一种基于子载波循环移位的LTE反向散射系统传输方法

本发明涉及无线通信与反向散射通信，具体涉及一种基于子载波循环移位的lte反向散射系统传输方法。

背景技术：

1、环境反向散射通信通过改变标签天线的负载阻抗，对环境中已有的无线信号进行反射和调制，使标签无需主动生成高功率载波，从而具有低功耗、低成本和易于大规模部署的优点。

2、lte（长期演进）网络具有覆盖范围广、下行信号较为连续、基础设施部署完善以及工作频段丰富等特点，是适合广域低功耗反向散射通信的环境载波。lte下行信号采用ofdm（orthogonal frequency-division multiplexing）调制，一个无线帧为10 ms，包括10个1ms子帧；在正常循环前缀配置下，1个子帧包含2个时隙，每个时隙包括7个ofdm符号。物理下行共享信道（physical downlink shared channel，pdsch）承载主要的下行用户数据，因而能够为标签提供较丰富的可调制时间资源。

3、然而，现有lte反向散射方案通常难以同时满足高吞吐量、lte信号结构兼容性和单接收端解调三个要求。首先是基于码字转换的调制方法，该调制方法的优势是能够保持lte波形结构，但每个lte符号只能携带固定且较少的标签数据。采用该类调制方法的代表性系统主要包括synclte系统和cablte系统。其中synclte系统需要两个同步接收端分别获取原始信号和反向散射信号，cablte系统通过枚举候选并利用lte自身‌循环冗余校验的方法实现了单接收端解调，但是该方法需要强制关闭lte解码过程中的重传功能，影响lte原始数据的传输，降低了与标准lte运行流程的兼容性，并且该方法的搜索空间较大，计算复杂度高。其次是采用更细粒度时域调制的r2scatter系统，该系统将一半的时域信号移频至另一频段，并通过信号匹配确定移频起始位置以编码标签数据，这种编码方式可以提高标签速率，但破坏了完整ofdm符号结构，引起频谱泄漏，并且仍需要两个接收端进行解码。

4、lte信号的结构还带来两个特有问题。第一，只有部分物理下行共享信道符号包含已知参考信号（reference signal，rs），其比例约为31.2%，其余大多数物理下行共享信道符号承载未知的lte数据，单个接收端无法直接将原始内容作为参考。若标签仅调制含参考信号，将浪费大量物理下行共享信道资源并限制吞吐量。第二，lte正常循环前缀仅占有效符号长度的约7%～8%，可用于相关检测的重复采样点较少，直接沿用基于循环前缀的循环移位识别方法容易产生较高误码率。

5、此外，在低信噪比、多径衰落或较高阶物理下行共享信道调制条件下，有效子载波与空子载波之间的能量差异会减弱，使多个循环移位候选获得相近评分。若始终采用最高评分候选，可靠性不足；若对全部可能移位及其组合进行穷举，时间复杂度和存储开销又难以接受。因此，需要一种能够保留lte ofdm结构、利用全部物理下行共享信道符号、支持单接收端解调，并在低信号质量条件下以较低搜索复杂度进行解调的新方法。

技术实现思路

1、针对现有lte反向散射系统难以同时兼顾标签传输吞吐量、lte信号兼容性和接收端复杂度的问题，本发明旨在提供一种能够同时满足高吞吐量、保持lte信号结构兼容性以及单接收端解调三个条件lte反向散射系统传输方法。

2、本发明中，标签将标签数据映射为循环移位索引，在时域对ofdm符号施加与索引对应的线性相位序列，使频域子载波整体循环移位；接收端依据有效子载波、直流子载波和空子载波的能量分布估计循环移位，在高置信度时直接接收最高评分结果，在低置信度时构造自适应候选集，并利用含参考信号符号作为锚点进行分组校验和优先组合搜索，从而恢复标签数据。完成标签解调后，接收端对检测到的循环移位进行逆补偿，并继续执行标准lte解码流程，以恢复环境lte数据。

3、通过上述方案，本发明在不破坏lte信号结构和ofdm正交性、无需关闭lte重传机制的基础上，提高每个ofdm符号所能承载的标签数据数，实现单接收端、高吞吐量和高可靠性的标签通信；同时，接收端能够在标签解调后通过逆循环移位恢复原始lte资源栅格，从而同时完成标签数据和环境lte数据的解码。

