【摘 要】
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随着5G时代的到来,通信网络中流量和连接数急速地增长。在物联网(Internetof-Things,Io T)领域,“万物互联”正在变为现实,但是频谱资源的稀缺的问题逐渐凸显出来。环境反向散射通信(Ambient Backscatter Communication,Am BC)技术是物联网的解决方案之一,具有高频谱效率、低成本和低功耗等优点,一经提出就广受关注。对物联网设备进行定位在现实中有着很大
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随着5G时代的到来,通信网络中流量和连接数急速地增长。在物联网(Internetof-Things,Io T)领域,“万物互联”正在变为现实,但是频谱资源的稀缺的问题逐渐凸显出来。环境反向散射通信(Ambient Backscatter Communication,Am BC)技术是物联网的解决方案之一,具有高频谱效率、低成本和低功耗等优点,一经提出就广受关注。对物联网设备进行定位在现实中有着很大需求,如物联网寻物、物流管理。将环境反向散射技术用于物联网设备的定位,有着巨大的应用潜力。信号的波达方向(Direction Of Arrival,DOA)信息是一个精确的定位参数,并且能在空域区分信号与干扰。要获得信号的DOA信息,需要使用阵列天线。因此,本文研究基于阵列天线的环境反向散射定位技术。针对单个标签接入的定位场景,本文选用了合适的定位参数和定位方法,提出了两种定位方案。本文提出的第一个定位方案需要使用两台接收机分别对接收信号进行DOA估计,使用几何法估计标签的坐标。本文将路径损耗考虑到信道模型中,通过估计接收信号的能量来估计信号的路径损耗,进而估计信号传播距离,以此提出了第二个定位方案。针对反向散射信号经历了双重路径损耗而无法直接估计标签距离的情况,本文提出了一种利用DOA信息和能量信息进行干扰消除后估计标签距离的方法。该方案只需要一台接收机,但是相比第一个方案更容易受到噪声的影响。仿真结果表明,两种定位方案能够达到所需要的定位精度。针对多个标签接入的定位场景,提出了一种空域滤波的算法,能够对其他方向的信号进行能量抑制,且该算法在环境反向散射定位系统中优于传统的最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)算法。通过空域滤波,将多标签定位问题转化为单标签定位问题,实现了同时对多个标签的定位。仿真结果表明,多标签接入的定位性能和单标签接入的定位性能相当。对于多个反向散射信号及其定位结果,需要讨论如何将其识别到不同的标签。针对一般环境射频源,利用了码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)的思路,提出了一种基于扩频的标签信号解调方案,通过为不同标签不同传输符号分配不同的正交码片,接收端使用已知码片进行解扩,来确定信号对应的标签和传输的码元。本文针对正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)射频源,设计了标签信号的波形,利用了OFDM符号的循环结构,实现了对标签信号的直接解调,并通过传输导频符号来将信号识别到标签。OFDM射频源的方案信息传输速率和误码率性能优于扩频方案,但是需要限定环境射频源为OFDM射频源。仿真结果表明,定位结果的识别率是令人满意的,提出的识别算法用于通信的误码率性能也能达到物联网机器通信的要求。本文针对物联网应用中存在的标签数大于或等于阵元数的定位场景展开研究,使用嵌套阵列和MVDR算法应对该场景下对标签的定位问题。仿真结果表明,相比标签数少于阵元数的定位场景,该场景下的定位性能存在界限,总体定位性能可以达到物联网设备定位的要求。
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