关键词：
反向散射通信技术
多天线技术
全双工技术
信号检测
性能分析
摘要：
近年来物联网快速发展,各类感知设备呈指数级增长,由此引发的能量供应问题和频谱竞争问题将制约物联网的大规模部署和应用。低功耗反向散射通信技术的出现为物联网带来了新的机遇。基于低功耗反向散射通信技术的无源反射设备能够将环境中的射频(Radio Frequency,RF)信号作为能量来源,利用无线能量传输技术进行无线充电,延长物联网设备的生命周期。同时,环境中的RF信号也作为载波信号,供无源反射设备通过简单的阻抗调制传输其自身信息,因此实现了低功耗通信和频谱共享。对无源反射设备所感知的信息的高效传输和准确检测是实现低功耗反向散射通信系统的核心与关键。然而无源反射设备具有低吸能和弱蓄电的双重限制,只能间歇性的工作,降低了整个系统的传输效率。而RF源信号的不可预知性、背景噪声的随机波动性和信道的不确定性也为反射信号检测带来了重大挑战。为解决这两个问题,本文提出了多天线无源反射设备和全双工反射信号接收机,前者支持无线能量采集和反向散射通信的同步进行,降低了无源反射设备的等待时延,后者则支持信号的同发同收,降低了端到端时延和反馈时延。在反射信号检测的层面上,多天线无源反射设备所传输的信号具有显著的能量差异,可以用于设计无需RF源信号发送功率、背景噪声能量和信道的先验知识的盲检测算法,而全双工反射信号接收机具有自发自收的特性,可以降低各个参数的估计难度。本文将围绕基于多天线无源反射设备和基于全双工反射信号接收机的低功耗反向散射通信系统,以设计低复杂度的反射信号架构和高准确性高鲁棒性的反射信号检测算法为目标,采用模型构建、参数优化、理论分析、性能评估和仿真验证等手段展开研究。论文的创新性工作主要包括如下几个方面:(1)基于能量检测的反射信号半盲检测。针对基于多天线无源反射设备的低功耗反向散射通信系统,考虑到反向散射通信系统与原有通信系统存在兼容但不互通的通信关系,反射信号接收机难以获得多天线对应的反射链路信道矩阵,本文改进了传统能量检测,基于卡方检验设计了一种无需反射链路信道状态信息的半盲检测算法,其中检测阈值的推导仅需RF源信号发送功率、噪声方差和直接链路信道信息。在此基础上,推导了该算法的检测性能的上下界,并以最大化检测性能为目标设计了最优反射天线选择方案,推导了可达最优检测性能。仿真结果表明,与传统能量检测相比,所提算法可有效解决未知反射链路信道情况下的反射信号检测问题。(2)基于广义似然比检验的反射信号盲检测。考虑到RF源信号的不可预知性和背景噪声的随机波动性,本文通过改进广义似然比检验提出了一种无需RF源信号发射功率、噪声方差及所有信道信息的反射信号盲检测算法。由于传统广义似然比检验无法推导出有效检测统计量,不适用于多天线反射信号检测,本文设计了一种特殊多天线反射架构,重新构建接收信号的协方差矩阵,挖掘多组接收信号的协方差矩阵的共同特性,推导出一种仅需协方差矩阵的最大似然估计的特征值的有效检测统计量。在此基础上,推导该检测统计量的近似分布,进而计算检测阈值和近似检测概率,并以最大化检测性能为目标,设计了一种最优反射天线选择方案。最后通过仿真验证了特殊多天线反射架构各参数对检测性能的影响,证明了所提盲检测算法和最优反射天线选择方案的有效性。(3)基于方差齐次性检验的反射信号盲检测。考虑到特殊多天线反射架构的局限性,本文将其扩展为通用多天线反射架构,此时广义似然比检验不再适用。为此本文进一步分析了接收信号的方差特性,即无源反射设备处于“吸收”状态时,接收信号方差在一个时隙内保持不变,而当无源反射设备处于“反射”状态时,接收信号方差随天线切换而变化。基于此,本文利用方差齐次性检验设计了两种多天线反射信号盲检测算法,并推导了其检测性能的上下界,继而以最大化检测性能为目标,利用能量分析的方法设计了最优反射天线选择方案,给出了可达最优检测性能。仿真结果表明,所提算法不仅适用于通用多天线反射架构下的反射信号盲检测,且性能优于基于广义似然比检验的盲检测算法。(4)基于全双工的反射信号检测。在基于全双工反射信号接收机的低功耗反向散射通信系统中,由于收发天线距离较近,反射信号接收机在接收反射信号的同时,也会收到强烈的自干扰信号。本文采用“重建+抑制”机制去除自干扰信号,设计了一种集导频信号与载波信号于一体的反射架构,其中导频信号用于自干扰链路信道估计,载波信号用于自干扰信号消除和无源反射设备信息传输。然而信道估计误差会导致自干扰信号消除误差,进而影响反射信号检测性能。本文针对自干扰信号消除误差已知和未知的情况分别设计了最大似然检测器,并推导了误码率和系统吞吐量。最后通过仿真证明了所提出的自干扰消除方案可有效避免全双工反射信号接收机的自干扰,并权衡了导频信号长度与载频信号长度之间的关系。
