CN112954792B - 一种基于环境反向散射的多反射设备联合定位与通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是涉及一种基于环境反向散射的多反射设备联合定位与通信方法。本发明使用接收机接收信号，接收到的信号通常包含来自环境射频源的直射链路信号和L个反射设备反向散射信号。通过空域信号处理技术，实现同时对多个反射设备进行定位。定位的同时，提供了一种在OFDM射频源下的低复杂度的解调反射信号的方案，无需解调射频源信息。即在对反射设备定位的同时，实现反射设备与接收机的通信。反射设备通过发送导频，接收端事先已知导频与反射设备的对应关系，通过接收端已知的导频和接收到的信号的导频进行相关运算，可以判决该反射信号和反射设备的对应关系，最终实现对某一确定的反射设备的信息解调和定位。

Description

一种基于环境反向散射的多反射设备联合定位与通信方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是涉及一种基于环境反向散射的多反射设备联合定位与通信方法。

背景技术

环境反向散射技术是近几年来提出来的物联网的解决方案之一，它使用了环境中已经存在的射频源作为信号源，不需要像传统反向散射技术单独配置射频信号源。反向散射技术本身具备功耗低、成本低的优点，基于环境反向散射技术的应用在此基础上，由于免去了部署专用射频信号源，进一步地降低了成本，提升了频谱效率。

随着科技发展，对于物联网设备同时进行通信和定位的需求越来越广泛。设计一种可以同时实现对环境反向散射通信系统中多个反射设备的通信和定位的系统，具有广阔的应用前景。比如，在物流管理中，使用机器人代替人工操作的需求越来越大，当机器人知道了物流件的信息和位置以后，才能进行相应的行动，因此要求对于使用了物联网设备的物流件既需要信息被正确解码，同时也需要知道其位置，才能更加方便使用机器人等设备代替繁琐的人工操作。

但是由于环境反向散射技术使用了环境中已经存在的射频信号源，相较于传统的反向散射技术，在射频源信号干扰消除、对反向散射信号进行解调等方面带来了新的挑战。OFDM技术广泛应用于当今的商用的通信系统，因此，OFDM信号是环境反向散射通信系统常用的环境信号，它具有循环前缀结构，因此，针对这种常见的射频源信号的特点设计基于环境反向散射的多反射设备联合定位与通信系统也具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的主要内容是提出一种基于环境反向散射的多反射设备联合定位与通信方法，实现了对多个反射设备同时进行定位和通。

本发明使用接收机接收信号，接收到的信号通常包含来自环境射频源的直射链路信号和L个反射设备反向散射信号。通过空域信号处理技术，实现同时对多个反射设备进行定位。本发明在实现对多个反射信号的定位的同时，提供了一种在OFDM射频源下的低复杂度的解调反射信号的方案，无需解调射频源信息。即在对反射设备定位的同时，实现反射设备与接收机的通信。反射设备通过发送导频，接收端事先已知导频与反射设备的对应关系，通过接收端已知的导频和接收到的信号的导频进行相关运算，可以判决该反射信号和反射设备的对应关系，最终实现对某一确定的反射设备的信息解调和定位。

本发明的技术方案是：

一种基于环境反向散射的多反射设备联合定位与通信方法，包括环境射频源、L个反射设备、一个有M根天线的接收机，反射设备的编号为l＝0,1,...L-1，接收机坐标为(x_r,y_r)，M≥L+1；其特征在于，所述联合定位与通信方法包括以下步骤：

S1、环境射频源发射射频源信号，反射设备对环境射频源信号进行反向散射，其中，反射设备的波形设计方法为：

假设反射设备符号周期是OFDM射频源符号周期的K倍，每个反射设备发出的二元信息用B_l(m)表示，B_l(m)＝±1，当传输码片中的某一个符号B(m)＝-1时，在对应的第k个OFDM符号周期内，设计如下的反射设备波形：

其中，N_c是OFDM射频源符号的循环前缀的长度，N是数据部分长度，N+N_c构成了一个完整的OFDM符号的长度，k＝1,...K代表在同一个反射设备符号周期内的OFDM射频源符号的序号；

