全雙工環境反向散射通信網絡的綠色物聯網

李皎皎，馮 鋒

（寧夏大學 信息工程學院，寧夏 銀川 750021）

0 引 言

物聯網作為一種新興的網路技術，在20世紀90年代便被提出[1]，但是和同一時代提出的幾乎6年就更換一代的移動通信系統相比，物聯網還是處于發展初期。從現在的形式來看，隨著經濟及移動設備的迅速發展，移動通信仍憑其應用之廣和接入之便，不再局限于人與人的溝通，人與物的溝通，而更注重物與物的通信，信息通信將成為維持整個社會生態系統正常運轉的信息大動脈，所以物聯網會是第五代移動通信技術（5G）及未來移動通信系統的關鍵應用場景[2]。并且隨著網絡的快速發展，物聯網將會遍布生活、工作、學習的每個角落[3-5]。

物聯網發展之所以緩慢是其存在一些瓶頸：首先，傳感器的能源，多數傳感器需要存儲式電源，不便捷、需人工維護及不夠可靠；其次，傳感器的成本，部署傳感器確實有利于生活、生產，但其電路及維護成本太高，沒有足夠的利益驅動傳感器和物聯網的發展；再次，物聯網缺乏有效的架構和機制，物聯網最終目標是萬物互通互聯，而大多單位、部門、公司構建各自獨立的物聯網，并沒有真正的實現互聯。學術界針對傳感器的能源問題，興起了對反向散射技術的研究熱潮，并將其作為未來物聯網的關鍵通信技術。反向散射技術有效地保證了低功耗甚至是零功耗的同時提供低速率通信。反向散射通信技術包含應用于射頻識別（RFID）系統的傳統反向散射技術及雙站反向散射、環境反向散射及轉型反向散射技術等新型反射通信技術。

1 RFID系統模型

1.1 RFID系統工作過程

一般情況，典型的RFID 系統包括閱讀器、電子標簽以及數據管理系統三部分[6]，如圖1所示。系統的工作原理主要有兩種方式：電感耦合方式、電磁反向散射耦合方式。兩種信息傳遞過程包括建立應答機制、信號的放射與接收，4 個工作步驟如下[7]：

1）閱讀器由內置發射天線發出一定頻率的射頻（RF）信號，當電子標簽進入天線的工作區域產生感應電流，標簽便獲得能量被激活；

2）電子標簽憑借上一步產生的感應電流將自身編碼等信息通過卡里內置的發送天線發送出去；

3）系統接收發送來的載波信號，經天線調節器傳送到閱讀器，閱讀器對接收到的信號進行解調和解碼后送到后臺數據管理系統進行相關的處理；

4）后臺數據管理系統（PC 端或手機端）進行進一步處理，如根據邏輯運算判斷此卡的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發出指令信號控制執行機構動作。

圖1 RFID 系統的模型Fig.1 Model of RFID system

標簽與閱讀器之間是通過天線架起的空間電磁波傳輸通道，其按照通信距離可分為近場和遠場。相應地，它們之間的數據交換方式分別有負載調制和反向散射調制，本文著重介紹反向散射調制。反向散射調制技術是指無源RFID 射頻標簽將數據發送回閱讀器所采用的通信方式，射頻標簽返回數據方式是通過控制天線的阻抗，而控制射頻標簽天線阻抗的方式有多種，但都是基于一種稱為“阻抗開關”的方式。采用的幾種阻抗開關有變容二極管、邏輯門、高速開關等，其原理如圖2所示。

圖2 標簽阻抗控制方式Fig.2 Mode of label impedance control

其中具有兩種電平的數據信號被發送之后，通過一個簡單的混頻器（邏輯門）與中頻信號完成調制，調制結果連接到一個阻抗開關，由阻抗開關改變天線的反射系數，從而對載波信號完成調制。在整個數據鏈路中，通過用一個發射機，完成雙向的數據通信，這種方式一般適用于高頻、微波工作的遠距離射頻識別系統，典型的工作頻率有 433 MHz，915 MHz，2.45 GHz 和 5.8 GHz，識別作用距離大于1 m，典型作用距離[8]為3～10 m。

1.2 傳統反向散射的能量傳遞

1.2.1 閱讀器到電子標簽的能量傳輸

在距離為R的射頻標簽處的功率密度為：

式中：PRy為閱讀器的發射功率；GTy為發射天線的增益；R為標簽到閱讀器的距離。

與入射波的功率密度成正比的電子標簽所吸收的最大功率，可表示為：

式中，EIRP（等效各向同性輻射功率）為天線有效輻射功率，是指閱讀器發射功率和天線增益的乘積。

1.2.2 電子標簽到閱讀器的能量傳輸

電子標簽返回能力為：

返回閱讀器的功率密度為：

從中可以看出無源RFID 系統標簽通過電磁場供電，標簽功耗越大，讀寫距離越短，性能越差。其標簽能否工作主要由標簽的工作電壓來決定，這便大大限制了無源射頻識別系統的識別距離。

可見傳統反向散射技術缺點明顯，不僅無線信號路徑損耗大，受限于距離，還得需要一個專門的射頻信號，而未來物聯網設備比當下對能源、成本和復雜性有更加嚴格的限制，作為物聯網的關鍵技術——射頻識別技術，無法在無源設備之間進行通信，同時RFID 中存在通信距離短、路徑損耗嚴重以及設備依賴電源等缺點[9]。為克服以上缺點，環境反向散射技術通過反向散射設備（BD）在環境中的射頻載波（例如WiFi，TV 或蜂窩信號）上調制其信息符號，而不使用復雜和耗電的射頻發射器[10]。環境反向散射通信已成為節能、經濟高效的物聯網通信中一種有前途的技術。

