针对基于索引调制的环境反向散射通信在多接入信道下的低复杂度检测方法、读写器和系统

摘要

本发明公开了一种针对基于索引调制的环境反向散射通信在多接入信道下的低复杂度检测方法、读写器、系统，检测方法包括获取通信信号，对通信信号进行基于多用户稀疏贝叶斯学习的检测，从通信信号获取索引信息和调制信息等步骤，其中通信信号由至少两个标签通过索引调制在多接入信道下反射环境射频信号发出。本发明可以从索引调制的标签在多接入信道下反射环境射频信号发出的通信信号中解析出调制信息和索引信息，从而将各天线所发出的信息区别开，有效应对多信道的信息传送过程相互冲突的情况，有效实现多标签的接入。本发明计算复杂度较低，对硬件的性能要求较低，具有更低的使用成本和更广泛的应用场景。本发明广泛应用于环境反向散射通信技术领域。

权利要求

1.针对基于索引调制的环境反向散射通信在多接入信道下的低复杂度检测方法，其特征在于，包括：

获取通信信号；所述通信信号由至少两个采用索引调制的标签，在多接入信道下反射环境射频信号发出，所述通信信号包括调制信息和索引信息；

对所述通信信号进行基于多用户稀疏贝叶斯学习的检测，从所述通信信号获取所述调制信息和所述索引信息；

所述对所述通信信号进行基于多用户稀疏贝叶斯学习的检测，从所述通信信号获取所述调制信息和所述索引信息，包括：获取迭代停止阈值δ、最大迭代次数T、标签数量K、天线数量K·NT、信道矩阵H；其中，所述标签数量为发出所述通信信号的全部所述标签的总数量，所述天线数量为发出所述通信信号的全部所述标签所包括天线的总数量，所述信道矩阵为发出所述通信信号的全部所述标签到接收机及射频源到接收机对应信道信息所形成的联合矩阵；

1×(K·NT+1) 1

执行至少一次迭代过程；在第一次所述迭代过程中以γ←1 ,j←0,μ←0×(K·NT+1)

进行超参数初始化，其中，γ、j、μ为所述超参数；在每次所述迭代过程中，以Γ＝

diag{γi}(i＝1，2，…,K·NT+1)， 进行超参数更新，其中，K·NT表示所述天线数量， 表示本次所述迭代过程中更新前的超参数γ的第i个元素， 表示本次所述迭代过程中更新后的超参数γ的第i个元素， 为通信信号中的噪声的方差；所述迭代过程的终止条件为已执行的所述迭代过程的数量达到所述最大迭代次数，或者超参数γ的变化值小于所述迭代停止阈值；

获取最后一次所述迭代过程对所述超参数γ更新所获得的结果将 中的元素 至元素 分为K组，使得每组所包含的元素数量分别等于各所述标签对应的天线数，且每组所包含的各元素的序号是连续的；

获取索引信息 其中， 表示对 分成的K组元素中，第k组元素中的最大值在第k组元素中的位置；

根据所述索引信息 与所述信道矩阵H，确定所有激活的天线对应的信道信息根据所述信道信息 对所述通信信号进行迫零检测，获得调制符号向量；

根据所述索引信息和调制符号向量，获取相应的调制比特和索引比特。

2.根据权利要求1所述的针对基于索引调制的环境反向散射通信在多接入信道下的低复杂度检测方法，其特征在于，所述根据所述信道信息 对所述通信信号进行迫零检测，获得所有激活的天线上的调制符号向量，所使用的公式为其中，y(n)为所述通信信号， 为所述调制符号向量。

3.根据权利要求2所述的针对基于索引调制的环境反向散射通信在多接入信道下的低复杂度检测方法，其特征在于，根据所述索引信息和调制符号向量，获取相应的调制比特和索引比特，包括：

