基于BPSK調制的多通道環境反向散射通信系統

葛翔昊

（國網湖北省電力有限公司谷城縣供電公司，湖北 襄陽 441700）

0 引 言

無線電力傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）技術無須通過導線直接接觸即可完成電能輸送，可節省電纜成本和有線傳輸的電阻損耗，同時安全性高，供電方式靈活，適應范圍廣，在學術界和工業界引起了廣泛的關注[1,2]。環境反向散射技術作為無線電力傳輸的一個新興方向，具有成本低、頻帶利用率高、能耗低等特點，吸引了無線電力傳輸領域研究人員的目光[3]。在環境反向散射通信系統中，無線反向散射標簽從周圍環境收集射頻（Radio Frequency，RF）信號，如電視塔或者Wi-Fi信號，然后將自身的比特信息調制到RF信號，并反向散射到接收器。由于環境反向散射技術基于射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術提出，環境反向散射所用的設備也被稱為標簽（Tag）。在該類系統中，標簽不需要專用的射頻發射器，即可實現無源發射器和接收器之間的無線通信，適用于未來的綠色物聯網通信技術[4]。

1 環境反向散射研究

近年來，關于環境反向散射的研究越來越多。例如：基于正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）載波的環境反向散射通信系統將直接鏈路信號視為干擾信號，利用OFDM信號的循環前綴結構恢復標簽的信息來消除干擾信號，且循環前綴的長度越長，標簽獲得的性能更好[5]。環境反向散射也被用于認知無線電網絡方向，標簽可作為非授權用戶，從主發射器獲取能量發送數據。因此，標簽可以工作在基于“underlay”或者“overlay”的認知無線電網絡中。王智民提出了協同接收器來恢復RF信號和標簽信號，并指出連續干擾消除檢測器可以接近最大似然（Maximum Likelihood，ML）檢測器的誤碼率（Bit Error Ratio，BER）。目前，學術界在此方面的研究大多數集中在一個標簽的環境反向散射通信系統上，對于多通道環境反向散射通信系統的研究較少。因此，研究了一種新的多通道環境反向散射通信系統，同時接收射頻和多標簽信號，并對它們的比特信息進行譯碼。設計思路是先獲得2種場景下多通道環境反向散射通信系統的ML檢測器信號，在此基礎上可以得到每個場景下ML檢測器檢測誤碼率的封閉表達式，最后通過仿真驗證計算結果。

2 反向散射通信技術

反向散射通信技術利用無源設備通過調制反射信號進行無線通信，主要包括反向散射標簽和讀卡器2部分。反向散射標簽是一種被動射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）標簽，只能通過接收讀卡器的RF信號進行供能，并通過相應的反向散射信號進行數據傳輸。

讀卡器向標簽發射一段連續波信號，經過耦合傳入反向散射標簽，標簽內的調制器將數據轉換成相應的控制信號，然后利用反射器改變標簽的反射狀態。改變后的反射信號會經過散射矩陣和反射器進行耦合，進而反射回讀卡器天線。讀卡器接接收回波信號并進行信號處理，就可以將標簽的數據解調出來。

3 系統設計與實現

3.1 系統框架

文章提出的多通道環境反向散射電力通信系統主要包含RF源、多通道反向散射標簽、聯合檢測器以及信號處理模塊4部分。

3.2 系統設計

3.2.1 RF源設計

RF源是整個系統的信號源，主要由穩壓電源、本振、振蕩電路和功放等部分構成。文章采用Si4463射頻芯片作為主要的射頻芯片，并搭配一個2.4 GHz個人計算機（Personal Computer，PC）端口的單片機控制信號。

3.2.2 多通道反向散射標簽設計

多通道反向散射標簽主要包含天線匹配、RF信號解調、數據加工和調制等功能模塊。為支持多通道通信，文章采用一種新型的反向散射標簽設計，即利用反射器和反射系數變化實現不同通道的多路復用。標簽發射的反射信號可以被多個天線接收，從而實現多通道通信。

3.2.3 聯合檢測器設計

文章提出的多通道環境反向散射電力通信系統的核心是聯合檢測器，主要用于實現RF源數據和標簽數據的聯合檢測。多通道反向散射標簽通過改變反射信號的幅度和相位實現多通道通信，因此聯合檢測器需要融合多個天線接收到的反射信號。

文章采用一種基于似然比檢測的融合方法，即將多個天線接接收的反射信號進行組合，計算各個通道的似然比值，并進行最終決策。該方法具有較高的信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）和較低的比特誤碼率。