当传输码片的某一个符号B(m)＝1时，反射设备波形恒定为1；

S2、接收机接收信号，进行DOA估计，估计得到直射链路信号和多个反向散射信号的到达角θ_d和θ_L＝[θ₀,θ₁,θ₂,...,θ_l,...θ_L-1]；

S3、对所有估计出来的到达角的信号各执行一次空域滤波，每一次空域滤波时，设计权向量进行波束成形，处理接收的信号，只保留一个角度的信号，抑制其他方向信号的功率，获得所有到达角对应的方向信号；

S4、计算空域滤波后的信号z(n)的功率，设信号有N个采样点，则信号的功率P_z计算方法为：

S5、获得所有到达角的方向信号对应的功率以后，根据反向散射信号相比较于直射链路信号会经历两次衰落的特性，区分出直射信号功率

和反射信号功率

通过直射信号功率

计算射频源到接收机的距离d_f：

其中，n代表该环境的衰减系数，β是一个常数，由载波频率和环境决定，n和β均可在实际测量中获得，p_s为发射功率；

其余的信号为反射链路信号，通过功率估计射频源到反射设备距离和反射设备到接收机距离的乘积D：

其中，

为环境射频源到第l个反射设备的距离，

为第l个反射设备到接收机的距离，α_l为第l个反射设备的反射系数；

S6、通过几何原理估计反射设备到接收机的距离，具体为根据三角形的余弦定理建立如下方程：

其中，Δθ为直射径和反射径之间的夹角，Δθ＝|θ_d-θ_l|，通过方程解得

和

S7、利用反向散射信号到达角信息θ_l和反射设备到接收机的距离信息

计算反射设备的坐标(x_l,y_l)：

实现定位；

S8、解调出反射信号的信息：

假设K＝1，即反射设备波形c(n)的一个周期的持续时长和一个OFDM符号持续时长相同，同时忽略噪声，在一个OFDM符号周期内，建立：

其中，L_h是信道的时延扩展，代表被码间串扰污染的样点数，将这些样点丢弃；则有：

u(m)＝|K_l|²|s(n)|²B(m)

其中，

是一个常数，p_l＝1，s(n)是射频源信号，解调时对B(m)判决法则如下：

从而恢复出反射设备传输的码元；

S9、使用已知的导频序列与解码后的反射信号的导频部分进行相关运算，当解调后的信号与某个已知导频序列进行相关运算得到的结果最大时，即确定信号与已知导频的对应关系，因此在传输信息的同时，判断出该信号属于哪一个反射设备。

本发明的有益效果是：本发明提出一种基于环境反向散射的多反射设备联合定位与通信方法，在普遍使用的OFDM环境射频源场景下，同时对多个反射设备定位的基础上解码出反射设备的信息，具有很强的应用价值。

附图说明

图1示出了本发明的系统构成

图2示出了本发明所考虑的一种反射设备的波形设计

图3示出了本发明所考虑的一种信号结构说明

图4示出了本发明所考虑的技术方案的信号被正确判决到正确反射设备仿真结果

图5示出了本发明所考虑的技术方案的反射设备信息解调性能仿真结果

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明基于的环境反向散射系统，包括环境射频源、L个反射设备、一个有M根天线的接收机，M≥L+1；环境射频源发射射频源信号

其中s(t)是功率归一化射频源基带信号，发射功率为p_s。信道是强LOS径，图中

代表环境射频源到反向散射体的信道参数，

代表环境射频源到接收机的信道参数，

代表反向散射体到接收机的信道参数。n代表该环境的衰减系数，可以通过在某一具体环境实测而得，一般在2到4之间。d_f为环境射频源到接收机的距离，d_h为环境射频源到反向散射体的距离，d_g为反向散射体到接收机的距离。

以均匀线性阵列为例说明接收机接收的模型，反射设备的个数是L，对反射设备进行编号，为l＝0,1,...L-1，设直射信号到达角为θ_d，编号为l的反射设备的反射信号到达角为θ_l。

接收到的信号可以表示为

其中l＝0,1,...L-1。

是带通噪声，

是射频源到编号为l的反射设备的距离，

是编号为l的反射设备到接收机的距离。c_l(t)为编号为l的反射设备的要传输的基带信号，α_l为反射系数。

和

为方向矢量，其中

为空间相位，f_c是载波频率，d是天线间距，c是光速，λ是载波波长。

接收信号的数字基带形式可以表示为

其中ω(n)是复基带噪声，服从循环对称复高斯分布

σ²是噪声功率。

本发明设计了反射信号的波形，具体波形设计的方案如下：

假设反射设备符号周期是OFDM射频源符号周期的K倍。每个反射设备发出的二元信息用B_l(m)表示，B_l(m)＝±1。当传输码片中的某一个符号B(m)＝-1时，设计如下的反射设备波形

N_c是OFDM射频源符号的循环前缀的长度，N是数据部分长度，N+N_c构成了一个完整的OFDM符号的长度。

当传输码片的某一个符号B(m)＝1时，反射设备波形恒定为1.