将所述调制符号向量 中的各元素分别除以所述调制符号向量 中的第一个元素，获得多个商值；

根据所述索引信息查找出位于相应位置的所述商值，作为与所述索引信息相应的所述调制信息。

4.一种读写器，其特征在于，所述读写器用于执行权利要求1‑3任一项所述的针对基于索引调制的环境反向散射通信在多接入信道下的低复杂度检测方法。

5.一种通信系统，其特征在于，包括至少两个采用索引调制的标签以及一个如权利要求4所述的读写器，所述读写器与所述标签无线连接。

6.根据权利要求5所述的通信系统，其特征在于，所述采用索引调制的标签在多接入信道下反射环境射频信号，从而发出通信信号。

说明书

针对基于索引调制的环境反向散射通信在多接入信道下的低

复杂度检测方法、读写器和系统

技术领域

[0001] 本发明涉及环境反向散射通信技术领域，尤其是一种针对基于索引调制的环境反向散射通信在多接入信道下的低复杂度检测方法、读写器、系统。

背景技术

[0002] 环境反向散射通信的基本原理是：标签通过反射环境射频信号、吸收环境射频信号来表达不同的比特信息，读写器通过检测标签对环境射频信号的反射情况来确定标签所
发出的信息，从而完成信息的传送。由于标签无需向读写器传送信息时无需消耗本身的电
力，还能够从环境射频信号获取能量为自身供电，因此具有较强的续航能力。面对物联网等
应用场景的海量接入需求，环境反向散射通信网络需要多个标签同时接入，而为了提高通
信速率，在每个标签上设有多天线，低功耗的标签会产生多天线间的耦合和同步问题，造成
不同天线的信息传送过程相互冲突，制约了通信速率的提升。基于索引调制的环境反向散
射通信可以有效应对多天线间的耦合和同步问题，但是现有的基于索引调制的多标签接入
的环境反向散射通信采用最大似然检测，具有极高的计算复杂度，在实际应用场景中可行
性不高。

发明内容

[0003] 针对上述至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种针对基于索引调制的环境反向散射通信在多接入信道下的低复杂度检测方法、读写器、系统。

[0004] 一方面，本发明实施例包括一种针对基于索引调制的环境反向散射通信在多接入信道下的低复杂度检测方法，包括：

[0005] 获取通信信号；所述通信信号由至少两个采用索引调制的标签，在多接入信道下反射环境射频信号发出，所述通信信号包括调制信息和索引信息；

[0006] 对所述通信信号进行基于多用户稀疏贝叶斯学习的检测，从所述通信信号获取所述调制信息和所述索引信息。

[0007] 进一步地，所述对所述通信信号进行基于多用户稀疏贝叶斯学习的检测，从所述通信信号获取所述调制信息和所述索引信息，包括：

[0008] 获取迭代停止阈值δ、最大迭代次数T、标签数量K、天线数量K·NT、信道矩阵H；其中，所述标签数量为发出所述通信信号的全部所述标签的总数量，所述天线数量为发出所
述通信信号的全部所述标签所包括天线的总数量，所述信道矩阵为发出所述通信信号的全
部所述标签到接收机及射频源到接收机对应信道信息所形成的联合矩阵；

[0009] 执行至少一次迭代过程；在第一次所述迭代过程中以γ←11×(K·NT+1),j←0,μ←01×(K·NT+1)
进行超参数初始化，其中，γ、j、μ为所述超参数；在每次所述迭代过程中，以
进行超参数更新，其中，K·NT表示所述
天线数量， 表示本次所述迭代过程中更新前的超参数γ的第i个元素， 表示本次所
述迭代过程中更新后的超参数γ的第i个元素， 为通信信号中的噪声的方差；所述迭代
过程的终止条件为已执行的所述迭代过程的数量达到所述最大迭代次数，或者超参数γ的
变化值小于所述迭代停止阈值；

[0010] 获取最后一次所述迭代过程对所述超参数γ更新所获得的结果

[0011] 将 中的元素 至元素 分为K组，使得每组所包含的元素数量分别等于各所述标签对应的天线数，且每组所包含的各元素的序号是连续的；

[0012] 获取索引信息 其中， 表示对 分成的K组元素中，第k组元素中的最大值在第k组元素中的位置；

[0013] 根据所述索引信息 与所述信道矩阵H，确定所有激活的天线对应的信道信息

[0014] 根据所述信道信息 对所述通信信号进行迫零检测，获得调制符号向量；

[0015] 根据所述索引信息和调制符号向量，获取相应的调制比特和索引比特。

[0016] 进一步地，所述根据所述信道信息 对所述通信信号进行迫零检测，获得所有激活的天线上的调制符号向量，所使用的公式为 其中，y
(n)为所述通信信号， 为所述调制符号向量。