3.2.4 信號處理模塊設計

信號處理模塊主要用于對接收的信號進行數字化處理，并輸出轉換后的數字信號。本研究主要采用通過檢測信號振幅判別數字信號。

3.3 系統實現

系統實現主要采用硬件和軟件相結合的方式。其中：硬件采用一整套高速和高精度的測試儀器，如多入多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）信號發生器、多天線接收系統、高速數字采樣卡等；軟件采用自主研發的軟件平臺，主要包括數據采集、信號融合和數字信號處理等部分。系統各部分功能如下。

（1）發射端。首先，PC端通過RS-232與信號發生器進行通信，將需要發送的數據通過Si4463芯片進行射頻調制，并通過天線發射出去。

（2）接收端。天線接收反向散射信號后，RF信號經過射頻放大器進行放大，通過上變頻器從高頻轉換成中頻，然后到達數字采樣卡，進行模擬信號的數字化處理。

（3）信號處理。由于標簽數據和RF源數據的不同特性，需要對數據進行相應的預處理，主要包括基帶信號分離、濾波和降噪等步驟。最后，通過二進制相移鍵控調制技術，將接收的模擬信號轉換為數字信號輸出。

4 系統建模

環境反向散射通信系統模型如圖1所示。該系統由1個RF源、M個反向散射標簽和1個接收器組成，并且每個反向散射標簽都配置了一根天線。標簽中包括單個反向散射天線、能量收集裝置、微控制器、存儲器、可變負載阻抗以及電池。該系統可從環境信號中收集能量為電池充電，然后進行傳感和數據計算。當標簽有數據傳輸需求時，通過調整負載阻抗，將比特信息調制成為來自RF源的高頻信號。當阻抗匹配時，接收信號被完全吸收，否則信號被反射。該過程中，接收器同時采集和檢測來自多個標簽的RF信號和反向散射信號，其中反向散射信號的幅度和相位由反射系數決定。

圖1 多通道環境反向散射通信系統模型

設定h0為從RF源到接收器的直接信道系數，fi為從RF源到第i個標簽的前向信道系數，gi為從第i個標簽到接收器的后向信道系數。假設信道之間彼此獨立，并且其在接收器處已知。設定s(n)∈As表示RF源的發射信號，As表示發射信號峰值，Ts表示信號周期，ci(n)∈Ac表示信號周期為Tc的第i個標簽的傳輸信號，Ac表示傳輸信號峰值，表示標簽的反射系數。P表示RF源發射功率，表示直接鏈路的平均功率，表示反向散射鏈路的平均功率，標簽沒有附加噪聲。表示第i個標簽接收的來自RF源的信號，并且標簽用反射系數在其上調制ci(n)，則表示第i個標簽的反向散射信號，接收器在第n個標簽接收的信號為

式中：ω(n)表示接收的噪聲，在時域上的范圍為ω(n)～CN(0,σ2)，σ2表示方差。

于是，有

為使表達更加方便，將信噪比表示為

實際上，標簽可能具有比RF源更小的符率，例如Rs=NRc表示c在s的N個符號中保持不變，其中N∈Z+，Rs=1/Ts，Rc=1/Tc。為便于分析，假設P=1，βh=1，那么接收機接收的信號為

式中：Y表示接收矢量；S表示RF矢量；W表示噪聲矢量；Hi表示信道矩陣，i=1,2,3,…,n。這些向量的公式為

在該系統中，接收器從RF源和多個標簽上接收信號，這些標簽的比特信息都附在RF源上。因此，與傳統的多用戶信號檢測不同，射頻和標簽的信號不獨立，正交信號檢測方法在這里無效。

對于多通道環境反向射通信系統聯合檢測，ML檢測器是能夠使等概率發送信號的比特誤碼率最小化的最佳檢測器。當給定x為

則ML的檢測值為

具體為

多通道環境反向射通信系統聯合檢測與ML檢測器具有相同性能，但是更易于分析。假設給出標簽的符率來檢測RF信號，可以得到s(n)（1＜n＜N）的條件比特誤碼率，同樣可以得到cj（1＜j＜M）的比特誤碼率。

5 結 論

文章研究了多通道環境反向散射通信系統，采用聯合檢測的方法，分析了在BPSK調制下等數據速率和不等數據速率2種情況下RF源和標簽的誤碼性能。結果表明，當標簽的數據速率低于環境RF信號時，可以為標簽帶來分集增益，在高信噪比下進一步增加系統的容量。目前，對于環境反向散射通信系統的研究還處于起步階段，但是隨著對于“高效實用、智能綠色、安全可靠”的現代化設備的迫切需求，“碳達峰”和“碳中和”將會是長期要肩負的使命，因此對于多通道環境反向散射通信系統的深入研究非常必要，對于踐行綠色通信具有十分重要的意義。