一种基于微波二维码的车牌信息识别通信系统*

孙哲哲，徐赛，郭春鹏

（西北工业大学网络空间安全学院，陕西 西安 710072）

0 引言

随着世界全球汽车行业的飞速发展，汽车使用量不断增加，因此逐渐产生了诸多问题。如：汽车盗窃、交通事故、道路拥堵、环境污染等。为了解决这些社会问题，全世界都在不断研究如何有效地管理并监控车辆。仅仅依靠交通警察等人力资源，这无疑十分低效，成本巨大。如果城市能大量引入智能交通设备，无疑会对治理上述问题提供极大的方便和好处[1]。

在这样的复杂背景下，对于智能交通系统的研究逐渐被各国重视。“智能城市”概念开始被提出，为实现城市智能化管理，对“智能监控”和“智能交通”进行了广泛的讨论。车牌识别系统目前已广泛应用在社区门禁管理、高速公路收费管理、智能停车系统、电子警务等方面，实现了城市交通的有效监督、减少交通拥堵，这对人类社会管理有重要的意义。同时，车牌信息过于单一也是一个急需解决的问题，如果车牌可以存储更加丰富的信息，如：车主信息、电话号码、紧急联系人、车辆年限、维修记录、车辆行驶证、驾驶员与行车违法等。供不同权限的人员进行查看，从而更方便人员管理驾驶安全，进而实现智慧城市的便利。

针对此场景智能反射面提供了很好的解决方案，例如利用智能反射面作为信息媒介将这些信息通过微波二维码进行存储。近年来，智能反射面（IRS）已经得到了广泛的研究[2]，在几乎所有的研究中都将其视为纯反射器件或无源发射器[3-4]。IRS 是一个二维超表面，由大量的电磁（EM）敏感元件组成。与有源天线相比，IRS 的主要区别在于没有配备一个发射射频（RF）链[6]。当激活红外线时，可以通过调整元件的反射系数来改变入射信号的振幅和相位。通常，IRS 作为一个纯反射器来构建一个智能有源环境，用于增强或降低信号接收[6]，如多用户通信[7]、认知无线电[8]、物理层安全[8]、设备到设备通信[9]、多方通信[10]、非正交多址[11]。除了作为纯反射器之外，IRS 还被用作无源发射机或反向散射装置[12]，它能够通过调制和反射传入信号来发送自己的信息，其中主要的研究集中在调制[13-17]和无源波束形成[18-19]。

到目前为止，IRS 尚未被认为是一种信息媒介。更准确地说是一种电磁图像显示器，用以显示微波快速响应（QR）码进行信息传播。微波二维码作为IRS 反向散射通信的一个新分支，与现有的被动波束形成和信息传输形式有一些不同[13]：

1）数据位直接被映射到IRS 元素的复杂反射系数上形成位图图像；

2）IRS 端不需要任何信道状态信息（CSI）；

3）大大简化了IRS 端的信号处理和硬件架构，以及与收发器的协作流程；

4）完善、系统的QR 技术基础有利于无源通信的实际应用；

5）在有障碍物的情况下仍然可以实现可靠的通信。

与传统的基于天线的通信相比，微波二维码可以降低终端设备的信号处理、计算和硬件架构的复杂性，如边缘计算[20]和预编码。基于IRS 的二维码作为微波频段二维码的扩展，具有与光学二维码相似的优点，包括数据编码容量大、编码范围广、容错能力强、解码可靠性高等优点。因此，微波二维码是实现物联网和无线传感器网络、智能电网、物流管理、海量事务等低功耗通信场景的理想技术。

由于这些独特的特点，本文将这种对应关系集中在基于IRS 的微波二维码上，这为实现无线通信提供了一种变革性的手段。与文献[13-19] 不同，本文试图提出一种新的反向散射通信模式，即IRS 的微波二维码并不集中研究与IRS 相关的调制技术或无源波束形成。