[0017] 进一步地，根据所述索引信息和调制符号向量，获取相应的调制比特和索引比特，包括：

[0018] 将所述调制符号向量 中的各元素分别除以所述调制符号向量 中的第一个元素，获得多个商值；

[0019] 根据所述索引信息查找出位于相应位置的所述商值，作为与所述索引信息相应的所述调制信息。

[0020] 另一方面，本发明实施例还包括一种读写器，所述读写器用于执行实施例中的针对基于索引调制的环境反向散射通信在多接入信道下的低复杂度检测方法。

[0021] 另一方面，本发明实施例还包括一种通信系统，包括至少两个采用索引调制的标签以及一个实施例中的读写器，所述读写器与所述标签无线连接。

[0022] 进一步地，所述采用索引调制的标签在多接入信道下反射环境射频信号发出通信信号。

[0023] 本发明的有益效果是：实施例中的读写器可以获取标签通过索引调制在多接入信道下反射环境射频信号发出的通信信号，从通信信号解析出调制信息和索引信息，从而将
各天线所发出的信息区别开，有效应对通过不同天线多信道的信息传送过程相互冲突的情
况，有效实现多标签的接入。与使用最大似然检测的现有技术相比，实施例中的技术方案计
算复杂度较低，对硬件的性能要求较低，因此具有更低的使用成本和更广泛的应用场景。

附图说明

[0024] 图1为实施例中标签和读写器连接的示意图；

[0025] 图2为实施例中基于索引调制的标签的原理图；

[0026] 图3为实施例中读写器的原理图。

具体实施方式

[0027] 本实施例中，以图1所示的通信系统来进行说明。图1中，设有1个读写器(简称读写器)和K个标签，这1个读写器和K个标签组成基于索引调制的环境反向散射通信系统。K个标
签可以同时地将各自的信息发送至读写器。

[0028] 本实施例中，读写器设有NR个天线，每个标签都包括多个天线，图1所示的各标签分别包括NT个天线。由于本实施例的技术方案可以解决标签的多天线间的耦合和同步问
题，因此如无特殊说明，本实施例中单独提及“天线”时是指标签上的天线。

[0029] 本实施例中，每个标签向读写器发送信息时都可以执行相同或相似的数据处理过程，因此可以只对一个标签向读写器发送信息时的数据处理过程进行说明。每个标签的工
作原理如图2所示。

[0030] 当标签需要向读写器发送信息时，标签可以获取需要向读写器发送的信息，该部分信息可以是从物联网设备获取的串行信息。标签对串行信息进行串并转换，从而切分串
行信息，本实施例中，按照定长来切分串行信息，即切分的结果是多组具有相同特定比特数
的信息，即调制信息。

[0031] 本实施例中，调制信息中的各比特称为调制比特，每个调制信息的长度为Y，即每个调制信息包括Y个调制比特。Y可以由后续步骤中使用信息块对天线的工作进行调制时所
使用的调制技术确定，例如使用BPSK这种符号调制方式进行调制，其阶数为1，可以设定Y＝
1，即每个调制信息包括1个调制比特。

[0032] 本实施例中，标签可以根据索引比特，在各天线中确定一根要使用的天线，即工作天线。在选定好工作天线后，标签可以使用选定的工作天线发送调制信息。

[0033] 本实施例中，当索引信息可以表示为二进制数，索引信息包括多个索引比特，每个索引信息的长度为M，即1个索引信息包括M个索引比特，其中M为标签包括的天线个数以2为
底的对数。本实施例中，每个标签上的天线的数量限定为2的整次幂，如一个标签可以包括2
个、4个、8个或16个天线。例如如果1个标签包括4个天线，那么M＝2，即1个索引信息包括2个
索引比特；。

[0034] 当标签向读写器发送信息时，标签上的天线接收到环境射频源发出的环境射频信号。标签在信息块的调制下，控制索引信息对应的天线即工作天线反射环境射频信号。具体
地，标签逐个比特地读取信息块中的各比特位，例如当Y＝2时，即每个调制信息包括2个调
制比特时，标签每次读取两个比特，读取到的信息比特可能是00、01、10或者11，这四种情况
分别对应互不相同的阻抗，标签根据读取到的两个比特选择对应的阻抗来反射环境射频信
号。将第k个标签发送的第n个调制符号表示为ck(n)，环境射频信号表示为s(n)，那么第k个
标签向读写器发送的第n个信号相当于s(n)·ck(n)。