4、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

5、一种基于子载波循环移位的lte反向散射系统传输方法，包括：

6、lte信号源产生ofdm符号调制的下行信号作为环境载波；

7、标签将标签数据映射为循环移位索引，根据循环移位索引生成线性相位序列，并对环境载波中指定的ofdm符号的循环前缀和有效符号连续施加时域线性相位序列，产生反向散射信号，同时叠加固定频率偏移将反向散射信号搬移至目标频带；

8、单接收端接收目标频带的反向散射信号，依据lte资源配置构造有效子载波掩码和空子载波掩码，对所有候选的循环移位索引计算反映有效子载波区与空子载波区能量分布的综合评分，根据综合评分的置信度选择直接输出最高综合评分对应的循环移位索引，或者生成自适应候选集，并利用含参考信号的ofdm符号作为锚点进行分组校验和优先组合搜索，确定循环移位索引；

9、将确定出的循环移位索引映射为标签数据；对循环移位索引进行逆循环移位补偿，并执行标准lte解码，输出环境载波中的lte数据。

10、在其中一个实施例中，所述标签将标签数据映射为循环移位索引，具体包括：

11、标签可将每组个标签数据映射为一个循环移位索引，其中，，且，映射采用格雷码编码，使相邻循环移位索引对应的比特码字仅相差一个比特；为循环移位索引的总数。

12、在其中一个实施例中，所述根据循环移位索引生成线性相位序列，并对环境载波中指定的ofdm符号的循环前缀和有效符号连续施加时域线性相位序列，产生反向散射信号，具体包括：

13、设循环移位索引为d，时域采样点索引为n，n=0,1,…,n-1，为循环移位索引的总数，生成的线性相位序列，为虚数单位；标签将环境载波中指定的ofdm符号的时域有效符号x[n]与该线性相位序列逐采样点相乘，得到调制后的基带信号，即为所述反向散射信号，的频域表示， x[k]为调制前的ofdm符号的频域子载波，为频域子载波索引。

14、在其中一个实施例中，所述叠加固定频率偏移将反向散射信号搬移至目标频带，具体包括：

15、设固定频率偏移为，采样率为，则完整调制序列，为线性相位调制，为频带搬移。

16、在其中一个实施例中，所述计算反映有效子载波区与空子载波区能量分布的综合评分，具体包括：

17、对于候选的循环移位索引d，分别计算有效子载波区平均能量和空子载波区平均能量，其中，分别为第k1个有效子载波和第k2个空子载波，为有效子载波的索引，为空子载波的索引，为有效子载波的集合，为空子载波的集合；构造有效子载波区与空子载波区的能量比，其中，ε为用于避免空子载波区域能量接近零时产生数值不稳定的正数；将全部子载波能量降序排列，取能量最高的前l个子载波构成集合，计算能量排序一致性；综合评分，，为权重。

18、在其中一个实施例中，所述根据综合评分的置信度选择直接输出最高综合评分对应的循环移位索引，或者生成自适应候选集，具体包括：

19、将全部候选的循环移位索引的综合评分降序排列：

20、；

21、和分别为最高综合评分和次高综合评分，为降序排列后排名第n的综合评分；表示循环移位索引的总数；

22、计算置信度，其中为全部候选的循环移位索引的综合评分的标准差，ε为防止分母为零的正数；当时，直接输出最高综合评分对应的循环移位索引；当时，生成自适应候选集，其中为预设置信度阈值。

23、在其中一个实施例中，所述生成自适应候选集，具体包括：

24、利用中位数函数median()和中位绝对偏差mad对综合评分进行稳健归一化，得到归一化评分；将通过softmax函数映射为候选概率，其中，η表示用于控制概率分布集中程度的超参数；为候选的循环移位索引的归一化评分；将候选的循环移位索引按候选概率降序排列，选取满足的最小变量k，由候选概率排名前k的候选的循环移位索引构成自适应候选集，其中ρ为目标概率覆盖率。

25、在其中一个实施例中，所述分组校验，具体包括：依据lte帧中含参考信号的ofdm符号的原生位置，将无参考信号ofdm符号划分为多个小组，每个小组包含一个含参考信号的锚点符号和该锚点符号后的若干个无参考信号符号；

