非常必要，对于践行绿色通信具有十分重要的意义。