一种免协作无源物联网通信系统及方法

本发明涉及无线通信，尤其涉及环境反向散射通信、低功耗物联网通信及商用无线信号复用通信领域，具体涉及一种免协作无源物联网通信系统及方法。

背景技术：

1、与传统主动式的无线物联网通信技术相比，环境反向散射通信技术通过反射环境中已有的电磁波进行通信，无需主动产生载波信号，因此可以显著降低标签侧通信功耗，适用于大规模、低功耗物联网节点部署。然而，现有的面向商用无线网络的环境反射散射系统较为依赖环境发射端的协作。例如，部分系统需要环境发射端按照特定规则构造数据包，以触发标签唤醒或辅助标签同步，或利用接收端触发反向散射标签在指定时刻进行反向散射。其他方法则需要预留专门的下行信道用于下行触发，强制使用固定长度的前导码或者需要对环境发射端的固件或硬件进行修改。首先，当环境信号来源于商用无线网络时，发射机的信道、帧发送时刻、扩频因子、有效载荷等通常由原有业务动态决定，第三方反向散射标签通常无法要求环境发射端修改协议、预留频谱资源、发送定制前导码或提供闭环触发信号。其次，上述协作要求会影响原有商用网络的正常工作方式，增加系统部署门槛，并限制其在真实非管理场景中的大规模应用。

2、在免协作环境反向散射通信场景中，环境发射端按照原有业务自由发送数据包，不为反向散射标签提供触发调度、同步信道、控制信道或已知有效载荷内容。因此，反向散射标签无法预先获得环境信号的时序、频率和有效载荷信息，系统主要面临以下技术问题。

3、第一，未知时序带来的低功耗符号级同步困难。由于环境发射端不提供触发调度或同步信道，反向散射标签无法预先获知环境数据包的到达时刻，也无法直接确定符号边界和有效载荷段起始位置。标签若采用连续高速采样、数字相关或数字解调方式进行同步，将显著增加功耗，难以满足微瓦级标签的能耗约束；若仅采用简单能量检测，则容易受到噪声和环境信号波动影响，难以实现精确的符号级同步。因此，如何在无发射端触发、无同步先验且极低功耗条件下完成环境数据包检测和符号级同步，是免协作环境反向散射通信首先需要解决的问题。

4、第二，未知频率带来的载波自适应困难。在商用无线网络中，环境发射端可能在多个信道或较宽频段内随机发送数据包，反向散射标签通常无法预先知道当前处于活动状态的载波频率。若标签采用主动锁相环、宽带频率扫描或高频频率合成器来跟踪环境信号的载波频率，会显著增加硬件复杂度和功耗，不适用于低成本、微功耗反向散射标签。同时，载波频率变化还会在模拟相关过程中引入频率相关相位偏移，削弱自差分特征幅值，甚至导致同步失败。因此，如何在未知频率和宽频段环境下，以低功耗方式完成载波频率推断、相位补偿和反射调制自适应，是该系统面临的第二个关键问题。

5、第三，未知有效载荷和强主信号干扰带来的解码困难。由于免协作系统不能预留干净的频谱资源或时间窗口，标签反射信号通常叠加在原始环境主信号之上，且强度远低于环境主信号。接收端在不知道环境数据包有效载荷内容的情况下，需要从强主信号和未知载荷干扰中分离出微弱的反向散射信号。若主信号存在载荷相关的相位变化、频率跳变或硬件瞬态，传统基于平滑相位模型的干扰消除方法容易产生较大重构误差，导致残余主信号掩盖标签信号。因此，如何在未知有效载荷、无专用信道且强主信号干扰条件下可靠分离并解码弱反向散射信号，是该系统面临的第三个关键问题。

6、因此，有必要提供一种新的免协作环境反向散射通信方案，使反向散射标签在未知环境数据包到达时刻、未知载波频率和未知有效载荷内容的情况下，仍然能够以微功耗提取物理层特征，完成频率自适应和符号级同步，并由接收端在不干扰原有网络业务的前提下分离和解码微弱反向散射信号。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种免协作无源物联网通信系统及方法，以解决现有商用无线网络反向散射方案依赖环境发射端协作、标签端难以在未知环境信号条件下完成同步与调制、以及未知有效载荷下弱反向散射信号难以从强环境信号中分离和解码等问题。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种免协作无源物联网通信系统，包括环境发射端、反向散射标签和接收端；环境发射端用于发送环境数据包，并按照相应的无线通信协议对环境数据包进行调制后无线发射，以形成承载环境数据包的环境信号；环境数据包至少包括前导码段和有效载荷段；