26、对于含参考信号的锚点符号，针对候选的循环移位索引d进行逆补偿并提取参考信号向量，与本地已知参考信号r计算归一化相似度，将归一化相似度最高的候选的循环移位索引作为锚点移位；

27、小组内无参考信号符号承载标签数据，所述标签数据的比特串拼接后生成校验码，并由本小组含参考信号的锚点符号承载该校验码；接收端根据锚点移位恢复该校验码，并对小组内各无参考信号ofdm符号的候选的循环移位索引组合重新计算校验码，仅当重新计算的校验码与一致时，判定小组内各无参考信号ofdm符号的候选的循环移位索引组合校验成功。

28、在其中一个实施例中，所述优先组合搜索，具体包括：设一个小组包含q个无参考信号符号，第j个无参考信号符号的有序候选列表为，是中排名第1的候选的循环移位索引，是中候选的循环移位索引的数量；

29、从每个无参考信号符号的有序候选列表中各选取一个候选的循环移位索引，构成一个组合，该组合用排名向量表示，表示第j个无参考信号符号的排名，表示无参考信号符号的数量；定义组合代价：

30、；

31、组合代价越小表示组合中各候选的循环移位索引成为正确组合的概率越高；利用小顶堆按从小到大顺序输出组合：

32、以初始排名向量初始化小顶堆，弹出当前组合代价最小的排名向量并执行所述分组校验，若校验失败则从当前排名向量中选取其中一个维度的排名加1，生成邻接向量，并计算组合代价、加入小顶堆，重复直至找到校验成功的组合或小顶堆为空；为j维的单位向量。

33、在其中一个实施例中，所述对循环移位索引进行逆循环移位补偿，并执行标准lte解码，输出环境载波中的lte数据，具体包括：

34、接收端根据每个ofdm符号检测出的循环移位索引d，对ofdm符号执行逆循环移位，恢复原始lte资源栅格；将恢复后的lte资源栅格送入标准lte信道估计、均衡、软解调、信道译码和循环冗余校验流程，输出环境载波中的lte数据。

35、与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

36、1.提升标签传输能力与解码可靠性，同时降低系统部署复杂度。本发明将标签数据映射为循环移位索引，每个ofdm符号可编码个标签数据，相较于现有方案每个符号仅能编码1-2比特的码字转换类方法，编码容量随快速傅里叶变换点数对数增长，显著提升了单符号信息承载能力。在解调端，本发明利用循环移位保持ofdm频域有效子载波、空子载波整体结构的特性，基于能量分布评分进行盲检测，相较于依赖时域波形匹配的方法，频域能量检测对噪声和多径干扰具有更强的抗干扰能力。本发明仅需单接收端即可完成标签解调和环境lte数据恢复，无需第二台接收端提供参考信号或同步捕获原始信号，系统架构更简、部署成本更低。

37、2.保持lte信号结构完整性，兼容标准通信流程。本发明在时域施加线性相位序列实现频域循环移位，频域子载波整体平移，有效子载波、空子载波和直流子载波的结构关系保持不变，不破坏ofdm符号的正交性，不产生频谱泄漏。接收端完成标签移位检测后，通过对频域接收向量执行逆循环移位即可完全恢复原始lte资源栅格，无需修改同步流程、控制信道解析、信道估计与均衡、软解调、译码及混合自动重传请求（hybrid automatic repeatrequest，harq），可直接送入标准lte接收链路，能够同步输出环境lte数据，保证现有lte通信链路不受影响。

38、3.具备自适应解码能力和环境普适性。本发明通过置信度评估将解调分为高置信度直接接收和低置信度候选校验两条路径，自适应候选集根据评分概率分布的集中程度动态调整候选数量，保证在不同信号质量下解码复杂度与可靠性之间的平衡。能量分布评分仅需获知有效子载波和空子载波的位置，无需预知物理下行共享信道的具体调制方式和数据内容，因此可适配正交相移键控（qpsk）、16阶正交幅度调制（16qam）、64阶正交幅度调制（64qam）等不同调制阶数。参考信号辅助分组校验利用lte原生参考信号结构，不依赖特定子帧配置，可适配不同带宽和传输模式，适用于多径衰落信道及不同多普勒频率条件，具有良好的场景普适性。