基于BackFi的环境反向散射通信多跳传输技术及理论研究

Aiming at the problem that the traditional backscatter communication distance is limited and the multiple Tag/Sensor reflection transmission problem can not be achieved, this project intends to launch the novel backscatter communication multi-hop transmission technology and theory research based on BackFi from three aspects, such as multi-hop cooperative transmission signaling interaction method, distributed resource optimization theory and performance analysis of backscatter communication based on BackFi environment. The project is to design link adaptive multi-hop transmission signaling interaction mechanism to implement interference avoidance with physical layer and MAC layer cooperation, propose multi-hop decode/amplify forward algorithm based on multiple degree distribution of network fountain code and establish BackFi distributed resource allocation and optimization model with multi-hop relay cooperation. The project can achieve the physical layer multi-hop cooperation beamforming optimization solution with interference avoidance through multi-field couple analysis and effective updating rules of game theory, explore the energy harvesting allocation schemes with massive Tag/Sensor nodes, derive the closed form expressions on spectrum efficiency/energy efficiency/BER of ambient backscatter communication multi-hop transmission system and reveal the analytical relationship between system throughput and channel characteristic, Tag/Sensor number, antenna number and other parameters. The expected results can provide theoretical basis and technical support for the future application of smart Internet of Things.

针对传统反向散射通信距离受限且无法实现多Tag/Sensor的反射传输问题，本课题拟从BackFi环境反向散射通信的多跳协同传输信令交互方法、分布式资源优化理论及其性能分析三个方面，开展新型的BackFi环境反向散射通信多跳传输技术及理论的研究。拟在前期短距离通信研究基础上，设计干扰避免的物理层和MAC层协作的链路自适应多跳传输信令交互机制，提出网络喷泉码多元度分布的译码/放大多跳转发算法，建立多跳中继协同的BackFi分布式资源分配和优化理论模型，通过多元域耦合分析和有效的博弈策略更新规则，获取干扰避免的物理层网络喷泉码多跳协同波束的最优解，探索大规模Tag/Sensor的能量收集功率分配方案，推导环境反向散射通信多跳传输的谱效/能效/误码率等测度的闭合表达式，揭示系统吞吐量与信道特征、Tag/Sensor数和天线数等参数的解析关系。预期成果可为未来智能物联的应用提供理论依据和技术支撑。

本项目针对传统反向散射通信距离受限且无法实现多Tag/Sensor的反射传输问题，从BackFi环境反向散射通信的多跳协同传输信令交互方法、分布式资源优化理论及其性能分析三个方面，开展新型的BackFi环境反向散射通信多跳传输技术及理论的研究。在前期短距离通信研究基础上，设计了多跳无线信息传输和能量收集联合优化算法及传输信令交互机制，建立了多跳中继协同的BackFi分布式资源分配和优化理论模型，通过多元域耦合分析和有效博弈策略更新规则，获得了干扰避免的物理层多跳协同波束的最优解，推导了环境反向散射通信多跳传输的最优天线数、发送功率和中继功率分流因子的解析表达式。在此基础上，融合认知无线电与无人机物理层安全传输技术，建立了能量收集增强型多中继选择认知保密传输模型，获得了不同能量收集方案下多节点通信的保密中断概率与非零保密容量概率等测度的闭合表达式，揭示了系统谱效/能效等性能与天线数、中继算法和数量、分集度和阵列增益等之间的解析关系，为未来智能物联的应用提供了较为坚实的理论依据和技术支撑。. 本项目在完成预定目标任务的基础上，发表论文30篇以上(一作论文16篇)；出版学术著作3部(一作2部)；主持获2021年度省部级一等奖1项、2021年度河南省科技进步二等奖1项、2019年度河南省科技进步三等奖1项，参与获2020年度河南省科技进步三等奖1项(第二)，获省级科技成果奖一等奖和论文奖一等奖6项；第一作者授权/受理发明专利10项，并实现发明专利单项科研成果转化21万入账经费；主持获中原千人计划、河南省优青、河南省高校科技创新人才、河南省青年托举人才等人才计划多项，指导研究生发表学术论文多篇，并获互联网+、挑战杯等各类竞赛奖励10余项；发表多篇国际会议论文，并主持获批河南省引智计划1项，主持获批外籍科学家工作室引智基地1项，柔性引进日本科学院院士佐藤拓朗等12名IEEE Fellow、外籍院士等知名专家，与国内外学者开展了深入研讨。