3、反向散射标签用于提取与环境信号物理层符号结构相关的自差分特征，并在环境数据包到达后，在前导码段执行离散相位扫描和最优相位锁定，并在最优相位状态下执行符号级同步和有效载荷段定位；反向散射标签还用于生成与待发送标签数据对应的方波子载波，并在有效载荷段执行带内反向散射调制，形成由原始环境信号和反射信号叠加构成的复合无线信号；

4、接收端用于接收复合无线信号，对复合无线信号进行同步、去啁啾和分段环境主信号抵消，并通过镜像频谱融合恢复待发送标签数据。

5、根据本发明提供的一种免协作无源物联网通信系统，反向散射标签包括接收天线、自差分特征提取电路、标签控制器、频率合成模块、射频开关和反向散射天线；环境信号由接收天线输入至自差分特征提取电路，自差分特征提取电路输出自差分特征；标签控制器在检测到自差分特征的有效上升沿后，判定环境数据包已经到达，并在前导码段执行离散相位扫描和最优相位锁定，且在最优相位状态下执行符号级同步和有效载荷段定位；

6、标签控制器根据待发送标签数据生成标签比特序列，并将标签比特序列映射到不同离散频移状态，对于不同的离散频移状态，标签控制器向频率合成模块配置相应的频率控制字，频率合成模块对应生成不同频率的方波子载波；方波子载波控制射频开关切换反向散射天线的阻抗状态，使反向散射标签的反射系数随方波子载波变化，从而对环境信号进行调制，生成由环境信号和反向散射标签的反射信号叠加构成的复合无线信号。

7、根据本发明提供的一种免协作无源物联网通信系统，自差分特征提取电路包括功分器、延迟单元、压控移相器、合路器、二极管混频器、rc积分网络、低通滤波器和放大器；

8、环境信号经接收天线输入至功分器，功分器将环境信号分为第一支路信号和第二支路信号；第一支路信号经延迟单元形成延迟信号，第二支路信号经过压控移相器形成相位可调的相移信号；

9、延迟信号和相移信号经合路器输入二极管混频器进行自混频处理，输出与第一支路信号和第二支路信号之间相位差相关的低频差频分量以及高频和频分量的混频信号；混频信号依次经过rc积分网络、低通滤波器和放大器，以抑制高频和频分量并提取低频差频分量，形成自差分特征。

10、根据本发明提供的一种免协作无源物联网通信系统，标签控制器在检测到自差分特征的有效上升沿后，判定环境数据包已经到达，并在前导码段执行离散相位扫描和最优相位锁定，具体包括：

11、标签控制器控制压控移相器依次切换多个候选相位状态，标签控制器分别读取各个候选相位状态下的自差分特征，标签控制器比较各个候选相位状态下的自差分特征的特征峰值，并选择特征峰值最大的候选相位状态作为最优相位状态，标签控制器控制压控移相器保持在最优相位状态，使自差分特征提取电路在前导码段、帧起始定界符段和有效载荷段均工作在最优相位状态。

12、根据本发明提供的一种免协作无源物联网通信系统，在最优相位状态下执行符号级同步和有效载荷段定位，具体包括：

13、标签控制器检测最优相位状态下的自差分特征中连续出现的上升沿或下降沿的同步特征，并记录相邻两个同步特征对应的时间，设相邻两个同步特征对应的时间分别为和，则环境信号的符号周期表示为：；

14、标签控制器根据连续多个前导码符号形成的周期性特征，对符号周期进行验证，并确定环境信号的符号边界；

15、标签控制器检测前导码后的帧起始定界符，根据帧起始定界符对应的自差分特征变化，确定前导码结束位置、帧起始定界符位置以及有效载荷段的起始时刻。

16、根据本发明提供的一种免协作无源物联网通信系统，假设标签控制器能够生成个不同的离散频移状态，则每个反向散射符号能够承载的标签比特数为：

17、

18、其中，表示每个反向散射符号能够承载的标签比特数，表示离散频移状态的数量；反向散射符号是指反向散射标签在一个预设符号时长内保持某一离散频移状态、用于承载标签数据的基本调制单元；反向散射符号与环境信号的物理层符号在时间上对齐。

19、根据本发明提供的一种免协作无源物联网通信系统，对环境信号进行调制，生成由环境信号和反向散射标签的反射信号叠加构成的复合无线信号，具体包括：

20、环境信号经随方波子载波变化的反射系数调制后，在环境信号的载波中心频率两侧形成与方波子载波频率对应的镜像边带；

21、反向散射标签以环境信号的符号边界为时序基准，在符号边界处切换频率控制字，并根据更新后的频率控制字生成对应的方波子载波，使反向散射符号与环境信号的物理层符号在时序上对齐，形成由环境信号和反射信号叠加构成的复合无线信号。

