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环境反向散射系统的模型搭建和误码率分析

环境反向散射系统的模型搭建和误码率分析

作者：马振北京交通大学

学位级别：硕士

随着信息化时代的到来,科技的发展与互联网的普及,物联网(Internet Of Things,IOT)作为信息技术的重要组成部分逐渐成为社会关注的焦点。物联网,顾名思义,就是通过互联网将物与物相连。作为物联网的关键技术,射频识别(Radio Frequency I... 详细信息

随着信息化时代的到来,科技的发展与互联网的普及,物联网(Internet Of Things,IOT)作为信息技术的重要组成部分逐渐成为社会关注的焦点。物联网,顾名思义,就是通过互联网将物与物相连。作为物联网的关键技术,射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术也日益受到社会的青睐。射频识别通过无线电识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。但是由于射频识别技术中,无源设备之间无法进行通信,也就无法实现真正的物联网。同时射频识别技术中存在通信距离短、路径损耗严重以及设备依赖电源等缺点,这些缺点一直制约着射频识别技术的发展。幸运的是,近年来基于射频识别技术衍生的环境反向散射技术在系统研制和技术实现方面取得了里程碑式的突破。环境反向散射技术是利用周围环境中的信号(如电视广播信号、手机信号、WiFi等)来创建新型的网络通信方式。其通过反向散射环境中普遍存在的无线电信号,达到能量采集和信号传输的目的。一方面可以使通信设备摆脱对电源的依赖,另一方面也有效地延长了通信的距离。环境反向散射技术还可以支持节点之间的点对点通信,充分扩展了射频识别技术应用的空间范围和部署规模。环境反向散射技术也凭借其新颖性和无源性,吸引了众多学者的关注和研究。本文基于环境反向散射技术,构建了两种新型的无线通信系统模型,分别是多天线系统模型和多标签系统模型,并分别描述了两种系统模型的通信过程,制定了对应的通信协议。通过对两种通信系统模型进行符号化数学建模,本文对系统模型进行了理论分析,并结合估计检测方法给出了评价这两种系统模型性能的误码率(BER)的计算方法。最后本文对两种系统的通信过程进行了仿真,分别计算了误码率的仿真结果和理论结果。通过理论结果和仿真结果的对比,我们验证了文中给出的系统模型的有效性,以及误码率计算的正确性。

关键词：环境反向散射物联网自动识别射频识别信号检测误码率

多标签环境反向散射辅助NOMA系统性能分析

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吉林大学学报(工学版) 2023年

作者：黄海燕张宁梁琳琳王春丽张学军西安电子科技大学网络与信息安全学院兰州交通大学电子与信息工程学院

本文考虑多标签环境反向散射与非正交多址接入技术相结合的通信系统。首先，在多标签的基础上提出了一种最佳标签选择方案，即在基站与远用户之间放置的M个标签中选择出接收信噪比最大的标签进行传输，分析M个标签对远用户中断性能的影... 详细信息

本文考虑多标签环境反向散射与非正交多址接入技术相结合的通信系统。首先，在多标签的基础上提出了一种最佳标签选择方案，即在基站与远用户之间放置的M个标签中选择出接收信噪比最大的标签进行传输，分析M个标签对远用户中断性能的影响。其次，在近用户端分析采用理想和非理想连续干扰消除对近用户中断性能产生的差异。推导了用户的精确和渐近中断概率以及吞吐量表达式，并证明远用户和近用户均可以获得全分集阶数。最后，通过仿真验证了理论分析的正确性，得到了标签数量、非理想SIC的残余干扰系数和目标速率等关键参数对用户性能的影响，当标签数量M=5，信噪比γ=-28dB时，其他参数保持不变，远用户的中断性能比单标签提升约10%。

