一种后向散射传感通信系统

1.本技术涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种后向散射传感通信系统。


背景技术：

2.环境后向散射通信(ambient backscatter communication)技术是利用现有的电视和蜂窝传输来消除对电线和电池的需求，而且通过将要散射的信号搭载到环境中的射频信号上，发送设备无需额外产生无线信号从而降低了成本，同时也不会影响原来合法的无线通信。基于上述技术特点，环境后向散射通信技术将大幅降低后向散射通信设备的成本和对特定通信设施的需求，实现低功耗、远距离且不消耗额外无线频谱资源的通信方式。为了提升通信距离并且降低后向散射标签的功耗来满足更多的场景，于是以环境中的射频信号作为载波的后向散射通信技术开始得到关注和发展。
3.现有的后向散射通信系统是直接利用周围环境中广泛存在的射频信号作为信号源，如电视、蜂窝或wi-fi信号，能够在功耗极低的前提下依然实现接收机与后向散射标签远距离传输，然而，现实中的环境射频信号是动态且不可预测的，显然它可能会对系统中的遗留接收机造成一定的自干扰，这种自干扰问题会影响接收端对后向散射信号的解调和解码，从而大大增加了信号误码率。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种后向散射传感通信系统，用于解决现有的后向散射通信系统受自干扰问题影响接收端对后向散射信号的解调和解码，从而导致信号误码率高的技术问题。
5.为解决上述的技术问题，本技术提供了一种后向散射传感通信系统，包括：信号源、后向散射传感节点以及接收机，其中，所述信号源中设置有信号源天线，所述接收机中设置有接收机天线，所述信号源天线与所述接收机天线的极化方向相互正交；
6.所述信号源用于发送环境射频信号；
7.所述后向散射传感节点包括：能量接收天线、能量获取模块与通信天线；
8.所述能量接收天线的极化方向与所述信号源的极化方向相同，用于接收所述环境射频信号，所述能量获取模块用于将所述环境射频信号转化为射频能量；
9.所述通信天线为圆极化天线，用于接收所述环境射频信号，并将所述环境射频信号转换为后向散射信号，再通过后向散射通信将所述环境射频信号转换为后向散射信号发送到所述接收机，以便所述接收机根据接收到后向散射信号进行处理。
10.优选地，所述后向散射传感节点还包括：应变测量元件、放大电路与可变电容；
11.所述应变测量元件、所述放大电路、所述可变电容依次电连接，所述可变电容与所述通信天线的输入阻抗元件电连接；
12.其中，所述应变测量元件用于监测所述后向散射传感节点的应力应变状态；
13.所述放大电路用于对由应力应变状态变化所引起的电信号变化进行信号放大处
理；
14.所述可变电容用于根据从所述放大电路输出的电信号，调节所述可变电容的负载参数，以便根据调节后的负载参数对所述后向散射信号进行调制。
15.优选地，所述输入阻抗元件具体为第一电阻；
16.所述可变电容与所述通信天线的输入阻抗元件电连接具体为：
17.所述可变电容与所述第一固定电阻并联。
18.优选地，所述后向散射传感节点还包括：射频开关与微控制模块；
19.所述射频开关设置在所述可变电容与所述通信天线之间；
20.所述微控制模块用于控制所述射频开关的通断状态。
21.优选地，所述放大电路具体为：电桥放大电路。
22.优选地，所述电桥放大电路具体为惠斯通电桥放大电路。
23.优选地，所述惠斯通电桥放大电路的电桥结构由若干个应变测量元件与第二电阻组成，且所述应变测量元与所述第二电阻的数量和为4。
24.优选地，所述应变测量元件具体为应变片。
25.优选地，所述射频开关具体为单刀双掷开关，所述单刀双掷开关的动端与所述通信天线连接，其中一个不动端与地线连接，另一个不动端与所述可变电容连接。
26.从以上技术方案可以看出，本技术实施例具有以下优点：
27.本技术提供的后向散射传感通信系统由信号源、后向散射传感节点以及接收机，其中，信号源天线用于发送环境射频信号。后向散射传感节点包含有能量接收天线与通信天线，用于从环境中获取射频能量后开始工作并通过后向散射通信将传感信息发送到接收机天线中，使得接收机天线接收后向散射信号并解调解码出传感信息，同时，信号源天线和接收机天线的极化方向相互正交，进而形成信号源天线与接收机天线极化隔离的架构，通过极化隔离的方式抑制基于后向散射传感节点及系统的自干扰，能够有效降低信号误码率，提高系统通信的质量。
附图说明
28.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
29.图1为现有的系统自干扰示意图。
30.图2为本技术提供的一种后向散射传感通信系统的系统架构示意图。
31.图3为本技术提供的一种后向散射传感通信系统的工作流程示意图。
