一种全双工可见光背向散射通信传输优化方法及装置

本发明涉及可见光通信与物联网，特别是一种全双工可见光背向散射通信传输优化方法及装置。

背景技术：

1、随着第六代（6g）移动通信和物联网（iot）的快速发展，海量物联网设备的连接对能效提出了极为苛刻的要求。传统的可见光通信（vlc）和射频技术在上行链路中通常依赖于主动发光器件（如led）或射频发射模块，其毫瓦级甚至瓦级的功耗给边缘物联网节点带来了沉重的电池维护负担，难以满足未来低功耗甚至净零能耗物联网生态系统的发展需求。

2、为了克服这一能耗瓶颈，可见光背向散射通信（vlbc）作为一种超低功耗替代方案应运而生。vlbc的标签端通过液晶快门（lcs）和角反射器对入射光进行被动调制和反射，而不是主动发射信号，从而将功耗成功降低至微瓦级别。然而，在实际应用中，实现稳健的vlbc系统面临着两大严峻挑战。

3、首先，在全双工通信场景中，存在严重的下行乘性自干扰问题。现有的大多数vlbc研究往往局限于孤立的上行链路分析，或假设下行光源为理想的恒定直流光（即半双工模式）。但在实际的双向全双工场景中，阅读器端需要发送调制的下行波形（如传统的开关键控ook调制）。由于背向散射信号的乘性特征，下行光学载波幅度的剧烈波动（如ook调制中的逻辑‘0’电平期）会直接转移到上行信号中，导致上行链路出现严重的通信中断或信噪比极度恶化。

4、其次，核心调制器件液晶快门存在严格的物理带宽限制。受限于液晶分子缓慢的物理弛豫特性，当上行调制频率增加时，信号会产生严重的“鱼鳍状”波形畸变和严重的码间干扰（isi）。这导致传统的vlbc系统传输速率通常被严格限制在0.5至1 kbps的极低速范围。为了突破这一带宽瓶颈，现有的前沿研究（如基于延迟叠加调制或多用户mimo架构）多采用硬件优化的方式，通过复杂的多像素阵列空间复用技术来提升速率。然而，这些方法不可避免地增加了系统硬件复杂度和成本，同时也推高了动态功耗，违背了低功耗物联网设计的初衷。并且，传统的基于绝对电压阈值的判决机制在面临上述严重的波形失真以及空间光路带来的极度衰减时往往会直接失效。

5、因此，迫切需要一种全双工可见光背向散射通信系统的传输优化方法，能够在不依赖复杂多像素硬件阵列的前提下，有效抑制全双工通信中的下行乘性自干扰，并利用信号处理手段突破液晶器件的物理带宽瓶颈，从而实现高可靠、较高数据速率的低功耗上行传输。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种全双工可见光背向散射通信传输优化方法及装置，以解决现有全双工可见光背向散射通信中严重的下行乘性自干扰问题，以及液晶快门物理弛豫缓慢导致的上行传输速率低下、信号严重畸变的技术问题，实现低能耗、高可靠且较高数据速率的可见光上行传输。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、根据本发明提出的一种全双工可见光背向散射通信传输优化方法，包括：

4、搭建全双工可见光背向散射通信系统的硬件收发链路，硬件收发链路包括阅读器端和标签端；其中，

5、阅读器端，用于采用恒包络的二进制频移键控调制方式生成下行光学载波信号；

6、标签端，用于接收下行光学载波信号并对其进行背向散射调制，输出调制后的光作为回波数据背向散射至阅读器端；阅读器端提取回波数据的离散基带包络信号，并利用基于相对趋势检测的双阈值有限状态机对离散基带包络信号进行后置均衡以恢复上行数据，上行数据即为回波数据。

7、作为本发明所述的一种全双工可见光背向散射通信传输优化方法进一步优化方案，阅读器端包括上位机、下行发送模块、上行接收解码模块、分束器和汇聚透镜，下行发送模块包括信号发生器和发光器件，上行接收解码模块包括光电检测器和示波器；其中，

8、上位机，用于生成下行数据并将下行数据输出至信号发生器；下行数据为下行光学载波信号；

9、还用于接收示波器回传的离散时间接收信号，对离散时间接收信号进行后置均衡处理以恢复上行数据，上行数据为回波数据；

10、信号发生器，用于接收上位机输出的下行数据，将下行数据转换为模拟驱动信号并将其输出至发光器件；

11、发光器件，用于将模拟驱动信号转换为下行光学载波信号，下行光学载波信号经汇聚透镜准直后输出至分束器；

12、分束器，用于对接收到的下行光学载波信号进行透射并将下行光学载波信号输出至标签端；

13、还用于对接收到的来自标签端的回波数据进行反射处理，将回波数据导向汇聚透镜；

14、汇聚透镜，用于对分束器反射的回波数据进行汇聚，输出至光电检测器；

15、光电检测器，用于接收汇聚透镜输出的回波数据，将回波数据转换为电信号并输出至示波器；

16、示波器，用于对电信号进行采样与数字化，得到离散时间接收信号并将其回传至上位机。

17、作为本发明所述的一种全双工可见光背向散射通信传输优化方法进一步优化方案，标签端包括调制反射模块，调制反射模块包括控制器、双通道数模转换器、双通道驱动放大器、双单元串联液晶快门及角反射器；双单元串联液晶快门包括第一液晶单元和第二液晶单元，双单元串联液晶快门紧装于角反射器的入光侧；其中，

