葛翔昊

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司谷城縣供電公司，湖北 襄陽(yáng) 441700）

0 引 言

無線電力傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）技術(shù)無須通過導(dǎo)線直接接觸即可完成電能輸送，可節(jié)省電纜成本和有線傳輸?shù)碾娮钃p耗，同時(shí)安全性高，供電方式靈活，適應(yīng)范圍廣，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界引起了廣泛的關(guān)注[1,2]。環(huán)境反向散射技術(shù)作為無線電力傳輸?shù)囊粋€(gè)新興方向，具有成本低、頻帶利用率高、能耗低等特點(diǎn)，吸引了無線電力傳輸領(lǐng)域研究人員的目光[3]。在環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)中，無線反向散射標(biāo)簽從周圍環(huán)境收集射頻（Radio Frequency，RF）信號(hào)，如電視塔或者Wi-Fi信號(hào)，然后將自身的比特信息調(diào)制到RF信號(hào)，并反向散射到接收器。由于環(huán)境反向散射技術(shù)基于射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)提出，環(huán)境反向散射所用的設(shè)備也被稱為標(biāo)簽（Tag）。在該類系統(tǒng)中，標(biāo)簽不需要專用的射頻發(fā)射器，即可實(shí)現(xiàn)無源發(fā)射器和接收器之間的無線通信，適用于未來的綠色物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)[4]。

1 環(huán)境反向散射研究

近年來，關(guān)于環(huán)境反向散射的研究越來越多。例如：基于正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）載波的環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)將直接鏈路信號(hào)視為干擾信號(hào)，利用OFDM信號(hào)的循環(huán)前綴結(jié)構(gòu)恢復(fù)標(biāo)簽的信息來消除干擾信號(hào)，且循環(huán)前綴的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，標(biāo)簽獲得的性能更好[5]。環(huán)境反向散射也被用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)方向，標(biāo)簽可作為非授權(quán)用戶，從主發(fā)射器獲取能量發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，標(biāo)簽可以工作在基于“underlay”或者“overlay”的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中。王智民提出了協(xié)同接收器來恢復(fù)RF信號(hào)和標(biāo)簽信號(hào)，并指出連續(xù)干擾消除檢測(cè)器可以接近最大似然（Maximum Likelihood，ML）檢測(cè)器的誤碼率（Bit Error Ratio，BER）。目前，學(xué)術(shù)界在此方面的研究大多數(shù)集中在一個(gè)標(biāo)簽的環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)上，對(duì)于多通道環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)的研究較少。因此，研究了一種新的多通道環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)，同時(shí)接收射頻和多標(biāo)簽信號(hào)，并對(duì)它們的比特信息進(jìn)行譯碼。設(shè)計(jì)思路是先獲得2種場(chǎng)景下多通道環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)的ML檢測(cè)器信號(hào)，在此基礎(chǔ)上可以得到每個(gè)場(chǎng)景下ML檢測(cè)器檢測(cè)誤碼率的封閉表達(dá)式，最后通過仿真驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。

2 反向散射通信技術(shù)

反向散射通信技術(shù)利用無源設(shè)備通過調(diào)制反射信號(hào)進(jìn)行無線通信，主要包括反向散射標(biāo)簽和讀卡器2部分。反向散射標(biāo)簽是一種被動(dòng)射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）標(biāo)簽，只能通過接收讀卡器的RF信號(hào)進(jìn)行供能，并通過相應(yīng)的反向散射信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

讀卡器向標(biāo)簽發(fā)射一段連續(xù)波信號(hào)，經(jīng)過耦合傳入反向散射標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)的調(diào)制器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信號(hào)，然后利用反射器改變標(biāo)簽的反射狀態(tài)。改變后的反射信號(hào)會(huì)經(jīng)過散射矩陣和反射器進(jìn)行耦合，進(jìn)而反射回讀卡器天線。讀卡器接接收回波信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)處理，就可以將標(biāo)簽的數(shù)據(jù)解調(diào)出來。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)框架

