岳 恒，趙菊敏，李燈熬

(1.太原理工大學(xué) a.信息與計算機(jī)學(xué)院，b.大數(shù)據(jù)學(xué)院，山西 晉中 030600；2.山西省空間信息網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)研究中心，山西 晉中 030600)

物聯(lián)網(wǎng)的普及和反向散射技術(shù)的發(fā)展給我們的日常生活帶來了便利。由于電子標(biāo)簽與閱讀器之間的通信距離較短，極大地限制了反向散射技術(shù)的發(fā)展。環(huán)境反向散射技術(shù)(ambient backscatter technology，ABT)的出現(xiàn)推動了反向散射技術(shù)的發(fā)展，開辟了物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的一個全新領(lǐng)域[1]。ABT是一種新的射頻識別技術(shù)，它利用周圍環(huán)境中的現(xiàn)有信號進(jìn)行通信[2-3]。在環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)(ambient backscatter communication system，ABCS)中，標(biāo)簽和閱讀器之間的通信不需要閱讀器產(chǎn)生極其耗電的載波信號，標(biāo)簽可以通過反射周圍的無線電波(如電視塔或WiFi信號)。因此，ABCS可以看作是一種新的頻譜共享模式，但目前只有相關(guān)實驗驗證了其可行性，相關(guān)的理論研究還有待完善[4-5]。

本文主要研究ABCS中多天線標(biāo)簽信號檢測的問題，提出了一種新的ABCS模型，針對K-Means算法存在的不足，根據(jù)時間的相關(guān)性，提出了一種基于隊列的方式來計算聚類中心的K-Means-Q(Queue ofK-Means)算法，降低了誤碼率。與其他研究人員使用的方法不同，該方法可以避免檢測時的信道估計。由于信道估計是消耗功率的，因此本文提出的方法可以降低功率壓力。理論分析表明，新模型提高了信號通信速率。

1 相關(guān)工作

在ABCS中，閱讀器接收兩種類型的信號：直接鏈路信號和反向散射信號。因此，ABCS中的關(guān)鍵問題是如何從強(qiáng)干擾信號中分析出弱反向散射信號。一些現(xiàn)有方法使用直接鏈路信號作為背景噪聲的一部分[1，6-7]。在文獻(xiàn)[1]和[6]中，能量檢測器用于檢測后向散射信號。在文獻(xiàn)[7]和[8]中，提出了最大似然檢測差分調(diào)制。近年來，干擾消除技術(shù)被應(yīng)用于ABCS閱讀器的設(shè)計[9-13]。在文獻(xiàn)[9]和[10]中，使用正交頻分復(fù)用(OFDM)信號的復(fù)雜結(jié)構(gòu)來消除直接鏈路干擾。在文獻(xiàn)[14]中，提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的ABCS信號檢測方法。該方法直接提取接收信號的特征，通過無監(jiān)督學(xué)習(xí)對接收信號進(jìn)行分類，實現(xiàn)信號檢測。此外，通過發(fā)送前導(dǎo)來輔助信號檢測，不需要估計信道系數(shù)和噪聲功率。文獻(xiàn)[15]提出了一種降低標(biāo)簽在不同編碼模式下誤碼率的理論模型。文獻(xiàn)[11]設(shè)計了一種雙天線接收機(jī)模型，通過計算雙天線接收信號的幅度比來抵消射頻源信號的影響。在文獻(xiàn)[16]中，提出了一種閱讀器中具有多個天線的ABCS.由于標(biāo)簽只反射信號，當(dāng)使用多個天線時，信號將通過功率分配進(jìn)行傳輸。在閱讀器處，首先通過接收的信號檢測較高功率的信號。接下來，通過使用第一檢測到的信號來檢測來自其他天線的信號。由于ABT通常使用能量檢測，因此其具有較低的通信速率。在文獻(xiàn)[17]中，設(shè)計了一種多天線標(biāo)簽系統(tǒng)模型，閱讀器不需要知道射頻信號功率和信道狀態(tài)信息，僅使用盲檢波器來恢復(fù)標(biāo)簽信號。