32.图4为本技术提供的一种后向散射传感通信系统中惠斯通电桥放大电路的一个实施例结构示意图。
33.图5为本技术提供的一种后向散射传感通信系统中惠斯通电桥放大电路的另一个实施例结构示意图。
34.图6为本技术提供的一种后向散射传感通信系统中通信天线、射频开关以及可变电容的连接结构示意图。
具体实施方式
35.虽然随着技术的进步，相较最初的环境后向散射技术，目前环境后向散射通信系统的性能已经得到了显著的提升，但是来自射频信号的自干扰问题仍然存在。环境后向散射通信系统中的自干扰问题是指环境中各个射频源的射频信号对后向散射信号产生的干扰。
36.针对环境后向散射通信系统的自干扰问题，申请人通过研究发现，产生自干扰的主要原因在于：如图1所示，在环境后向散射通信系统中，后向散射标签仅简单的反射与其天线谐振的任何入射信号且绝大多数系统基于低功耗的原则没有设计专用的收发器，只能进行被动通信，所以接收机天线会在相同的信道上接收到射频信号和后向散射信号，且射频信号强度通常远高于后向散射信号强度，从而导致接收机天线不能正确解码出标签调制的信息，严重的自干扰甚至会导致接收机天线无法解调出后向散射信号，再加上，现实生活中的环境射频信号是动态且难以预测的，会对系统中的遗留接收机造成一定的干扰。这种自干扰问题会影响接收端对后向散射信号的解调和解码，从而大大增加了信号误码率。
37.有鉴于此，本技术实施例提供了一种后向散射传感通信系统，用于解决现有的后向散射通信系统受自干扰问题影响接收端对后向散射信号的解调和解码，从而导致信号误码率高的技术问题。
38.为使得本技术的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而非全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
39.请参阅图2，本技术第一个实施例提供的一种后向散射传感通信系统，包括：信号源、后向散射传感节点c以及接收机，其中，所述信号源中设置有信号源天线a，所述接收机中设置有接收机天线b，所述信号源天线a与所述接收机天线b的极化方向相互正交；
40.所述信号源用于发送环境射频信号；
41.所述后向散射传感节点c包括：能量接收天线c1、能量获取模块c2与通信天线c3；
42.所述能量接收天线c1的极化方向与所述信号源的极化方向相同，用于接收所述环境射频信号，所述能量获取模块c2用于将所述环境射频信号转化为射频能量；
43.所述通信天线c3为圆极化天线，用于接收所述环境射频信号，并将所述环境射频信号转换为后向散射信号，再通过后向散射通信将所述环境射频信号转换为后向散射信号发送到所述接收机，以便所述接收机根据接收到后向散射信号进行处理。
44.需要说明的是，实施例提供的后向散射传感通信系统，整体系统及后向散射传感节点c的结构可参阅图2。后向散射传感系统由信号源天线a、后向散射传感节点c和接收机天线b三部分组成。
45.信号源天线a用于发送环境射频信号。后向散射传感节点c用于从环境中获取射频能量后开始工作并通过后向散射通信将传感信息发送到接收机天线b中。接收机天线b接收后向散射信号并解调解码出传感信息。其中，信号源天线a(极化v)和接收机天线b(极化h)的极化方向相互正交，这样做的目的是通过极化隔离的方式避免信号源天线a发出的射频信号干扰接收机天线b所接收的后向散射信号。
46.上述的后向散射传感节点c包括：能量接收天线c1、能量获取模块c2以及通信天线c3，其中，能量接收天线c1：用于接收环境中的电磁波以获得射频能量，且天线的极化类型与信号源天线a极化相同。能量获取模块c2：将能量接收天线c1接收到的射频能量转化为直流能量，转化得到的直流能量可用于为后向散射传感节点c中的其它模块供电，并且具有稳压和能量存储的功能。通信天线c3：本实施例的通信天线c3采用的是圆极化天线，可以用于接收从信号源天线a发出来的环境射频信号，也可以发送后向散射信号给接收机天线b。
47.本技术提供的后向散射传感通信系统通过将信号源天线a和接收机天线b的极化方向以相互正交的方式设置，进而形成信号源天线a与接收机天线b极化隔离的架构，通过极化隔离的方式抑制基于后向散射传感节点c及系统的自干扰，能够有效降低信号误码率，提高系统通信的质量。
48.以上内容便是本技术提供的一种后向散射传感通信系统的基础实施例的详细说明，下面为本技术提供的一种后向散射传感通信系统的另一个实施例的详细说明。
49.请参阅图2和图3，在一些实施例中，进一步地，上述的后向散射传感节点c还包括：应变测量元件c4、放大电路c5与可变电容c6；
50.所述应变测量元件c4、所述放大电路c5、所述可变电容c6依次电连接，所述可变电容c6与所述通信天线c3的输入阻抗元件c7电连接；
51.其中，所述应变测量元件c4用于监测所述后向散射传感节点c的应力应变状态；
52.所述放大电路c5用于对由应力应变状态变化所引起的电信号变化进行信号放大处理；