文章提出的多通道環(huán)境反向散射電力通信系統(tǒng)主要包含RF源、多通道反向散射標(biāo)簽、聯(lián)合檢測(cè)器以及信號(hào)處理模塊4部分。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 RF源設(shè)計(jì)

RF源是整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)源，主要由穩(wěn)壓電源、本振、振蕩電路和功放等部分構(gòu)成。文章采用Si4463射頻芯片作為主要的射頻芯片，并搭配一個(gè)2.4 GHz個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC）端口的單片機(jī)控制信號(hào)。

3.2.2 多通道反向散射標(biāo)簽設(shè)計(jì)

多通道反向散射標(biāo)簽主要包含天線匹配、RF信號(hào)解調(diào)、數(shù)據(jù)加工和調(diào)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(biāo)簽設(shè)計(jì)，即利用反射器和反射系數(shù)變化實(shí)現(xiàn)不同通道的多路復(fù)用。標(biāo)簽發(fā)射的反射信號(hào)可以被多個(gè)天線接收，從而實(shí)現(xiàn)多通道通信。

3.2.3 聯(lián)合檢測(cè)器設(shè)計(jì)

文章提出的多通道環(huán)境反向散射電力通信系統(tǒng)的核心是聯(lián)合檢測(cè)器，主要用于實(shí)現(xiàn)RF源數(shù)據(jù)和標(biāo)簽數(shù)據(jù)的聯(lián)合檢測(cè)。多通道反向散射標(biāo)簽通過改變反射信號(hào)的幅度和相位實(shí)現(xiàn)多通道通信，因此聯(lián)合檢測(cè)器需要融合多個(gè)天線接收到的反射信號(hào)。

文章采用一種基于似然比檢測(cè)的融合方法，即將多個(gè)天線接接收的反射信號(hào)進(jìn)行組合，計(jì)算各個(gè)通道的似然比值，并進(jìn)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(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)處理模塊主要用于對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，并輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)。本研究主要采用通過檢測(cè)信號(hào)振幅判別數(shù)字信號(hào)。

3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主要采用硬件和軟件相結(jié)合的方式。其中：硬件采用一整套高速和高精度的測(cè)試儀器，如多入多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）信號(hào)發(fā)生器、多天線接收系統(tǒng)、高速數(shù)字采樣卡等；軟件采用自主研發(fā)的軟件平臺(tái)，主要包括數(shù)據(jù)采集、信號(hào)融合和數(shù)字信號(hào)處理等部分。系統(tǒng)各部分功能如下。

（1）發(fā)射端。首先，PC端通過RS-232與信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行通信，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過Si4463芯片進(jìn)行射頻調(diào)制，并通過天線發(fā)射出去。

（2）接收端。天線接收反向散射信號(hào)后，RF信號(hào)經(jīng)過射頻放大器進(jìn)行放大，通過上變頻器從高頻轉(zhuǎn)換成中頻，然后到達(dá)數(shù)字采樣卡，進(jìn)行模擬信號(hào)的數(shù)字化處理。

（3）信號(hào)處理。由于標(biāo)簽數(shù)據(jù)和RF源數(shù)據(jù)的不同特性，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理，主要包括基帶信號(hào)分離、濾波和降噪等步驟。最后，通過二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制技術(shù)，將接收的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。