對于ABT的研究，現(xiàn)有的設(shè)計都是在降低信號傳輸速率的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但均不適合實時性要求較高的場合。因此，本文中詳細(xì)介紹一種提高ABCS傳輸速率的可行方案以及ABCS信號檢測的算法。

2 多天線標(biāo)簽環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)模型

MTABCS模型如圖1所示。系統(tǒng)包含環(huán)境中的射頻源(如無線網(wǎng)絡(luò)基站、電視塔等)、標(biāo)簽(Tag)和閱讀器(Reader)。其中標(biāo)簽帶有3個天線，天線1與天線2用來與閱讀器通信，由于多天線同時通信，其能耗較高，因此需要采用單個天線從環(huán)境中采集能量，使天線3負(fù)責(zé)從環(huán)境中獲取能量。

圖1 多天線標(biāo)簽環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)通信模型Fig.1 Multi-antenna tag ambient backscatter communication system communication model

2.2 多天線標(biāo)簽的整體框架

多標(biāo)簽天線的整體框架如圖2所示，其主要包含通信模塊、能量采集模塊、MCU以及各類傳感器4部分。由于多天線標(biāo)簽采用天線1和天線2與閱讀器通信，因此，通信模塊包含兩組通信通道。

在MTABCS中，三天線標(biāo)簽工作原理為天線3接收來自環(huán)境中的電磁波信號，通過感應(yīng)電路產(chǎn)生感應(yīng)電流，并將產(chǎn)生的能量存儲在儲存單元中。天線1和天線2負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)反射，其中反射數(shù)據(jù)需要的能量由天線3供給。多天線標(biāo)簽工作原理與單天線標(biāo)簽的主要區(qū)別在于多天線標(biāo)簽使用兩個天線進(jìn)行并行傳輸，以提高通信速率，并且為了減少標(biāo)簽之間的干擾，使三天線標(biāo)簽使用雙頻段工作，即能量收集天線3擬工作在415 MHz頻段，數(shù)據(jù)反射天線1和天線2擬工作在825 MHz頻段，以減小兩種天線之間的干擾。天線1和天線2傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分配由MCU控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)并行傳輸并在閱讀器端進(jìn)行解碼以提高整個系統(tǒng)的通信速率。

圖2 多天線標(biāo)簽的整體框架Fig.2 Whole frame of multi-antenna tag

2.3 信道感知

MTABCS模型利用多天線標(biāo)簽來提高AmBC系統(tǒng)的通信速率。因此閱讀器需要對接收到的信號進(jìn)行檢測和對來自標(biāo)簽的兩個天線的反射信號進(jìn)行解碼。由于閱讀器接收的信號較為復(fù)雜，且信號信道響應(yīng)不同，傳統(tǒng)的信號檢測的方法比如平均化功率、閱讀器多天線對比、非相干檢測器以及盲均衡檢測器等算法不適用于MTABCS模型，因此提出基于聚類分析算法的信號檢測方法實現(xiàn)信號的解碼。

如圖1，設(shè)射頻信號源x(t)=Asin(2πft+φ0)，多天線標(biāo)簽按照其碼元信號B1(t)和B2(t)分別控制其天線1與天線2的反射與不反射，其中B1(t),B2(t)∈{0,1}.因此接收設(shè)備接收到的信號y(t)是被B1(t)和B2(t)調(diào)制后的電視塔信號。設(shè)射頻信號源與多天線標(biāo)簽天線1之間的信道響應(yīng)為l1，射頻信號源與多天線標(biāo)簽天線2之間的信道響應(yīng)為l2，射頻信號源與閱讀器之間的信道響應(yīng)為h，多天線標(biāo)簽天線1與閱讀器之間的信道響應(yīng)為g1，多天線標(biāo)簽天線2與閱讀器之間的信道響應(yīng)為g2，多天線標(biāo)簽天線1的功率反射系數(shù)為α1，多天線標(biāo)簽天線2的功率反射系數(shù)為α2.

根據(jù)上述的描述可知，多天線標(biāo)簽天線1從環(huán)境中接收到的射頻信號x1(t)可以表示為：

x1(t)=l1Asin(2πft+φ1) .