18、控制器，用于根据待发送的上行数据生成两路相互独立的数字驱动信号，将两路数字驱动信号分别输出至双通道数模转换器；

19、双通道数模转换器，用于将两路数字驱动信号分别进行数模转换，得到两路模拟驱动信号，输出至双通道驱动放大器；

20、双通道驱动放大器，用于对两路模拟驱动信号进行放大，将放大后的两路驱动信号分别输出至双单元串联液晶快门的第一液晶单元和第二液晶单元；

21、双单元串联液晶快门，用于在两路驱动信号的协同驱动下对入射的下行光学载波信号进行背向散射调制；其中，在透光下降沿期间，撤销对第一液晶单元的驱动并主动向第二液晶单元施加驱动脉冲，通过第一液晶单元和第二液晶单元的协同作用改变整体透光状态；

22、角反射器，用于将双单元串联液晶快门调制后的光信号背向散射至阅读器端，背向散射至阅读器端的光信号即为回波数据。

23、作为本发明所述的一种全双工可见光背向散射通信传输优化方法进一步优化方案，控制器为fpga控制器。

24、作为本发明所述的一种全双工可见光背向散射通信传输优化方法进一步优化方案，具体如下：

25、步骤s1、搭建全双工可见光背向散射通信系统的硬件收发链路，硬件收发链路包括阅读器端和标签端；其中，在阅读器端利用分束器构建同轴的发射与接收光路；在标签端将双单元串联液晶快门紧装于角反射器的入光侧，构建被动式背向散射调制模块；

26、步骤s2、阅读器端的上位机生成下行数据，对下行数据采用二进制频移键控得到下行数字波形，将下行数字波形传输至信号发生器并由上位机控制，信号发生器输出和下行数字波形对应的模拟驱动信号，以驱动发光器件发射下行光学载波信号；

27、步骤s3、标签端的双单元串联液晶快门中的第一液晶单元和第二液晶单元分别由fpga控制器输出的一路独立信号经放大器放大后进行驱动；双单元串联液晶快门根据上行数据协同切换其透光状态，对入射的下行光学载波信号进行背向散射调制，得到调制后的光信号，并通过角反射器将调制后的光信号背向散射回阅读器端，调制后的光信号即为回波数据；

28、步骤s4、阅读器端的光电检测器接收背向散射的回波数据并转换为电信号，利用示波器对电信号进行采样与数字化，得到数字化后的信号，随后将数字化后的信号传输至上位机并从中提取离散的基带包络信号；

29、步骤s5、阅读器端在上位机中对基带包络信号进行离线数字处理，利用基于相对趋势检测的双阈值有限状态机重建上行数据的数字逻辑电平，得到消除畸变的上行数据。

30、作为本发明所述的一种全双工可见光背向散射通信传输优化方法进一步优化方案，步骤s3包括：

31、s301、fpga控制器根据待发送的上行数据，生成两路相互独立的数字驱动信号；

32、s302、两路数字驱动信号分别经过双通道数模转换器进行数模转换，并分别经过放大器放大后，作为驱动信号分别输入至双单元串联液晶快门的第一液晶单元和第二液晶单元中；

33、s303、在上行数据状态由逻辑1切换至逻辑0的下降沿期间，fpga控制器输出的预设补偿波形逻辑为：停止向当前处于激发透光状态的第一液晶单元施加驱动电压，使第一液晶单元进入液晶分子的物理自然弛豫阶段；同时，向处于未激发状态的第二液晶单元主动施加电场驱动脉冲，使第二液晶单元在电场作用下翻转至遮光状态；

34、s304、通过两路独立驱动信号在时间上的协同，利用第二液晶单元在主动电场驱动下的阻光响应，在物理光路上串联叠加并掩盖第一液晶单元物理自然弛豫过程，从而实现标签端背向散射透光率的下降切换。