如图2所示，当传输-1的时候，波形设计为在一个OFDM射频源符号中间进行一次跳变，从1变为-1，而传输1的时候，波形设计为没有跳变。

使用DOA估计算法可以估计出L+1个到达角，这里以Root-MUSIC算法(Barabell,"Improving the resolution performance of eigenstructure-based direction-finding algorithms,"ICASSP'83.IEEE International Conference on Acoustics,Speech,and Signal Processing,Boston,Massachusetts,USA,1983,pp.336-339,doi:10.1109/ICASSP.1983.1172124)为例说明估计算法：

1.根据设定的采样数目N，进行N次采样获得样本序列y(n)，其中

2.计算y(n)自相关矩阵R，R＝E{y(n)y^H(n)}，这里可以用时间平均代替统计平均，即

3.对R进行特征值分解，由于目标信号数目有L+1个，因此得到最小的M-L-1个特征值对应的归一化特征向量u_i，其中i＝L+2,L+3…,M。

u_i＝[u_i0,u_i1,...u_i(m-1)]^T

4.构造向量a(z)，a(z)＝[1，z^-1,...,z^-(M-1)]^T。

构造如下函数：

乘以自身共轭转置，得到

i＝3,4,...,M。

5.定义多项式

令其为0，解方程。求得z的值。

6.目标信号数目为L+1个，对z值求模减去1后再取绝对值从小到大进行排序。这样会找到2L+2个最接近模为1的根(会出现重根)。由于反向散射体反射的信号经历了两次衰减，其信号强度远远小于直射信号。最接近单位圆的根属于直射链路信号。其余的根去重后可以得到反射链路信号到达角。

7.由于z＝e^jφ，φ是空间角频率，φ＝-πsinθ。因此

计算得到信号到达方向估计。

得到直射信号到达角度估计值

和反射信号到达角度估计值

后，进行空域滤波。目的是只保留某一个方向的信号，将其他方向信号置零。

空域滤波的算法有很多种，在此举例一种空域滤波的算法，以保留

方向的反射信号，将其他估计出来的方向的信号置零为例说明：

写出矩阵

代表要迫零的方向的集合。提出优化问题：

s.t w^HA＝0

具体算法步骤如下：

1.对想要迫零的方向，通过方向向量构造矩阵

2.求解B^HA＝0可通过A^HB＝0求解

3.

其中B⁺是B矩阵的M-P广义逆矩阵。

这里以只保留到达角为

的反射信号为例，空域滤波完成后，信号形式为：

z(n)＝w^Hy(n)

即该信号为：

其中，w是空域滤波过程中设计的权向量，p₀＝w^Ha(θ₀)，ε_l＝w^Ha(θ_l)ε_d＝w^Ha(θ_d)代表对各个信号分量功率的抑制程度，取决于DOA估计的精确度。如果DOA估计很精确，则p₀≈1，ε_l和ε_d都是很小的值，约为0，可以归为噪声，以下基于这样的情况进行讨论，即p₀＝1，ε＝0。