本文主要的研究工作如下：

1）提出了微波二维码的概念，可以将汽车车牌信息映射到智能反射面上。除二维码外，该系统框架也适用于其他编码图像的情况；

2）初步提出了基本的系统操作机制，包括信号调制、二维码实现、传输设计、检测等；

3）仿真结果表明了所提出的系统和方案的可行性，为今后的微波二维码信息映射研究提供了有用的指导方针。

1 系统模型

考虑如图1 所示的基于IRS 的微波二维码通信系统，其IRS 建立一个携带数据信息的元素图像而不是无线电信号的纯反射器。具体来讲发射阵列天线阵列（TX）向IRS发射电磁波，接收阵列天线阵列（RX）用于数据提取回波信号。类比于光学扫描仪对于可视化码进行扫描从而获取信息这一功能，接收天线和发射天线进行信息的接收和发射，智能反射面元素类似于光学二维码进行信息的存储。

图1 微波二维码智能反射面工作原理图（IRS作为元素图像显示器，将信息映射到反射元素上）

采用智能反射面可以在光源不充足、不利于光学二维码采集信息的情况下进行二维码信息采集。发射天线阵列和接收天线阵列可以集中部署或者单独部署，假设发射天线阵列和接收天线阵列可以通过高速链路交换信息，从而确保它们可以协作读取IRS 上的信息，还可以通过物理隔离或者是先进的信号处理技术消除发射天线阵列和接收天线阵列之间的干扰。

二维码车牌信息工作原理获取如图2 所示，含有车牌信息的原始光学二维码信息通过发射天线阵列TX，信道增益矩阵H、F 以及环境中的噪声和干扰混合，最终被接受天线阵列RX 接收，经过信号检测评估将得到的二维码信息进行输出，最后得到带有车牌信息的微波二维码。

图2 二维码车牌信息工作原理

2 平均误码率公式推导

本节将根据信息论计算提出的通信系统的平均符号错误概率（ASEP）。考虑到IRS 处元件的振幅调整具有较高的控制复杂度，本文采用一个典型的调制例子：相位键控（PSK）来计算平均误码率（ABEP）。

基于表达式(6)，可以得到IRS 的第l个元素的ABEP 的封闭表达式。当IRS 的每个元素只在两种状态之间切换时，二进制相移键控（BPSK）的复杂度较低，因此采用二进制相移键控调制是一个好的选择。对于BPSK，IRS 的第l个元素的平均误码率（ABEP）为：

当相位阶数大于4 时，IRS 的第l元素的ABEP 公式可以近似为：

3 微波二维码车牌信息识别的通信效率

本节将讨论IRS 作为微波二维码车牌信息显示器如何进行TX/RX 进行交互，包括二维码的实现、传输设计、检测等工作原理，如图2 所示。考虑到二维码有许多版本支持不同的语言、数字、字母或它们的混合，二维码是一个独立的研究领域，其具体设计并不进行研究讨论。

在TX 上，信道估计和波束形成设计对系统的通信性能有巨大的影响。由于IRS 作为一种信息介质，每个元素都具有相同的星座图，因此设置作为信道估计和波束形成的前提条件。在这种前提下，很容易估计出级联通道即FH。基于FH 的信道状态，采用了一种简单的波束形成方案，其中将w 设计为矩阵HHFHFH 的最大特征值对应的特征向量。

在RX 中，天线的数量可能远远小于IRS 元素的数量，这导致了信号检测的困难。为了解决这个问题，可以考虑两种方案。在第一种方案中IRS 被等分地划分为Nr块，每一个二维码元素都具有相同的反射系数。如果IRS 块的数量不足以承载完整的信息，则将IRS 上多帧携带的车牌二维码信息合并到一个二维码模块进行信息传输，因此IRS 元素被简化为Nr，每个IRS 块可以反射出比一个元素更多的功率。在第二种方案中，采用频分复用，具体地说，IRS 由用于消除干扰的多组频率选择元件组成，并且每组能够反射特定频带中的电磁波。基于这种方案，不同组元件反射的信号可以同时被RX 检测到。根据不同的调制方案，每个元件或IRS 块被用作一个或多个微波二维码模块。例如采用BPSK 时，一个元素或IRS 块代表一个二维码模块；当采用16PSK 时，一个元素或IRS块代表四个微波二维码模块。当来自TX 的EM 波入射到IRS 上时，由每个元件携带的信息被调制成反射信号，在RX 处接收、检测和估计信号。由于噪音、干扰和障碍，恢复的二维码可能会受到受损，但信息仍然可以被正确解码。