22、根据本发明提供的一种免协作无源物联网通信系统，对复合无线信号进行同步、去啁啾和分段环境主信号抵消，具体包括：

23、对复合无线信号进行下变频和采样，获得数字基带信号；根据无线通信协议的前导码结构，对数字基带信号执行环境数据包同步和符号同步，确定环境数据包的到达位置以及环境信号中各物理层符号的边界；

24、将每一个物理层符号对应的数字基带信号段与参考啁啾的共轭信号相乘，执行去啁啾处理，获得对应的去啁啾符号信号；去啁啾符号信号包括与环境信号对应的强信号分量以及与反射信号对应的弱反向散射信号分量；其中，将与环境信号对应的强信号分量记为环境主信号，环境主信号在频域内形成对应的环境主峰；

25、根据去啁啾符号信号中的相位变化确定相位跳变位置，并将相位跳变位置作为分段边界；

26、根据分段边界，将去啁啾符号信号划分为位于分段边界之前的左侧信号段和位于分段边界之后的右侧信号段；对于左侧信号段，采用最小二乘方法独立估计其中环境主信号的幅度、频率和相位参数，并构建左侧局部环境主信号模型；对于右侧信号段，采用最小二乘方法独立估计其中环境主信号的幅度、频率和相位参数，并构建右侧局部环境主信号模型；

27、分别从左侧信号段和右侧信号段中减去对应的局部环境主信号模型，得到环境主信号受到抑制后的残差信号。

28、根据本发明提供的一种免协作无源物联网通信系统，通过镜像频谱融合恢复待发送标签数据，具体包括：

29、以环境信号的载波中心频率为对称中心，设置分别位于对称中心两侧的两个镜像检测窗口，并比较两个镜像检测窗口中的频谱峰值和能量分布；

30、如果某一频谱峰值在对称中心的另一侧不存在对应的对称频谱峰值，则将该频谱峰值确定为非对称残留干扰，并从离散频移状态集合中剔除；

31、对于在两个镜像检测窗口中均存在对应频谱峰值的离散频移状态，则将两侧的频谱峰值能量进行融合；

32、通过滑动窗口最大值搜索确定融合能量最大的目标频移状态，根据目标频移状态与标签比特序列之间的预设映射关系，恢复当前反向散射符号承载的标签比特；

33、依次处理有效载荷段的各物理层符号对应的残差信号，恢复完整标签比特序列，并根据标签数据帧结构输出待发送标签数据。

34、第二方面，本发明提供一种免协作无源物联网通信方法，采用第一方面的免协作无源物联网通信系统，该方法包括：

35、环境发射端发送环境数据包，并按照相应的无线通信协议对环境数据包进行调制后无线发射，以形成承载环境数据包的环境信号；

36、反向散射标签提取与环境信号物理层符号结构相关的自差分特征，并在环境数据包到达后，在前导码段执行离散相位扫描和最优相位锁定，并在最优相位状态下执行符号级同步和有效载荷段定位；反向散射标签还用于生成与待发送标签数据对应的方波子载波，并在有效载荷段执行带内反向散射调制，形成由原始环境信号和反射信号叠加构成的复合无线信号；

37、接收端接收复合无线信号，对复合无线信号进行同步、去啁啾和分段环境主信号抵消，并通过镜像频谱融合恢复待发送标签数据。

38、与现有技术相比，本发明至少具备以下技术效果：

39、本发明提供一种无需环境发射端协作的免协作无源物联网通信系统及方法，可在不修改现有环境发射端、不预留专用无线资源、不构造特定数据包的条件下，直接利用环境中自然存在的环境信号，例如lora信号完成低功耗通信。另外，本发明能够降低系统部署成本，减少对专用基础设施和网络侧协作的依赖，提高环境反向散射系统在真实非管理场景中的可部署性；能够降低标签侧功耗和硬件复杂度，适用于微功耗、低成本、大规模物联网节点；能够增强系统在未知时序、未知频率和未知有效载荷条件下的适应能力，提高通信可靠性和数据恢复能力；能够避免占用额外下行触发资源或业务时隙，减少对原有通信链路的影响；其基本工作机制不依赖于特定无线协议的专有实现，在结合不同协议的物理层结构进行相应设计和参数调整后，具有扩展至其他商用无线通信协议和应用场景的可行性。