单一接收端的Wi-Fi并发反向散射系统、方法及设备

本发明涉及反向散射通信领域，尤其涉及一种单一接收端的wi-fi并发反向散射系统及方法。

背景技术：

1、鉴于显著的超低功耗特性、低成本和易于部署等优势，环境反向散射通信（ambient backscatter communication）技术有望在未来的物联网应用中发挥至关重要的作用，其潜在的应用场景包括但不局限于智能物流、智能家居和智能医疗等领域。在环境反向散射通信系统中，反向散射标签通过调制并反射入射的环境信号（如蓝牙，wi-fi，以及lte等信号）来实现数据传输。反向散射标签调制后的信号经过无线信道到达接收端，接收端随后执行一系列操作来解码反向散射标签传输的数据。

2、目前，wi-fi信号普遍存在于我们周围，而且，大多数物联网设备兼容wi-fi信号。2014年在sigcomm上发表的wi-fi backscatter是第一个兼容wi-fi信号的反向散射系统，实现了1kbps的吞吐量和将近2.1米的通信距离。此后，研究人员陆续提出了多种wi-fi反向散射方案，以提升wi-fi反向散射通信性能。2016年发表在sensys上的hitchhike提出了一种新颖的码字转换技术，成功实现了反向散射通信与802.11b wi-fi设备的兼容。2017年发表在conext上的freerider将这一码字转换技术扩展应用到zigbee、蓝牙和802.11g/n wi-fi无线电。2018年发表在mobisys上的moxcatter实现了空间流的wi-fi反向散射通信。2020年发表在nsdi上的vmscatter则通过利用多输入多输出（multiple-input multiple-output, mimo）技术的空间分集特性提升了空间流wi-fi反向散射通信的性能。2022年发表在mobisys上的cab通过使用零子载波，实现了对于标签数据和原始wi-fi数据的解码。2023年发表在mobisys上的chameleon则能够利用不受限制wi-fi信号，实现了标准兼容的wi-fi反向散射通信。

3、虽然上述wi-fi反向散射方案具有各自独特的特征，但是它们均运行在单标签模式下，并不支持多个标签的并发传输。以智能物流场景为例，反向散射标签粘贴在货物表面，协助物流管理员在无需直接接触货物的情况下读取货物信息。通常情况下，需要识别的货物数量较大，逐个识别货物效率较低。因此，实现多标签同时传输对于降低货物识别延迟和提高管理效率至关重要。同样，在多个标签协作运行的智能家居应用中，实现多标签同时传输也显得至关重要。

4、最新的研究freecollision和mecha通过采用两个接收端的设计实现了多标签并发的ofdm wi-fi反向散射通信。ofdm wi-fi指的是采用正交频分复用（orthogonalfrequency division multiplexing，ofdm）调制的wi-fi信号。freecollision和mecha的系统架构如图1所示。这两个研究都是基于公式（1）去解码多标签的数据：

5、 （1）；

6、其中，和分别为第n个ofdm符号上的接收数据和激励数据；h为频域信道系数；，表示标签i在第n个ofdm符号上调制的数据，n为并发标签的数目；“”表示哈达玛乘积运算；为噪声。由于可以从反向散射接收端提取，可以通过部署一个wi-fi接收端来获得，h可以通过发送一组已知的数据来进行评估，因此多标签的数据可以使用最大似然估计器（maximum likelihood detector）来进行评估。不同之处在于freecollision首先根据公式（1）获得iq（in-phase and quadrature phase）域上的ofdm符号簇信息。然后，freecollision使用获得的簇信息去解码多标签的数据。相反，mecha直接利用公式（1）和ofdm子载波的冗余性去解码多标签的数据。

7、虽然freecollision和mecha在一定程度上实现了多标签数据的解码，但它们仍存在一个共同的局限性，即均需要两个接收端。这样的双接收端设计存在两个主要缺点：

8、（1）依赖可靠的tx-to-wi-fi rx信道：公式（1）表明多标签数据的成功解码依赖于原有的wi-fi数据。然而，tx-to-wi-fi rx信道（即wi-fi发送端和wi-fi接收端之间的信道）可能因为动态环境或物理障碍而变得不可靠。因此，原有的wi-fi数据无法准确获取，从而不可避免地导致高解码错误并影响网络的吞吐量。图2展示了mecha的评估结果，其中“mecha-a%”表示原有wi-fi数据与解码的wi-fi数据之间存在a%的比特差异。引入a%比特差异是为了模拟不可靠的tx-to-wi-fi rx信道。可以观察到，这样的双接收端设计系统的性能依赖于可靠的tx-to-wi-fi rx信道；

9、（2）成本增加和灵活性有限：双接收端设计不仅增加了部署和维护的成本，还引入了对反向散射系统灵活性的限制，可能会影响其广泛的适用性。

10、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种单一接收端的wi-fi并发反向散射系统、方法及设备，能通过单一的反向散射接收端实现并发反向散射通信，不需要额外的wi-fi接收端，降低了系统部署和维护成本，提高了系统的灵活性和可靠性，促进了wi-fi反向散射通信的应用范围，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种单一接收端的wi-fi并发反向散射系统，包括：

4、一个wi-fi发送端、多个反向散射标签和一个反向散射接收端；其中，

5、所述wi-fi发送端，能生成ofdm wi-fi信号作为激励信号；

6、各反向散射标签，能通过无线信道接收所述wi-fi发送端生成的激励信号，调制数据后反射入射的激励信号形成携带调制数据的反向散射信号，并将携带调制数据的反向散射信号向所述反向散射接收端传输；

7、所述反向散射接收端，能对接收的反向散射信号进行信道系数评估得出信道系数评估值，基于得出的信道系数评估值和已知的导频信号对多个反向散射标签调制的数据进行解码，得出各反向散射标签调制的数据。

8、一种单一接收端的wi-fi并发反向散射方法，采用本发明所述的系统，包括以下步骤：

9、通过所述系统的wi-fi发送端生成ofdm wi-fi信号作为激励信号；

10、通过所述系统的各反向散射标签经无线信道接收所述wi-fi发送端生成的激励信号，调制数据后反射入射的激励信号形成携带调制数据的反向散射信号，并将携带调制数据的反向散射信号向所述反向散射接收端传输；

11、通过所述系统的反向散射接收端对接收的反向散射信号进行信道系数评估得出信道系数评估值，基于得出的信道系数评估值和已知的导频信号对多个反向散射标签调制的数据进行解码，得出各反向散射标签调制的数据。

12、一种处理设备，包括：

13、至少一个存储器，用于存储一个或多个程序；

14、至少一个处理器，能执行所述存储器所存储的一个或多个程序，在一个或多个程序被处理器执行时，使得所述处理器能实现本发明所述的方法。

15、与现有技术相比，本发明所提供的单一接收端的wi-fi并发反向散射系统、方法及设备，其有益效果包括：

16、通过只设置一个反向散射接收端，以先对接收的反向散射信号进行信道系数评估，再基于评估得出的信道系数评估值和已知的导频信号对多个反向散射标签调制的数据进行解码的方式，能够解码出多个反向散射标签数据，本发明不仅移除了wi-fi发送端和wi-fi接收端链路之间信道状态的限制，还有助于降低系统部署和维护成本，提升反向散射通信系统的灵活性，因此，该系统及方法有望被应用到众多的物联网应用中，进而很好解决目前的wi-fi并发反向散射方案依赖于双重接收端的设计来解码多标签的数据。系统的性能受到wi-fi发送端和wi-fi接收端链路之间信道状态的严重限制，一旦该链路之间的信道变得不可靠，系统的性能将受到严重影响的问题。