35、作为本发明所述的一种全双工可见光背向散射通信传输优化方法进一步优化方案，步骤s4中，提取离散的基带包络信号，包括：

36、s401、上位机通过通信接口向示波器发送指令，控制示波器以预设采样率对光电检测器输出的电信号进行模数转换，并将采集到的离散时间接收信号回传至上位机；

37、s402、在上位机中对离散时间接收信号进行非相干解调，利用滑动积分窗口计算近似解析信号的幅度，提取出基带包络，具体公式为：

38、

39、其中，表示以采样频率采样的离散时间接收信号；表示提取的基带包络；表示滑动积分窗口的大小，取值近似为，为载波频率；表示最大最小归一化算子；

40、s403、利用最大最小归一化算子将基带包络信号映射至[0,1]区间，以解耦检测逻辑与光路几何路径损耗引起的功率波动；

41、s404、计算基带包络与已知前导码参考序列之间的互相关函数；通过最大化互相关函数来实现上行数据帧的帧同步。

42、作为本发明所述的一种全双工可见光背向散射通信传输优化方法进一步优化方案，步骤s5中，利用基于相对趋势检测的双阈值有限状态机重建上行数据的数字逻辑电平，具体内容为：

43、s501、动态追踪并更新基带包络信号的局部历史极值：在双阈值有限状态机处于0状态期间，追踪当前局部最小值；在有限状态机处于1状态期间，追踪当前局部最大值；

44、s502、构建非对称的双阈值判断逻辑识别趋势：采用相对谷底判决准则识别基带包络的上升趋势，采用相对峰值判决准则识别基带包络的下降趋势，基于双阈值有限状态机的输出状态重建上行数据的数字逻辑电平。

45、作为本发明所述的一种全双工可见光背向散射通信传输优化方法进一步优化方案，步骤s502中，非对称的双阈值判断逻辑的状态转移方程为：

46、

47、其中，为当前时刻的输出逻辑状态，为上一时刻的逻辑状态，为当前时刻的基带包络信号，为上一时刻记录的局部最小值，为上一时刻记录的局部最大值，为预设的上升趋势触发阈值，为预设的下降趋势触发阈值。

48、一种全双工可见光背向散射通信传输优化装置，包括阅读器端和标签端，阅读器端包括上位机、下行发送模块、上行接收解码模块、分束器和汇聚透镜，下行发送模块包括信号发生器和发光器件，上行接收解码模块包括光电检测器和示波器；其中，

49、上位机，用于生成下行数据并将下行数据输出至信号发生器；下行数据为下行光学载波信号；

50、还用于接收示波器回传的离散时间接收信号，对离散时间接收信号进行后置均衡处理以恢复上行数据，上行数据为回波数据；

51、信号发生器，用于接收上位机输出的下行数据，将下行数据转换为模拟驱动信号并将其输出至发光器件；

52、发光器件，用于将模拟驱动信号转换为下行光学载波信号，下行光学载波信号经汇聚透镜准直后输出至分束器；

53、分束器，用于对接收到的下行光学载波信号进行透射并将下行光学载波信号输出至标签端；

54、还用于对接收到的来自标签端的回波数据进行反射处理，将回波数据导向汇聚透镜；

55、汇聚透镜，用于对分束器反射的回波数据进行汇聚，输出至光电检测器；

56、光电检测器，用于接收汇聚透镜输出的回波数据，将回波数据转换为电信号并输出至示波器；

57、示波器，用于对电信号进行采样与数字化，得到离散时间接收信号并将其回传至上位机。

58、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

59、（1）解决了全双工模式下的乘性自干扰难题。本发明创新性地在物理层波形设计上采用2fsk作为下行光学载波，且通过上位机程控实现了高精度的波形生成。利用其恒包络特性，不仅使led始终工作在最大平均发射功率状态，最大化了被动标签端可获取的背向散射光能量，更从根本上消除了传统ook等调制方式引起的下行光强剧烈波动，保障了上行链路免受自干扰引发的通信中断影响。

60、（2）软硬件协同突破核心器件物理弛豫瓶颈。在硬件调制端，本发明创新性地采用双单元串联液晶快门与非对称驱动策略，在下降沿期间利用主动电场强制关闭完美掩盖了液晶分子的缓慢自然弛豫；在软件接收端，设计了专用的液晶快门感知后置均衡器，摒弃了易失效的绝对电压阈值判决机制，通过动态极值追踪与非对称双阈值相对趋势检测，精准重建因物理带宽受限而严重畸变的数字逻辑。

61、（3）实现了高效自动化验证与性能跨越。借助程控仪器的高速采样与上位机的强大数值计算能力，本系统在无需额外引入复杂多像素空间复用阵列硬件的前提下，成功将满足前向纠错门限条件的最大可达数据速率大幅提升，展现出极佳的纠错与信号恢复能力。

62、（4）具有卓越的系统鲁棒性与广阔的物联网应用前景。本发明的方案利用分束器构建了精密的同轴收发光路，在有效克服严重几何光路衰减的同时，为边缘物联网节点提供了一种极低动态功耗的高可靠传输途径，填补了微弱环境光能量采集与上动通信能耗之间的巨大缺口，对推动净零能耗海量物联网生态在未来6g网络中的落地具有突出的工程价值。