(1)

式中：φ1表示相移。多天線標(biāo)簽天線2從環(huán)境中接收到的射頻信號x2(t)可以表示為：

x2(t)=l2Asin(2πft+φ2) .

(2)

式中：φ2表示相移。由于存在相移，因此閱讀器接收到的來自多天線標(biāo)簽天線1的射頻信號c1(t)可以表示為：

c1(t)=α1B1(t)g1l1Asin(2πft+φ11) .

(3)

同理閱讀器接收來自多天線標(biāo)簽天線1的射頻信號c2(t)可以表示為：

c2(t)=α2B2(t)g2l2Asin(2πft+φ22) .

(4)

式中：φ11和φ22分別表示相移。因此接收機(jī)接收到的多天線標(biāo)簽的信號c(t)可以表示為：

c(t)=c1(t)+c2(t) .

(5)

由于存在相移，閱讀器接收到來自射頻信號源的信號q(t)可以表示為：

q(t)=hAsin(2πft+φq).

(6)

其中φq表示相移。由于閱讀器同時接收來自射頻信號源的信號和多天線標(biāo)簽反射的信號，因此閱讀器接收到的信號y(t)可以表示為：

y(t)=q(t)+c(t)+w(t) .

(7)

其中的w(n)是功率為σ2的加性高斯白噪聲，即w(t)～N(0,σ2).

3 多天線標(biāo)簽環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)的信號檢測

3.1 信號檢測理論分析

本文研究多天線標(biāo)簽AmBC系統(tǒng)的信號檢測則是根據(jù)閱讀器接收的信號y(t)還原出多天線標(biāo)簽兩個天線的反射狀態(tài)，進(jìn)而推導(dǎo)出標(biāo)簽的碼元信息。

由公式(7)得到y(tǒng)(t)可以表示為：

y(t)=hAsin(2πft+φq)+α1B1(t)g1l1Asin(2πft+
φ11)+α2B2(t)g2l2Asin(2πft+φ22)+w(t) .

(8)

多天線標(biāo)簽兩個天線的碼元B1(t),B2(t)∈{0,1}并行傳輸時，在接收端收到的信號相應(yīng)有4種狀態(tài)，根據(jù)B1(t)和B2(t)不同的取值，可以得到公式(9).由和差公式，公式(9)可以簡化表示公式(10).

(9)

(10)

不考慮噪聲的干擾，即理想情況下y(t)可以表示為：

(11)

為求其對應(yīng)系數(shù)，用cos(2πft)乘公式(11)兩邊可得公式(12).對公式(12)兩邊積分得公式(13).其中T為射頻源信號的周期，可對應(yīng)求得：b11、b10、b01、b00.同理使用sin(2πft)乘公式(11)兩邊并對其進(jìn)行積分，并求得：a11、a10、a01、a00.將有序數(shù)對(a11，b11)、(a10，b10)、(a01，a01)、(a00，b00)與平面直角坐標(biāo)系上的4個不同的點相對應(yīng)，解碼B1(t)和B2(t).

(12)

(13)

3.2 基于K-Means-Q聚類分析算法的信號檢測

K-Means算法是ABCS中常用的信號檢測算法，相比于其他信號檢測算法性能優(yōu)越，其在進(jìn)行聚類時所有數(shù)據(jù)是等權(quán)參與運(yùn)算的，即每個簇的聚類中心是根據(jù)所有屬于該簇的點來更新的。當(dāng)信道狀態(tài)發(fā)生變化時，這樣的處理方式會導(dǎo)致較高的誤碼率，其魯棒性較差。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，針對K-Means算法存在的問題，考慮到在實際場景中，當(dāng)前時刻的信道狀態(tài)往往與其鄰近時刻的信道狀態(tài)相關(guān)性較大，與非鄰近時刻的信道狀態(tài)相關(guān)性較小，提出一種基于隊列的方式來計算聚類中心的K-Means算法，稱之為K-Means-Q算法。其主要是利用4個隊列來分別存儲最新收集到的固定數(shù)量數(shù)據(jù)，在更新每個簇的聚類中心時只有相對應(yīng)的隊列中的數(shù)據(jù)參與運(yùn)算，這就避免了由于所有數(shù)據(jù)都參與聚類中心的更新而引發(fā)的系統(tǒng)穩(wěn)定性變差的問題。