测量z₀(n)信号的功率为

当p₀≈1，反射系数α₀已知，n和β实现进行实地测量后已知的情况下，则可以估计出

的值，即射频源到反射设备的距离和反射设备到接收机的距离的乘积D。

保留直射链路的信号，抑制所有反射信号以估计射频源到接收机的距离，按照上述类似的方法进行空域滤波，可以得到

式中p_d＝w^Ha(θ_d)，p_d≈1，ε_l是很小的值，约为0，可以归为噪声。因此，可以求出信号z_d(n)的功率

计算出d_f的值，以估计出射频源到接收机的距离。

因此对反射信号的定位问题可以建模成如下的几何问题：

θ_d和θ₀在执行DOA估计以后可以得到，而d_f通过只保留直射路径的信号可以估计出来，

作为两条径距离的乘积也可以估计出来。那么由三角形的余弦定理。直射径和反射径之间的夹角为Δθ＝|θ_d-θ₀|，可以建立如下方程：

该方程中，D和Δθ和d_f均已知，两个方程可以解得

和

这样，反射设备到达接收机的距离

即可估计出来，同时已知信号到达角θ₀，则可以估计出反射设备的位置。

反射设备坐标计算方法如下，设已知接收机的坐标为(x_r,y_r)，反射设备的坐标为(x,y)，到达角为θ

最终得到该反射信号的定位结果。

定位同时解调反射信号的方法如下：

为了使得分析方便，假设K＝1，即反射设备波形c(n)的一个周期的持续时长和一个OFDM符号持续时长相同，该假设同样不会影响理论推导的正确性。即一个完整OFDM符号对应着一个反射设备的符号B_l(m)，即一个B_l(m)符号周期内有N+N_c个c(n)样点。

空域滤波后的信号如下：

可以将模型简化为如下形式：

z₀(n)＝K₀s(n)c₀(n)+ω(n)

其中

是一个常数，

和

由于空域滤波已经置零，将其归入ω(n)项内。

如图3所示，假设信道h的时延扩展为L_h，那么将会对CP的符号造成一定的码间串扰，CP的长度大于时延扩展，因此还有一部分CP的符号不会造成码间串扰，就利用没有产生码间串扰的部分的样点进行处理。即ISI不会影响推导的正确性。

由于循环前缀的性质：

s(n)＝s(n+N),n＝0,...,N_c-1

由于设计的波形的性质：

在一个OFDM符号周期，即一个B₀(m)符号周期内，忽略噪声的影响，如图3所示，z₀(n)信号有如下性质：当n＝L_h-1,...,N_c-1时

对该信号进行处理，令：

则

ω_cross(n)为共轭相乘运算中产生的交叉项，也归于噪声项。

因此，如果忽略噪声，则u(m)＝|K_o|²|s(n)|²B(m)，即处理后的u(m)是原发射符号B(m)乘上一个常数。

解调时对B(m)判决法则如下：

如此即可恢复出反射设备传输的码元。

使用已知的导频序列与解码后的反射信号的导频部分进行相关运算，当解调后的信号与某个已知导频序列进行相关运算得到的结果最大时，即可确定信号与已知导频的对应关系，因此可以在传输信息的同时，知道该信号属于哪一个反射设备。

仿真分析：

反射设备设为4个，定位区域为一个10米×10米的空间，接收机在该空间内，环境射频源在这个空间以外。

环境射频源的OFDM符号的N_c设为16，N设为64，N+N_c为80，同时也是对一个OFDM符号的采样点数。反射设备符号周期和OFDM符号周期相同。一共采集80000个样点，即1000个符号序列做DOA估计。信源发射功率固定为1，信源坐标设置为(-5,15)，接收机接收天线数目为8。信道参数中β设为1，距离衰减系数设为2.5。接收机固定坐标为(5,0).直射信号到达角为-33.7°，信源发射机到接收机的距离为18.03米，由之前信号模型，直射链路信号信噪比与发射信号信噪比之比为Δγ_d＝-31.4dB。

反射设备的反射系数设为α＝0.2+0.3j。仿真中固定反射设备的坐标，编号为0的反射设备坐标为(2,3)，编号为1的反射设备坐标为(4,7)，编号为2的反射设备坐标为(6,1)，编号为3的反射设备坐标为(7,9)。即，4个反射设备到达接收机的距离分别为4.24米，7.07米，1.41米和9.22米，4个反射设备到达接收机的真实方向分别为45.0°，8.1301°，-45.0°，-12.53°。反射设备的导频序列长度设置为64个反射设备符号。

由之前的信号模型，可以计算固定坐标的第i个反射设备的反射信号的功率和发射信号的信噪比之比为：

在该仿真条件下，可以知道4个反射设备的Δγ_i分别为-53.1dB,-57.1dB,-43.9dB,-61.2dB.可见不同位置的反射设备的反射信号功率相差可以达到约20dB.

