基于反向散射通信技术的多天线系统与室内定位系统

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物联网技术一直被视为信息技术领域的第三次浪潮,射频识别技术作为物联网的关键技术得到了广泛的研究。但传统射频识别(RFID)系统中必须配备专用阅读器,并通过专用射频信号进行通信,导致系统通信距离短,且无法与其他网络直接相连。对此学术界在近几年提出了一些新型反向散射(Backscatter)技术,通过复用环境中的已有的射频信号作为载波信号来提升RFID系统性能。与此同时,在定位技术领域,学术界新提出的各项室内定位技术不一而足,但缺乏普适性。3GPP LTE支持的观察到达时间差(OTDOA)方法和定时提前量+来波方向(TA+AOA)方法都是基于时延估计算法来进行定位的。但这些办法在室内环境,通常由于信号的非视距传播而带来较大的定位误差。针对这些问题,也结合行业发展方向,本文对新型反向散射系统和以此为基础的室内定位系统展开研究。首先,本文介绍了一种基于Wi-Fi信号的全双工反向散射系统。区别于传统RFID系统,使用Wi-Fi接入设备作为阅读器,标签通过反射并调制Wi-Fi信号与阅读器通信。由于激励信号的特殊性,借助了全双工系统干扰抵消的技术消除了环境干扰,并采用了一种基于最大比合并的方式进行解调。在构建系统模型的基础上,总结了通信双方的工作流程,并规划了通信协议。最后通过实验仿真验证了系统的性能。实验结果表明,该系统工作稳定。并且,降低标签的调制速率,解码性能可以成倍提升。面对信息爆炸式的增长,在未来的应用中,对于标签传输速率的要求也会随之提高。为了提升系统的吞吐量,在Wi-Fi反向散射系统的基础上提出了多天线系统。针对SIMO、MISO、MIMO三种不同的天线分布模式,分别建立三种系统模型。由于天线数量的变化,信号的解调方式也产生差异,并基于这些差异分别规划了通信双方的工作流程。最后,通过实验仿真,验证了多天线系统在系统性能方面的改善。实验结果表明,SIMO、MISO系统在单天线系统的基础上进一步降低了误码率,MIMO系统则成倍的提升了系统的吞吐量。此外,本文还尝试将新型反向散射技术应用于室内定位系统。考虑到无源标签的易维护和低成本,使用标签构造视距传输环境,并采用对终端和环境的要求较低的时延估计算法进行用户定位。文中详细描述了定位系统的工作模型和用户与无源标签之间的通信流程,呈现出一个相当完整的系统设计。最后,通过仿真实验验证了系统的可行性和稳定性,且该方案与OTDOA相比,性能得到提升。
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