[0035] 本实施例中，标签向读写器发送的信息包括索引信息和调制信息，其中调制信息是标签根据信息传送任务向读写器发送的信息，索引信息是用来表示调制信息是从标签的
哪个天线发出的信息。由于本实施例中不同激活天线的信道之间是相互独立的，因此读写
器能够从接收到的信息中解析出索引信息和调制信息，从而将各天线所发出的信息区别
开，有效应对不同天线的信息传送过程相互冲突的情况，有效实现多标签的接入。

[0036] 本实施例中，读写器同时接收到多个标签发出的信息，读写器处接收到的信息统称为通信信号。读写器可以对通信信号进行基于多用户稀疏贝叶斯学习的检测，从而将各
标签上的各天线分别发送的信息区别开，从通信信号识别出调制信息。

[0037] 本实施例中，读写器以本地的存储器存储了迭代停止阈值δ、最大迭代次数T、标签数量K、天线数量K·NT、信道矩阵H等参数，这些参数将在进行基于多用户稀疏贝叶斯学习
的检测被调用到。

[0038] 具体地，标签数量K与读写器连接的全部标签的总数量，或者是能够向读写器发送信息的全部标签的总数量。在图1所示的情况下，每个标签都包括NT个天线，因此K和NT相乘
所得的K·NT即为全部标签所包括的天线的总数量。

[0039] 具体地，读写器存储了与每个标签进行通信的信道信息参数，每个标签以及环境射频源的信道信息参数按照标签编号等确定的顺序组合在一起形成信道矩阵H。即信道矩
阵H中的一行、一列或者一个子矩阵是其中某个标签或者环境射频源的信道信息参数。

[0040] 本实施例中，读写器对通信信号进行基于多用户稀疏贝叶斯学习的检测，从通信信号获取索引信息和调制信息的原理如图3所示。

[0041] 读写器在获取到接收信息后，执行至少一次迭代过程。在第一次迭代过程中，读写1×(K·NT+1) 1×(K·NT+1)
器设定γ、j、μ等超参数，通过γ←1 ,j←0,μ←0 对这些超参数进行初始
化。在包括第一次迭代过程在内的每次迭代过程中，读写器对超参数γ进行更新，具体地，
每一次迭代中所使用的公式为：

[0042]

[0043]

[0044]

[0045] Γ＝diag{γi}(i＝1,2,…,K·NT+1)。

[0046] 上述公式中， 表示本次迭代过程中更新前的超参数γ的第i个元素， 表示本次迭代过程中更新后的超参数γ的第i个元素，μi表示本次迭代过程中超参数μ的第i个
元素， 表示μi的共轭转置，H表示信道矩阵， 为通信信号中的噪声的方差，diag表示对
‑1
角化运算，∑i,i表示∑y的对角元素，∑ y表示∑y的逆矩阵。

[0047] 迭代过程的终止条件为已执行的迭代过程的数量达到最大迭代次数，或者超参数γ的变化值小于迭代停止阈值。具体地，可以在每次迭代过程刚开始时，检查当前已执行的
迭代过程的数量是否达到最大迭代次数，如果当前已执行的迭代过程的数量达到最大迭代
次数，则不再执行本次迭代过程以及后续的迭代过程，以上一次执行的迭代过程为最后一
次执行的迭代过程；如果当前已执行的迭代过程的数量未达到最大迭代次数，则执行本次
迭代过程，并且在执行完本次迭代过程中的主要数据处理过程之后，将已执行的迭代过程
的数量加1。在执行每次迭代过程时，先记录更新前的超参数γ，将本次迭代过程更新后的
超参数γ与更新前的超参数γ相减获得Δu，如果更新后的超参数γ相对更新前的变化小
于迭代停止阈值δ即Δu<δ，则不再执行后续的迭代过程，以本次执行的迭代过程为最后一
次执行的迭代过程，反之，则执行后续的迭代过程。