关键词：通信技术环境反向散射多标签非正交多址接入连续干扰消除

基于环境反向散射的无线携能通信系统性能研究

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基于环境反向散射的无线携能通信系统性能研究

作者：周静广西民族大学

学位级别：硕士

随着物联网和无线通信技术的发展,海量的无线设备会被部署到无线通信网络中,以实现人与人、人与物、物与物间的通信和数据处理。海量的连接需要大量的能源和频谱资源支撑。环境反向散射(Ambient Backscatter,AB)技术可以利用环境中现存... 详细信息

随着物联网和无线通信技术的发展,海量的无线设备会被部署到无线通信网络中,以实现人与人、人与物、物与物间的通信和数据处理。海量的连接需要大量的能源和频谱资源支撑。环境反向散射(Ambient Backscatter,AB)技术可以利用环境中现存的无线信号作为载波信号通过标签将自身信号散射出去,不需要额外的频谱资源和能量,具有低能耗的优势。同时,无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术能从射频信号中收集能量为系统所用,能有效缓解系统的供能压力。因此,将AB与SWIPT技术相结合,将极大地降低通信系统的能耗。此外,非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术能有效提升频谱效率,因而广泛使用在SWIPT系统中。本文针对基于AB的SWIPT通信系统,应用协作中继和NOMA技术,以提高系统的可靠性和有效性。主要工作内容如下:(一)针对基于AB的SWIPT协作中继系统,考虑通过散射链路协助中继节点与次要节点进行通信,对中继系统(主系统)和环境反向散射系统(次系统),分别推导了中断概率的封闭表达式,分析了不同的系统参数对系统性能的影响,并通过仿真验证理论推导的正确性。为了体现AB技术为系统带来的性能增益,与传统SWIPT协作中继网络进行比较,结果表明,基于AB的SWIPT协作中继系统在系统吞吐量、能量效率等性能上得到了显著的提升。(二)针对基于AB的SWIPT-NOMA系统,考虑到NOMA系统中近用户分配到的功率较少,通过散射链路协助近用户通信,推导出了远、近用户中断概率的封闭表达式,分析了不同参数对系统中断性能的影响,并通过仿真实验验证理论推导的正确性。另一方面,比较了AB-SWIPT-NOMA通信系统与SWIPT-NOMA通信系统和SWIPT-OMA通信系统的性能,结果表明,NOMA技术能有效的提高通信可靠性,环境反向散射技术能有效提高系统的能量效率。

关键词：环境反向散射无线携能通信非正交多址中断概率吞吐量能量效率

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基于聚类分析的多天线标签环境反向散射系统

太原理工大学学报 2021年第6期52卷 913-919页

作者：岳恒赵菊敏李灯熬太原理工大学信息与计算机学院山西晋中030600 太原理工大学大数据学院山西晋中030600 山西省空间信息网络工程技术研究中心山西晋中030600

针对单天线标签环境反向散射通信系统无法适用于实时性要求高的问题,设计了一种多天线标签环境反向散射通信系统模型。该模型利用多个天线同时通信以提高通信速率,并且为了减少标签之间的干扰,使三天线标签使用双频段工作,即能量收集天... 详细信息

针对单天线标签环境反向散射通信系统无法适用于实时性要求高的问题,设计了一种多天线标签环境反向散射通信系统模型。该模型利用多个天线同时通信以提高通信速率,并且为了减少标签之间的干扰,使三天线标签使用双频段工作,即能量收集天线拟工作在415 MHz频段,数据通信天线拟工作在825 MHz频段,以减小两种天线之间的干扰,并提出一种改进的K-Means聚类分析(K-Means-Q)算法进行信号检测。仿真实验表明,提出的系统模型通信速率提高了1倍,对多天线标签环境反向散射通信系统的两种信号检测的算法进行对比,验证了算法的性能。

关键词：环境反向散射 K-Means-Q 多天线标签信号检测

基于能量收集的环境反向散射通信联合优化算法设计

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计算机应用与软件 2021年第4期38卷 117-123页