根据TX 和RX 进行的信息交互，可类比于光学二维码信息进行调制解调，将信息存储在智能反射面上来进行数据传输，经过分析在智能反射面通信是可行的。

4 数值仿真分析

本节将通过数值分析来评估所提出的基于微波二维码的识别技术的可行性和可实现的性能。在模拟中，通道H 和F 是根据莱斯因子k随机生成的，路径损耗传输距离与PL0=-30dB 考 距 离d0=35m。图中包含了多种PSK 调制阶数的方案，包含理论值和仿真值。其中参数设置为：d为从发射天线和接收天线到智能。

反射面的距离，噪声温度T=300 K，噪声带宽B=1 MHz。

图3 展示了采用PSK 的多个调制方案时，平均信噪比对于系统平均误码率的影响。其中接收天线数,发射天线数Nt=32、Nr=32，IRS 的元素数量L=64 以及莱斯因子k=0.1，平均信噪比γ=(0dB-30dB)。实验结果可知，系统不同调制方案的平均误码率均随平均信噪比的增加而减少，并且理论值与仿真值保持一致，说明本文推导的理论公式近似是准确的。

图3 平均信噪比对于误码率的影响

图4 描述了在莱斯因子k=0.1、智能反射面元素数为L=64、平均信噪比γ=(0dB-30dB) 不变的情况下，发射天线数对平均误码率的影响。根据仿真结果可知，无论是理论值还是实验值，都随着发射天线数增多平均误码率会逐渐降低，并且理论值和仿真值是高度一致的。

图4 发射天线数对误码率的影响

另一方面随着着PSK 的调制阶数增加，误码率也会提高。

图5 展示了在发射天线数,接收天线数Nt=32、智能反射面元素数L=64、平均信噪比γ=(0dB-30dB) 不变的情况下，莱斯因子对系统平均误码率的影响。从图可知，随着莱斯因子的增加系统平均误码率会降低，并且理论值和仿真值保持高度一致，但是有一个下界。同时，BPSK的平均误码率最低，并且随着PSK 调制阶数的增加平均误码率也随之提高。

图5 莱斯因子对于误码率的影响

图6 表示二维码被遮挡的区域对系统平均误码率的影响。在智能反射面的右下角被遮挡，假设遮挡物为正方形，设置不同边长的遮挡物进行实验。所有信息都来自于对BPSK 的调制。从图可以看出，二维码的识别概率随着平均信噪比、TX 处的天线数Nt和莱斯因子k的增加而提高，相反会随着被遮挡区域面积的增加而降低。根据实验可知信息识别概率和智能反射面发射天线数和遮挡物边长有直接关系。

图6 二维码被遮挡区域对误码率的影响

5 结束语

本文提出了一个微波二维码车牌信息识别无线通信系统并研究了一些基本议程。包括信号调制的平均误码率、IRS 的二维码实现、传输设计、检测等。根据理论分析和仿真结果，可以得出结论：1）基于智能反射面的微波二维码具有非常好的通信性能，说明本文提出的方案是可行的；2）BPSK 的平均误码率最低，PSK 调制阶数的增加会提高平均误码率；3）较高的平均信噪比、发射天线中的更多天线和更大的莱斯因子有助于降低平均误码率并提高识别二维码的可能性；4）基于智能反射面的微波二维码对信息识别具有很好的鲁棒性。因此智能反射面的微波二维码具有很广泛的实用价值。