[0048] 本实施例中，在满足迭代结束条件后，获取最后一次迭代过程对超参数γ更新所获得的结果，其可以表示为

[0049] 读写器将 中的元素 至元素 分为K组，使得每组所包含的元素数量分别等于各标签对应的天线数，且每组所包含的各元素的序号是连续的。例如，在每个标签分别包
括NT个天线的情况下，可以将 中除了 外的其他元素均分成K组，得到

[0050] 在对 完成分组后，获取索引信息。索引信息可以表示为向量的形式，其第一个元素为1，其它各元素的取值，是其在索引信息中的位置顺序对应 中相同顺序的那一组中的
最大值在组中的顺序。例如，将索引信息记为 那么 表示对 分成
的K组元素中，第k组元素中的最大值在第k组元素中的位置。例如对于被分成K组的
其中从 这一组开始数起的
第k组为 如果第k组中的最大值为 也就是第k组中的最大值
为第k组中的第1个元素，这里假定NT＝4，那么可以将 用2个索引比特表示，那么
从而解析出第k个标签发送的索引比特。又如，如果 的第k组具体为[0.01,1,0.02,0.02]，
那么第k组中的最大值为第k组中的第2个元素，这里假定NT＝4，那么可以将 用2个索引比
特表示，那么 从而解析出第k个标签发送的索引比特。

[0051] 根据索引信息 可以得知是通信信号来自哪些天线，从信道矩阵H中查找出这些天线对应的信道信息，即对应的行、列或者子矩阵，从而组成信道信息

[0052] 本实施例中，将通信信号记为y(n)，通过公式 根据信道信息 对通信信号y(n)进行迫零检测，可以获得调制符号向量 调制符号向量
实际上可以表示为 其中s(n)表示环境
射频信号，cK(n)表示第K个标签发送的第n个比特，因此，将调制符号向量 中的各元素
分别除以调制符号向量 中的第一个元素，也就是将调制符号向量 中的各元素分
别除以s(n)，所得到的商值为[1,c1(n),c2(n),…,cK(n)]，从而解析出了调制信息cK(n)等。
商值[1,c1(n),c2(n),…,cK(n)]与 中除了各自的第1个元素之外的
相同位置元素，分别是同一信息块中的索引信息和调制信息，因此读写器能够恢复出各信
息块中的索引信息和调制信息，能够获得各标签发送的调制信息，并且根据相应的索引信
息可以识别是哪个天线发送出来的。

[0053] 本实施例中，读写器能够从多个标签发送的信息中解析出索引信息和调制信息，其中调制信息是标签根据信息传送任务向读写器发送的信息，索引信息是用来表示调制信
息是从标签的哪个天线发出的信息。由于本实施例中不同激活天线的信道之间是相互独立
的，因此读写器能够从接收到的信息中解析出索引信息和调制信息，从而将各天线所发出
的信息区别开，有效应对不同天线的信息传送过程相互冲突的情况，有效实现多标签的接
入。

[0054] 以本实施例中的基于索引调制的标签和读写器，将读写器设置为接收各标签反射环境射频信号的状态，从而建立读写器与各标签之间的无线连接，可以组成基于索引调制
的环境反向散射通信系统。在基于索引调制的环境反向散射通信系统中，读写器能够从多
个标签发送的信息中解析出索引信息和调制信息，其中调制信息是标签根据信息传送任务
向读写器发送的信息，索引信息是用来表示调制信息是从标签的哪个天线发出的信息。由
于本实施例中不同激活天线的信道之间是相互独立的，因此读写器能够从接收到的信息中
解析出索引信息和调制信息，从而将各天线所发出的信息区别开，有效应对不同天线的信
息传送过程相互冲突的情况，有效实现多标签的接入。

[0055] 需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本
公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关
系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除
非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学
术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是
为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个
或多个相关的所列项目的任意的组合。

[0056] 应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离
本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第
一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意
图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

[0057] 应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编
程技术‑包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其
中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中
描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向目标终端的编程语言来实现以与计算
机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以
是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

[0058] 此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可
在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或
多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、
由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

[0059] 进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成
的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存
储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算
平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当
存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此
外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器
或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其
他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本
发明还包括计算机本身。

[0060] 计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如
显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的目标终端，包括显示器上
产生的物理和有形目标终端的特定视觉描绘。

[0061] 以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、
等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案
和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。