作者：陈珍珍冀保峰李玉琦韩影李春国文红河南科技大学信息工程学院河南洛阳471000 电子科技大学航空航天学院四川成都611731 东南大学移动通信国家重点实验室江苏南京210096

针对环境反向散射通信系统,设计两跳无线信息和能量传输方案并基于能效最大化准则给出联合优化算法。源端配置多天线并采用最大比发送(Max Ratio Transmission,MRT)预编码方法,中继节点使用功率分流法以完成信息发送与能量收集。基于系... 详细信息

针对环境反向散射通信系统,设计两跳无线信息和能量传输方案并基于能效最大化准则给出联合优化算法。源端配置多天线并采用最大比发送(Max Ratio Transmission,MRT)预编码方法,中继节点使用功率分流法以完成信息发送与能量收集。基于系统传输模型,对源端天线数和发送功率采用联合优化算法以得到系统最大能效。借助高信噪比近似法进行非凸向凸的转化以解决优化目标中非凸问题。此外,利用Lambert W函数得到源端天线数和发送功率联合优化的最优解。仿真结果验证了所提方案的有效性和正确性。

关键词：环境反向散射能效联合优化凸优化

基于环境反向散射的无源无线通信系统研究与实现

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基于环境反向散射的无源无线通信系统研究与实现

作者：占小波东华理工大学

学位级别：硕士

环境反向散射技术是一种近期出现的新型通信方式,设备之间通过反向散射环境中的射频信号,把这些射频信号作为载波来实现无线通信。随着物联网技术的发展,大规模无线传感器网络的传感器节点和微型嵌入式设备的体积越来越小,数量越来越多... 详细信息

环境反向散射技术是一种近期出现的新型通信方式,设备之间通过反向散射环境中的射频信号,把这些射频信号作为载波来实现无线通信。随着物联网技术的发展,大规模无线传感器网络的传感器节点和微型嵌入式设备的体积越来越小,数量越来越多。为这些数量庞大的微型化设备供电,日常维护以及无线通信的问题越来越棘手,传统的电池和交流电供电的方案通常行不通。本文研究的无源无线通信系统把环境中的射频信号作为能量源,利用环境反向散射技术实现无源设备之间的无线通信,摆脱了对电池和交流电的依赖。该系统可以使得微型嵌入式设备的通信硬件成本和维护成本大大降低,能极大地促进物联网的推广和应用。因此,对无源无线通信系统的研究具有重要意义。本文针对如何提高无源无线通信系统的能量收集效率、通信速率和通信距离进行了深入研究,主要研究内容如下:(1)研究了环境电磁波能量收集基本原理,并根据阻抗匹配原理,利用Smith圆图等工具设计了天线与负载端的阻抗匹配电路。分析并建立了一种N级RF-DC电荷泵升压整流电路的理论模型,根据二极管的等效模型对该电路的输出电压、转换效率与电荷泵级数的关系进行分析,并利用MATLAB进行仿真。最后设计了一个5级RF-DC电荷泵升压整流电路并进行测试,能量收集效率最高达到51%。(2)研究了环境反向散射技术数据传输和调制的原理及其能量传递过程,完成了射频开关的测试和选型,以TI公司的MSP430G2553为控制芯片设计了无源发射器,并对环境反向散射信号强度进行测试,信号强度约0.7dBm。(3)提出了一种超低功耗多天线解码算法,详细分析了该算法的理论模型,并在不使用大功率的器件时,在模拟域中完成了算法的硬件实现。以该算法为核心设计了无源接收器,完成了硬件电路设计,并对无源接收器硬件电路进行了仿真和测试。最后,搭建了无源无线通信系统测试平台,对通信速率和通信距离进行测试,结果表明:本文提出的算法能使得通信速率从1kbps提高到50kbps,通信距离从2.5英尺提高到6英尺。

