利用高扫描速率槽阵列天线和逆散射技术的频率多样性集成传感与反向散射通信系统

《IEEE Journal on Selected Areas in Communications》：Frequency-Diverse Integrated Sensing and Backscatter Communication System Utilizing High Scanning-Rate Slot Array Antenna With Inverse Scattering Approach

提出基于高频扫描阵列天线和频率分集的集成感知与回传通信系统，通过逆散射方法分离标签结构模态和天线模态，结合压缩感知算法实现复杂环境中的精准定位与标签识别，并利用最大比合并技术提升40MHz带宽下的通信可靠性，实验验证其在3.98-4.02GHz频段的有效性。

　　

摘要：

在本文中，我们提出了一种集成感知和反向散射通信系统，该系统采用高扫描速率的槽阵列天线（SAAs），并采用了频率多样性配置以及逆散射技术。该系统利用频率多样性方案实现快速的空间数据采集，在速度和成本效益方面显著优于传统的机械和电子扫描方法。所提出的集成系统能够在复杂环境中同时完成标签的定位、识别和反向散射通信功能。我们的方法基于标签的结构和天线模式以及杂散体的存在来分析反向散射过程。通过将标签调制为开路状态和短路状态，我们有效地提取了结构和天线模式成分。结构模式成分使我们能够感知标签和周围的杂散体，而天线模式成分则结合逆散射和压缩感知（CS）算法用于精确的标签识别。在这些过程中，通过天线模式收集信道状态信息（CSI），从而增强了系统的反向散射通信能力。此外，使用最大比率组合（MRC）技术通过比特错误率（BER）来评估反向散射通信的有效性。仿真和实验结果表明，所提出的系统能够在3.98-4.02 GHz范围内、40 MHz的带宽内准确感知和识别标签，并保持稳定的反向散射通信。这些结果凸显了在集成反向散射通信和感知应用中使用所提出的频率多样性天线和逆散射技术的显著优势。

引言

近年来，集成感知和通信（ISAC）系统因其能够优化通信和感知系统中的频谱和硬件资源利用而受到广泛关注，从而带来了成本优势，并提升了通信和感知能力[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。这两种功能的深度整合有望显著提高稀缺频谱和能源资源的利用效率，同时降低硬件和信号传输成本[1]、[6]。基于这一概念，反向散射通信作为一种有前景的ISAC技术应运而生，它通过利用反向散射标签从专用或环境源获取射频信号，实现了经济高效的数据传输到读取器[7]。这种方法特别适用于功率需求严格的应用场景，如纳瓦到微瓦级别的应用[7]、[8]。在这种情况下，对于ISAC系统中的被动标签天线的精确定位需求日益增加，尤其是基于位置的服务。这使得能够自动识别被标记的对象，并促进了环境监测、生物医学应用等领域的应用[7]、[8]。因此，研究人员正在加大力度将定位技术与反向散射通信相结合，旨在开发出符合当代ISAC系统严格要求的稳健解决方案。