具體而言，基于K-means-Q聚類分析算法的信號檢測步驟如下。

輸入：輸入信號IQ域圖集Ti={L(1),…,L(NoC×4),D(1),…,D(NoD)}，其中Ti為Li和Di之和，Li={L(1),…,L(NoC×4)}是循環(huán)NoC次的前導(dǎo)碼對應(yīng)的IQ域圖上的點，Di={D(1),…,D(NoD)}是標(biāo)簽發(fā)送NoD次的碼元數(shù)據(jù)對應(yīng)的IQ域圖上的點；長度為m的4個隊列M1、M2、M3、M4，對應(yīng)存儲屬于簇的最近的m個數(shù)據(jù)點。

裁判的判罰會偶爾失誤，判罰錯誤或誤判，這種失誤有時會影響運(yùn)動員比賽的心情，更嚴(yán)重時候，如在關(guān)鍵分時候，有可能會改變比賽的結(jié)果。

輸出：4個簇中心c1、c2、c3和c4，以及每一個碼元數(shù)據(jù)Di對應(yīng)的解碼值，滿足SSE收斂。

1) 由于已知前導(dǎo)碼碼元信息，可以將Li={L(1),…,L(NoC×4)}對應(yīng)到不同的聚類集C1、C2、C3、C4中。

2) 利用平均值法

分別計算每個聚類中的聚類中心c1、c2、c3和c4.

3) 將步驟2計算的4個聚類中心c1、c2、c3和c4分別存儲到對應(yīng)的隊列M1、M2、M3、M4當(dāng)中。

4) 計算碼元數(shù)據(jù)D到四個簇的聚類中心的歐幾里的度量，對于度量較短的，便將其分類到對應(yīng)簇Ci中。

5) 判斷分類成功的數(shù)據(jù)對應(yīng)的隊列Mi是否已經(jīng)滿，如果Mi已經(jīng)滿，則將隊首的數(shù)據(jù)移除，并將數(shù)據(jù)D放入到隊列Mi的隊尾。如果Mi未滿，則將數(shù)據(jù)D直接放入到隊列Mi的隊尾。

6) 利用隊列Mi重新計算簇Ci的聚類中心ci，

|Mi|為隊列的有效長度，mx為屬于Mi中的數(shù)據(jù)點。

7) 循環(huán)步驟4、5、6，直到碼元數(shù)據(jù)D判斷完成。

8) 輸出4個簇的聚類中心c1、c2、c3和c4，以及每一個碼元數(shù)據(jù)Di對應(yīng)的解碼值。

4 仿真實驗

仿真方式驗證本文設(shè)計的基于多天線標(biāo)簽的AmBC系統(tǒng)通信速率的高效性，將本系統(tǒng)使用的K-Means-Q算法與ABCS中常用的K-Means算法進(jìn)行性能比較。在仿真實驗中，設(shè)定射頻源信號頻率為450 MHz，前導(dǎo)碼信號是00011011碼，重復(fù)10次，數(shù)據(jù)信號是隨機(jī)生成的，長度為1 000 bit，信噪比設(shè)置為5.

圖3顯示了射頻源信號、標(biāo)簽信號和閱讀器接收信號的波形。圖3(a)是射頻源信號，圖3(b)和圖3(c)是由標(biāo)簽天線1和2發(fā)送的前同步碼信號和數(shù)據(jù)信號。圖3(d)是讀取器接收的信號，其包括射頻源信號和標(biāo)簽反射信號。

圖3 射頻源信號、標(biāo)簽信號和閱讀器接收信號波形圖Fig.3 Waveform of radio frequency source signal, tag signal,and reader received signal