关键词：环境反向散射无源无线通信物联网能量收集射频识别RFID

基于环境反向散射技术的信号检测与性能分析研究

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基于环境反向散射技术的信号检测与性能分析研究

作者：卢康北京交通大学

学位级别：硕士

随着互联网的普及和发展,网络已经渗透到日常生活中的点点滴滴。人们如今不再单纯地进行人与人之间的网络通信,而越来越迫切地需要与物体保持网络联系,这就是物联网(Internet Of Things, IOT)日益蓬勃发展的原因。作为物联网的核心技术... 详细信息

随着互联网的普及和发展,网络已经渗透到日常生活中的点点滴滴。人们如今不再单纯地进行人与人之间的网络通信,而越来越迫切地需要与物体保持网络联系,这就是物联网(Internet Of Things, IOT)日益蓬勃发展的原因。作为物联网的核心技术,射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术依靠其便捷性与可靠性,在军事领域与商业领域迅速蔓延。射频识别利用射频信号在空间耦合,实现无接触信息传递。但随着人们对物联网迫切需求的不断升温,射频识别面临着通信距离短,路径损耗大以及射频能源浪费等诸多发展问题。而环境反向散射(Ambient Backscatter)技术在一定程度上解决了这些难题。该技术是射频识别发展所衍生出来的一项新技术,其新颖性与节能性使得它在研究领域引起广泛关注。环境反向散射技术利用周围环境中现有信号,包括电视信号和Wi-Fi信号等,实现射频供电设备的无线通信。该技术通过电子标签反射与不反射两种状态,来完成设备之间数据的传输。基于该技术的无线通信系统在能量采集、接入方式、信道估计、信号检测、信道编码、分集方式和资源分配等方面与现有的无线通信系统存在很大差异。这表明已有的经典的信道估计理论和信号检测理论不可直接应用于环境反向散射通信系统,即环境反向散射通信系统缺乏系统完善的信道估计和信号检测理论,检测误比特率(BER)等性能也有待理论分析和实践验证。信道估计和信号检测理论是环境反向散射通信系统物理层的两大关键技术,是环境反向散射通信系统核心问题之一。本文对环境反向散射无线通信系统进行信道估计,并研究一种信号检测方法。该检测方法是根据环境反向散射系统特别设计的,依据用户需求提供不同的优化结果,能实现误比特率的最优或者保证电子标签不同情况下的误比特率相等。本文从理论和仿真来对该检测方法进行提出和验证。本文根据现有环境反向散射技术搭建理论模型,模拟系统的通信过程,对通信过程中信号的概率分布进行分析,并提出两种检测门限值。最后,本文通过仿真对比,分析系统上行链路的性能,验证文章提出的理论及检测方法。

关键词：环境反向散射射频识别物联网信号检测误比特率性能分析

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基于Wi-Fi信号的环境反向散射技术分析

电子技术应用 2020年第12期46卷 43-47,52页

作者：成刚上海诺基亚贝尔股份有限公司上海200127

环境反向散射技术给物联网低功耗设备部署的商业化带来了新的技术方案。首先简要概述反向散射技术的分类和基本特点,然后基于Wi-Fi信号下的环境反向散射技术,分析反向散射的设备通过接收Wi-Fi报文及反射信号来传递信息的可行性,讨论设... 详细信息

环境反向散射技术给物联网低功耗设备部署的商业化带来了新的技术方案。首先简要概述反向散射技术的分类和基本特点,然后基于Wi-Fi信号下的环境反向散射技术,分析反向散射的设备通过接收Wi-Fi报文及反射信号来传递信息的可行性,讨论设备实现Wi-Fi双向通信的硬件框架和软件模块结构,介绍反向散射技术的应用场景,并归纳该技术的挑战和改进方向。最后展望了基于Wi-Fi信号的环境反向散射技术的发展趋势和研究方向。

关键词：环境反向散射物联网射频识别信道状态信息

物联网中的环境反向散射技术——反向散射信道统计特性研究

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物联网中的环境反向散射技术——反向散射信道统计特性研究