2 全雙工環境反向通信網絡（ABCN）系統模型

環境反向散射技術作為正在興起的技術，文獻[11]預計，利用環境反向散射技術將帶來新一代的RFID 革命，加速物聯網的發展。在文獻[12]中，反向散射設備波形和反向散射接收機檢測器共同設計用于抵消來自環境正交頻分復用（OFDM）信號的直接鏈路干擾。在文獻[13]中提出一種全雙工環境反向散射通信系統，其中WiFi 接入點解碼接收到的反向散射信號的同時，將WiFi包傳輸到其傳統客戶端。

2.1 全雙工環境反向通信網絡系統工作過程

本文構建由全雙工接入點、用戶，以及在正交頻分復用載波環境中反向散射設備構建的全雙工環境反向散射通信網絡組成的全雙工環境反向通信網絡系統模型，如圖3所示。

圖3 全雙工環境反向通信網絡系統模型Fig.3 Model of network system of full-duplex environment reverse communication

該系統模型包含有兩個共存的通信系統：一個由全雙工接入點（FAP）和N個反向散射設備組成的環境反向散射通信系統；另一個是由兩條天線（可用于同時進行信息傳輸和接收）、FAP 及其用戶組成的傳統通信系統。本文著重研究環境反向散射通信系統，其中FAP 將正交頻分復用信號發送給用戶，BD 通過其接收的環境中的正交頻分復用載波并將其調制成信號發送回FAP；BD 通過故意切換負載阻抗來調制其接收到的環境中的正交頻分復用載波，改變其反向散射信號的幅度和相位。將FAP 接收的反向散射信號最終解碼，并使用能量收集器收集來自環境中正交頻分復用信號的能量來補充BD 所有模塊供電電池。其中每個BD 內部結構如圖4所示，包含反向散射天線、開關負載阻抗、微控制器、信號處理器、能量采集器及其他模塊，如電池、存儲器、感測。

圖4 反向散射設備內部結構圖Fig.4 Internal structure of backscatter equipment

不同于有線信號、無線信號的傳播受時間、頻率等影響比較大，對于幀的傳輸，由N個時隙組成且每個持續時間T（s）的幀中，FAP 在向用戶發送下行鏈路正交頻分復用信號的同時，并以時分多址（TDMA）方式接收從所有BD 反向散射的上行鏈路信號。幀結構如圖5所示。

圖5 ABCN的幀結構Fig.5 Frame structure of ABCN

時間段τnT（其中時間部分τn的取值為（0≤τn≤1））的第n個時隙被分配給第n個BD，而表示反向散射時間部分矢量在第n個時隙中，BDn反射其部分事件信號，以便將信息傳輸到FAP，并從剩余的事件信號中獲取能量，而所有其他BD只從收到的正交頻分復用信號中收集能量。

2.2 全雙工環境反向散射的能量傳遞

假設圖3為塊衰落信道模型。hl是從FAP到用戶的Lh路徑直接鏈路信道響應；fn，l為從FAP到第n個BD的Lf路徑前向信道響應；gn，l是從第n個BD到FAP的Lg路徑反向信道響應；vn，l是從第n個BD到用戶的Lv路徑干擾信道響應，其中n=1，2，…，N。M是發送的OFDM信號的子載波數量，則對于每個信道，第k個子載波的頻率響應定義為

式中：時間索引t=0,1,2,…,M-1；Pn,k是在第n個時隙中的第k個子載波上分配功率。子載波功率值受到平均功率約束的限制，即其中是所有時隙中的總發射功率。表示子載波功率分配的矩陣其中pn是第n個時隙中的子載波功率分配矢量。

在第n個時隙中，第n個BD的入射信號為其中?表示卷積運算，設為第n個BD 的功率反射系數，并表示向量α=從上述系統模型及文獻[14]得，第n個BD 在所有插槽中的總采集能量為：

在FAP 進行CP 去除和離散傅里葉變換操作后，接收到的頻域信號為：

并且所得到的解碼信噪比（SNR）是：

因此，標準化為T的第n個BD 的吞吐量為：

類似于式（4），用戶接收到的頻域信號可寫為：

式中，?k，n頻域噪聲

與式（7）類似，將反向散射鏈路信號視為干擾，用戶的總吞吐量為：

3 結 論

針對由能源問題致使物聯網發展緩慢這個現狀，研究了兩種反向散射技術：一種是傳統反向散射技術；另一種是環境反向散射技術。通過總結的能量傳遞公式看出，傳統的反向散射技術在RFID 系統中存在路徑損耗嚴重、設備依賴電源以及通信距離短等局限性，為此設計環境OFDM 載波上的全雙工AmBC 網絡。通過分析全雙工環境反向散射的能量傳遞可以看出，該網絡中是通過環境中的射頻（RF）載波傳輸信息，而無需使用RF 發射器；能量收集器收集來自環境中正交頻分復用信號的能量來補充BD 所有模塊供電電池，而不需要額外的儲蓄電池，更加環保和節能，滿足未來物聯網對能源、成本和復雜性的嚴格限制。