53.所述可变电容c6用于根据从所述放大电路c5输出的电信号，调节所述可变电容c6的负载参数，以便根据调节后的负载参数对所述后向散射信号进行调制。
54.需要说明的是，导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，这种现象称为“应变效应”。应变测量元件c4是基于应变效应，通过监测应变测量元件c4的参数值的变化可以监测应力应变的发生。本实施例提及的应变测量元件c4优选采用电阻应变片。
55.放大电路c5：用于对应变测量元件c4由于外部应变应力所引起的电容或者电阻值等变化的电信号进行放大，放大电路c5输出的电压，传输到其连接的可变电容c6的控制端。
56.更具体地，本实施例提及的放大电路c5具体为：电桥放大电路c5，可以进一步优选为惠斯通电桥放大电路c5。
57.进一步地，所述惠斯通电桥放大电路c5的电桥结构由若干个应变测量元件c4与第二电阻组成，且所述应变测量元与所述第二电阻的数量和为4。
58.其中，平衡惠斯通电桥如图4所示，当电桥上的四个电阻值一致时称为平衡电桥。惠斯通电桥在工作时需要在a和b之间提供一个工作电压。惠斯通电桥在实际应用中将应变片取代其中一个或者多个电阻，如图5所示，此时电桥处于非平衡状态。当外部应力应变存在时，cd端之间会输出电压u0，计算公式如下：
[0059][0060]
其中，ks是应变率，ε0是应变量，u为电桥电压，rg为应变电阻，即应变片的电阻值，r为固定电阻的阻值，即第二电阻的电阻值。
[0061]
可变电容c6：在可变电容c6的容值控制引脚上加不同的电压，可以使电容呈现不同的容值，增加了后向散射通信的信噪比，同时应力灵敏度装置直接通过电桥电路放大输出后连接到负载电路，实现了根据装置应力应变状态直接调制后向散射信号，使得后向散射传感信息可以无延时发送，从而进一步提高通信质量。
[0062]
更具体地，本实施例提及的输入阻抗元件c7具体为第一电阻，此第一电阻为通信天线c3的输入阻抗；
[0063]
且所述可变电容c6与所述通信天线c3的输入阻抗元件c7电连接，其连接方式具体为：所述可变电容c6与所述第一固定电阻并联。具体如图6所示。
[0064]
进一步地，所述后向散射传感节点c还包括：射频开关与微控制模块；
[0065]
所述射频开关设置在所述可变电容c6与所述通信天线c3之间；
[0066]
所述微控制模块用于控制所述射频开关的通断状态。
[0067]
其中，微控制模块通过控制射频开关的通断以实现信息编码。射频开关：射频开关用于在微控制模块的控制下，控制输入阻抗元件c7是否接入通信天线c3。
[0068]
优选地，所述射频开关具体为单刀双掷开关，所述单刀双掷开关的动端与所述通信天线c3连接，其中一个不动端与地线连接，另一个不动端与所述可变电容c6连接。
[0069]
需要说明的是，射频开关是单刀双掷开关，在微控制器的指令下有规律地在选择通断1-2或者1-3两种状态。在射频开关通断的同时，通信天线c3的阻抗状态在负载(1-2引脚导通)和短路(1-3引脚导通)的两种状态下切换。其中，射频开关与负载电路、天线相连其示意图如附图6所示，在射频开关的连接下，通信天线c3的接入端可以选择两种状态。当开关接到1-2时，通信天线c3会连接到可变电容c6和一个50ω电阻的并联网络中，通信天线c3处于阻抗匹配的状态，对信号源发送的环境射频信号吸收较大，则后向散射信号幅度比较小。当开关接到1-3时，这时通信天线c3连接到地，处于阻抗不匹配的状态，通信天线c3对信号源天线a发送的环境射频信号吸收较少，则后向散射信号的幅度较大。在射频开关的选择过程中，通信天线c3的状态在变化，后向散射信号向外发送。如果应变片收到应力应变，电桥放大电路c5输出的电压会改变可变电容c6的电容值从而改变了通信天线c3的阻抗匹配的程度，后向散射信号的幅度得到调制。接收机天线b收到后向散射信号并根据后向散射信号进行解调得到应力信息，通过解码可以得到应力的大小。系统完成应力监测的传感和通信。系统工作完毕。
[0070]
在整个系统中工作中的能量获取和通信分离，且信号源天线a和接收机天线b之间的自干扰抑制能力强，增加了信噪比。应力灵敏度装置直接调制后向散射信号。系统整体具有高的能量利用率，传感节点实现了无线无源低功耗实时监测应力。
[0071]
在本技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0072]
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的
普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0073]
以上所述，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。