閱讀器接收到的信號是射頻源信號和標(biāo)簽反射信號的混合信號，利用K-Means算法進(jìn)行解碼。由于系統(tǒng)模型為標(biāo)簽雙天線通信，因此算法的分簇中心數(shù)K設(shè)置為4、前導(dǎo)碼重復(fù)數(shù)設(shè)置為10.圖4為利用K-Means聚類算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分類的星座圖。圖4(a)展示了1 000個數(shù)據(jù)集的原始分布，通過K-Means聚類分析算法后得到圖4(b).從圖中可以發(fā)現(xiàn)，K-Means聚類算法對整體信號數(shù)據(jù)處理效果較好，給出了4個明顯的聚類中心，但是對于一些邊緣離群點的處理較差，比如圖4(b)中被圈住的多個數(shù)據(jù)點，容易出現(xiàn)分類錯誤，這說明該算法存在部分不穩(wěn)定性，誤碼率較高。

圖4 聚類分析算法前后數(shù)據(jù)分布圖Fig.4 Data distribution diagram before and after cluster analysis algorithm

利用K-Means-Q算法進(jìn)行解碼，該算法設(shè)置K的取值為4，前導(dǎo)碼重復(fù)次數(shù)設(shè)置為10，隊列長度M設(shè)置為25.利用K-Means-Q聚類算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分類的結(jié)果如圖5所示。圖5(a)為初始1 000個數(shù)據(jù)集的原始分布，通過K-Means-Q聚類分析算法后得到圖5(b).從圖中可以發(fā)現(xiàn)，相較于K-means算法，K-means-Q聚類算法可以獲得更高的準(zhǔn)確率，并且對于一些邊緣群點的處理較好，比如上圖中被圈住的多個數(shù)據(jù)點，誤碼率較低。

圖5 聚類分析算法前后數(shù)據(jù)分布圖Fig.5 Data distribution diagram before and after cluster analysis algorithm

K-Means-Q算法性能優(yōu)于K-Means算法的關(guān)鍵在于K-Means-Q算法引入隊列來存儲相關(guān)性較大的數(shù)據(jù)集，摒棄了相關(guān)性較小的數(shù)據(jù)，從而提高了聚類中心的準(zhǔn)確性。隨著M的變化，K-Means-Q算法的性能也會有所變化。設(shè)置發(fā)送1 000 bit數(shù)據(jù)，比較隊列長度M和誤碼率(BER)在不同信噪比(SNR)下的關(guān)系，如圖6所示。從圖中可以看出，當(dāng)信噪比一定的情況下，隨著M的增大，系統(tǒng)誤碼率出現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢。當(dāng)M較小時，由于信號存在不確定性，聚類中心的計算有較大的誤差，隨著M的增大，數(shù)據(jù)集平均值趨于穩(wěn)定，誤碼率降低。當(dāng)M較大時，隨著M的增大，誤碼率變高，這是因為聚類中心的確定隊列加入了與當(dāng)前時刻的信道相關(guān)性較弱的數(shù)據(jù)集，并且隨著SNR的降低，最佳的隊列長度逐漸增大。

圖6 M和BER之間的關(guān)系對比圖Fig.6 Relationship between M and BER

由圖6可知，當(dāng)信噪比等于20、隊列長度M等于15時，誤碼率最低。圖7顯示K-Means-Q算法與K-Means算法在發(fā)送不同的數(shù)據(jù)量時誤碼率的對比。其中K-Means-Q算法中隊列長度M設(shè)置為15.由圖可以看出，隨著數(shù)據(jù)量的增大K-Means-Q算法的誤碼率基本保持穩(wěn)定且相對較低，而K-Means算法的誤碼率隨著數(shù)據(jù)量的增多不斷升高。由此可以看出K-Means-Q算法性能較好。

圖7 K-Means-Q算法和K-Means算法誤碼率的對比Fig.7 Comparison of BER between K-means-Q algorithm and K-means algorithm

5 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)的ABCS通信速率低的問題，提出一種MTABCS模型，標(biāo)簽利用兩個天線同時與閱讀器通信，使信號傳輸速率加倍。閱讀器使用K-Means-Q算法檢測信號，將接收到的信號分為四類，在一定的數(shù)據(jù)比特傳輸后重新計算聚類中心，提高了信號檢測的準(zhǔn)確性。