更改发射信号功率信噪比γ_s从30dB到60dB，直射链路接收信号信噪比为γ_s+Δγ_d，4个反射设备接收信号信噪比为γ_s+Δγ_i。每一轮进行若干次蒙特卡罗实验，每一次蒙特卡罗实验中，统计反射信号判决为相应反射设备的准确率，统计每个反射设备的误码率。

如图4所示，这是多反射设备的信号同时接入，对反射信号进行判决为反射设备的仿真结果。可以看出发射信号信噪比大于40dB时，判决正确的概率很高。说明该方案是有效的。同时，最低判决概率在20％左右，这是因为对于一个方向的信号，假设完全随机判决，则可能判决为4个反射设备反射信号或者直射信号，恰好判决正确的概率正是20％。

图5是多反射设备信号解调的误码率仿真结果。可以看出，误码率性能受接收信号信噪比影响比较大。同时，当信噪比足够高时，反射设备的解调的误码率也是令人满意的，说明了该信号解调方案的正确性。

Claims (1)

1.一种基于环境反向散射的多反射设备联合定位与通信方法，包括环境射频源、L个反射设备、一个有M根天线的接收机，反射设备的编号为l＝0,1,...L-1，接收机坐标为(x_r,y_r)，M≥L+1；其特征在于，所述联合定位与通信方法包括以下步骤：

S1、环境射频源发射射频源信号，反射设备对环境射频源信号进行反向散射，其中，反射设备的波形设计方法为：

假设反射设备符号周期是OFDM射频源符号周期的K倍，每个反射设备发出的二元信息用B_l(m)表示，B_l(m)＝±1，当传输码片中的某一个符号B(m)＝-1时，在对应的第k个OFDM符号周期内，设计如下的反射设备波形：

其中，N_c是OFDM射频源符号的循环前缀的长度，N是数据部分长度，N+N_c构成了一个完整的OFDM符号的长度，k＝1,...K代表在同一个反射设备符号周期内的OFDM射频源符号的序号；

当传输码片的某一个符号B(m)＝1时，反射设备波形恒定为1；

S2、接收机接收信号，进行DOA估计，估计得到直射链路信号和多个反向散射信号的到达角θ_d和θ_L＝[θ₀,θ₁,θ₂,...,θ_l,...θ_L-1]；

S3、对所有估计出来的到达角的信号各执行一次空域滤波，每一次空域滤波时，设计权向量进行波束成形，处理接收的信号，只保留一个角度的信号，抑制其他方向信号的功率，获得所有到达角对应的方向信号；

S4、计算空域滤波后的信号z(n)的功率，设信号有N个采样点，则信号的功率P_z计算方法为：

S5、获得所有到达角的方向信号对应的功率以后，根据反向散射信号相比较于直射链路信号会经历两次衰落的特性，区分出直射信号功率

和反射信号功率

通过直射信号功率

计算射频源到接收机的距离d_f：

其中，n代表该环境的衰减系数，β是一个常数，由载波频率和环境决定，n和β均可在实际测量中获得，p_s为发射功率；

其余的信号为反射链路信号，通过功率估计射频源到反射设备距离和反射设备到接收机距离的乘积D：

其中，

为环境射频源到第l个反射设备的距离，

为第l个反射设备到接收机的距离，α_l为第l个反射设备的反射系数；

S6、通过几何原理估计反射设备到接收机的距离，具体为根据三角形的余弦定理建立如下方程：

其中，Δθ为直射径和反射径之间的夹角，Δθ＝|θ_d-θ_l|，通过方程解得

和

S7、利用反向散射信号到达角信息θ_l和反射设备到接收机的距离信息

计算反射设备的坐标(x_l,y_l)：

实现定位；

S8、解调出反射信号的信息：

假设K＝1，即反射设备波形c(n)的一个周期的持续时长和一个OFDM符号持续时长相同，同时忽略噪声，在一个OFDM符号周期内，建立：

其中，L_h是信道的时延扩展，代表被码间串扰污染的样点数，将这些样点丢弃；则有：

u(m)＝|K_l|²|s(n)|²B(m)

其中，

是一个常数，p_l＝1，s(n)是射频源信号，解调时对B(m)判决法则如下：

从而恢复出反射设备传输的码元；

S9、使用已知的导频序列与解码后的反射信号的导频部分进行相关运算，当解调后的信号与某个已知导频序列进行相关运算得到的结果最大时，即确定信号与已知导频的对应关系，因此在传输信息的同时，判断出该信号属于哪一个反射设备。

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