环境反向散射通信系统的接收机算法设计与实现

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环境反向散射通信(Ambient Backscatter Communication,AmBC)技术利用环境中的信号传输信息,不占用额外的频谱,可以节约频谱资源,同时反射设备的成本低,功耗小,适合应用于物联网。反射设备通过改变自身的阻抗,形成不同的反射状态,以此将自身信息加载在环境信号上。接收机收到的信号包含直接链路信号和反射链路信号,通常反射链路信号的功率比直接链路信号低几个数量级,接收机恢复反射设备符号存在困难,因此接收机的设计是AmBC系统中的一个重要问题。环境中的无线信号多种多样,本文研究了不同信号作为射频源时AmBC系统的接收机算法设计问题。对于正弦波为射频源的情况,本文基于现有文献中的系统模型和接收机设计,设计了反射设备的帧格式以及接收机的信号处理模块,使用软件无线电平台搭建了一个反向散射通信系统,测试了系统的性能,测试结果验证了系统的可行性。当射频源为2ASK(Amplitude Shift Keying,幅移键控)信号时,本文设计了射频源符号的编码方案,使射频源信号在一个反射设备符号的半个周期内功率不为0,解决了射频源符号为0时,接收机不能恢复反射设备符号的问题。接着本文提出了联合最大似然检测器和一种简便的两步检测算法。仿真结果表明,对于射频源符号的检测,采用上述两种检测算法的性能要优于或者接近2ASK信号的误码率性能,对于反射设备符号的检测,上述两种检测算法的性能非常接近。现有的商用通信系统大部分采用的是OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用)技术,因此本文进一步研究OFDM信号激励时AmBC系统的接收机设计问题。对于单个设备接入的场景,由于反射链路信号功率比直接链路信号低几个数量级,本文提出了基于干扰消除的三种检测算法。仿真结果表明,采用上述检测算法,射频源符号的误码率会出现错误平台,这个平台随着相对信噪比降低而下降,同时反射设备符号的误码率比直接能量检测的性能要优越。对于多个设备接入的场景,本文利用时分多址和循环前缀的思想,设计了反射设备导频符号1的信号格式和OFDM系统的信号格式。在反射设备发送导频符号0时,本文给出对应的OFDM导频符号的两种设计方案,并且提出相应的检测算法。仿真结果显示,采用方案一时,直接链路和反射链路的误码率曲线会出现错误平台,而方案二则不存在此现象。同时,增加反射设备数量,直接链路和反射链路的性能会出现下降,这是信号检测中可以使用的子载波个数减少导致的。
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