4 系統(tǒng)建模

環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)模型如圖1所示。該系統(tǒng)由1個(gè)RF源、M個(gè)反向散射標(biāo)簽和1個(gè)接收器組成，并且每個(gè)反向散射標(biāo)簽都配置了一根天線。標(biāo)簽中包括單個(gè)反向散射天線、能量收集裝置、微控制器、存儲(chǔ)器、可變負(fù)載阻抗以及電池。該系統(tǒng)可從環(huán)境信號(hào)中收集能量為電池充電，然后進(jìn)行傳感和數(shù)據(jù)計(jì)算。當(dāng)標(biāo)簽有數(shù)據(jù)傳輸需求時(shí)，通過調(diào)整負(fù)載阻抗，將比特信息調(diào)制成為來自RF源的高頻信號(hào)。當(dāng)阻抗匹配時(shí)，接收信號(hào)被完全吸收，否則信號(hào)被反射。該過程中，接收器同時(shí)采集和檢測(cè)來自多個(gè)標(biāo)簽的RF信號(hào)和反向散射信號(hào)，其中反向散射信號(hào)的幅度和相位由反射系數(shù)決定。

圖1 多通道環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)模型

設(shè)定h0為從RF源到接收器的直接信道系數(shù)，fi為從RF源到第i個(gè)標(biāo)簽的前向信道系數(shù)，gi為從第i個(gè)標(biāo)簽到接收器的后向信道系數(shù)。假設(shè)信道之間彼此獨(dú)立，并且其在接收器處已知。設(shè)定s(n)∈As表示RF源的發(fā)射信號(hào)，As表示發(fā)射信號(hào)峰值，Ts表示信號(hào)周期，ci(n)∈Ac表示信號(hào)周期為Tc的第i個(gè)標(biāo)簽的傳輸信號(hào)，Ac表示傳輸信號(hào)峰值，表示標(biāo)簽的反射系數(shù)。P表示RF源發(fā)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(biāo)簽沒有附加噪聲。表示第i個(gè)標(biāo)簽接收的來自RF源的信號(hào)，并且標(biāo)簽用反射系數(shù)在其上調(diào)制ci(n)，則表示第i個(gè)標(biāo)簽的反向散射信號(hào)，接收器在第n個(gè)標(biāo)簽接收的信號(hào)為

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

于是，有

為使表達(dá)更加方便，將信噪比表示為

實(shí)際上，標(biāo)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(gè)符號(hào)中保持不變，其中N∈Z+，Rs=1/Ts，Rc=1/Tc。為便于分析，假設(shè)P=1，βh=1，那么接收機(jī)接收的信號(hào)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(tǒng)中，接收器從RF源和多個(gè)標(biāo)簽上接收信號(hào)，這些標(biāo)簽的比特信息都附在RF源上。因此，與傳統(tǒng)的多用戶信號(hào)檢測(cè)不同，射頻和標(biāo)簽的信號(hào)不獨(dú)立，正交信號(hào)檢測(cè)方法在這里無效。

對(duì)于多通道環(huán)境反向射通信系統(tǒng)聯(lián)合檢測(cè)，ML檢測(cè)器是能夠使等概率發(fā)送信號(hào)的比特誤碼率最小化的最佳檢測(cè)器。當(dāng)給定x為

則ML的檢測(cè)值為

具體為

多通道環(huán)境反向射通信系統(tǒng)聯(lián)合檢測(cè)與ML檢測(cè)器具有相同性能，但是更易于分析。假設(shè)給出標(biāo)簽的符率來檢測(cè)RF信號(hào)，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(jié) 論

文章研究了多通道環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)，采用聯(lián)合檢測(cè)的方法，分析了在BPSK調(diào)制下等數(shù)據(jù)速率和不等數(shù)據(jù)速率2種情況下RF源和標(biāo)簽的誤碼性能。結(jié)果表明，當(dāng)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)速率低于環(huán)境RF信號(hào)時(shí)，可以為標(biāo)簽帶來分集增益，在高信噪比下進(jìn)一步增加系統(tǒng)的容量。目前，對(duì)于環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)的研究還處于起步階段，但是隨著對(duì)于“高效實(shí)用、智能綠色、安全可靠”的現(xiàn)代化設(shè)備的迫切需求，“碳達(dá)峰”和“碳中和”將會(huì)是長(zhǎng)期要肩負(fù)的使命，因此對(duì)于多通道環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)的深入研究非常必要，對(duì)于踐行綠色通信具有十分重要的意義。