(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111198833.X (22)申请日 2021.10.14 (71)申请人 西北大学 地址 710127 陕西省西安市长安区郭杜学 府大道1号 (72)发明人 彭瑶　徐丹　郭军　沈杰　陈晓江　 房鼎益　何妮　李鑫鹏　 (74)专利代理 机构 北京国坤专利代理事务所 (普通合伙) 11491 代理人 张国栋 (51)Int.Cl. G06F 30/27(2020.01) G06N 3/04(2006.01) G06N 3/08(2006.01) (54)发明名称 面向广域通信的后向散射低功耗通信网络 的构建系统及方法 (57)摘要 本发明属于通信技术领域， 公开了一种面向 广域通信的后 向散射低功耗通信网络的构建系 统及方法， 射频信号载波检测识别模块利用轻量 级BP神经网络加速器进行环境弱无线载波信号 的检测与帧结构识别； 低功耗可变吞吐量调制通 信模块利用基于码表的移频键控调制进行无源 节点的低功耗可变吞吐量通信； 散射传输模块基 于散射场波束赋形方法进行弱射频信号的千米 级后向散射传输； 环境能量转化模块基于超材料 表面高效能量收集与全局能量管 理电路， 进行环 境能量转化与应用， 令无源节点连续性工作。 本 发明保障了数据在无源感知网络中传输的完整 性、 实时性， 促进广域、 少源、 低成本物联网的发 展和广泛部署。 权利要求书3页 说明书24页 附图7页 CN 113962147 A 2022.01.21 CN 113962147 A 1.一种面向广域通信的后向散射低功耗通信网络的构建系统， 其特征在于， 所述面向 广域通信的后向散射低功耗 通信网络的构建系统包括： 射频信号载波检测识别 模块， 用于利用轻量级BP神经网络加速器进行环境弱无线载波 信号的检测与帧结构识别； 低功耗可变吞吐量调制通信模块， 用于利用基于码表的移频键控调制进行无源节点的 低功耗可变吞吐量 通信； 散射传输模块， 用于基于散射场波束赋形方法进行弱射频信号的千米级后向散射传 输； 环境能量转化模块， 用于基于超材料表面高效能量收集与全局能量管理电路， 进行环 境能量转化与应用， 令无源节点连续 性工作。 2.如权利要求1所述面向广域通信的后向散射低功耗通信网络的构建系统， 其特征在 于， 所述射频信号载波检测识别模块包括： 射频信号采集单 元， 用于进行射频信号的采集以及转换； 样本库建立单 元， 用于在户外不同距离处采集真实环境中L oRa信号， 构建样本库； 数据集生成单元， 用于构建、 增强数据集； 模型构建单元， 构建多层感知神经网络模型作为训练网络， 并对构建的训练网络进行 训练； 加速器构建单元， 用于建立的样本库和训练的训练网络， 利用FPGA芯片得到轻量级神 经网络加速器； 测试单元， 用于对得到的轻量级神经网络加速器进行仿真 分析与测试。 3.如权利要求2所述面向广域通信的后向散射低功耗通信网络的构建系统， 其特征在 于， 所述射频信号采集单 元包括： 采集子单 元， 用于进行射频信号的采集； 阻抗匹配子单 元， 用于将采集的射频信号进行阻抗匹配； 滤波子单 元， 用于利用无源带通滤波器对信号进行 滤波处理； 转换子单元， 用于利用驱动器、 滤波器和模数转换器将滤波处理的射频信号转换为数 字信号。 4.如权利要求1所述面向广域通信的后向散射低功耗通信网络的构建系统， 其特征在 于所述数据集 生成单元包括： 元数据集构建子单元， 用于以1/4个LoRa  Chirp信号为一个样本， 采用标准的商用LoRa 包识别算法对采集样本进行识别、 分类， 分辨得到真实的LoRa  Chirp， 并组成一个数据集； 再用MATLAB中的采样函数模块对LoRa  Chirp数据集和非LoRa  Chirp数据集分别进行处理， 转化为字 符串形式， 添加标签进 行数据标定， 将初级样 本转化成正负样本集， 并得到约1000 个条目的小训练集即元训练集； 增强子单元， 用于收集不同类型的无线信号， 在相同频率和不同链路距离上使用lora2 工作， 将干扰信号与LoRa信号和环境噪声混合， 生 成合成数据， 并利用包检测电路对合成数 据重新采样， 将重新采样的数据与合成数据一起作为数据集， 并将所述数据集划分为训练 集和测试集。 5.如权利要求1所述面向广域通信的后向散射低功耗通信网络的构建系统， 其特征在权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 113962147 A 2于， 所述轻量级神经网络加速器包括数据输入部分， 串并转换器， 归一化部分， 第一层神经 元， 激活部分， 第二层神经 元和并串转换器； 用于将数字信号 转换可调制信号； 数据输入部分， 由ADC和级联D触发器组构成， 用于利用ADC将模拟信号转化为数字信 号， 并利用D触发器对不同时钟域间数据进行缓冲， 消除传输中的亚稳态； 串并转换器， 用于将ADC 输出的12位串行信号变为1组并行信号； 归一化部分， 用于将小范围电压值归一 化至大范围电压值， 增强信号强度； 第一层神经元， 用于对归一化后输出的数据进行计算， 在复位时对各权重赋值， 每次计 算后count自动加一， 当count计数满128次 时， 输出计算结果输出； 激活部分， 用于利用ReLU激活函数； 第二层神经元， 用于在复位 时输入权重， 将第 一层神经元的计算结果与权重相乘， 并与 偏置相加； 并串转换器， 用于将二级神经 元输出的45位数据转换成串行 数据输出。 6.如权利要求1所述面向广域通信的后向散射低功耗通信网络的构建系统， 其特征在 于， 所述低功耗可变吞吐量调制通信模块包括： 中频信号合成单元， 用于利用基于波表查询的低功耗中频信号发生器即波表综合器进 行频率合成； 信号调制单元， 用 于采用FSK调制加载采集到的数据， 以原载波LoRa  Chirp为基准信 号， 对基准信号进行不同的频移调制得到不同数据。 7.如权利要求1所述面向广域通信的后向散射低功耗通信网络的构建系统， 其特征在 于， 所述散射传输模块包括： 散射场天线阵列构建单元。 用于确定天线阵列优化算法， 得到最优的九阵元天线阵列 模型； 波束赋形单元。 用于将2D天线阵列扩展到 3D空间， 支持多种波 束形成角度。 8.如权利要求7所述面向广域通信的后向散射低功耗通信网络的构建系统， 其特征在 于， 所述散射场天线阵列构建单 元包括： 天线阵列优化 算法选取子单 元， 用于利用算法进行天线阵中间距的优化； 间距计算子单元， 用于利用HFSS建立散射通信系统天线阵模型， 且将散射通信系统天 线阵模型的阵元天线间距设置为可更改变量； 同时用于利用MATLAB通过采用差分进化算法 与HFSS进行联合计算得到最优阵元天线间距； 优化子单 元， 用于迭代确定 HFSS中最优的九阵元天线阵列模型。 9.如权利要求1所述面向广域通信的后向散射低功耗通信网络的构建系统， 其特征在 于， 环境能量 转化模块包括： 能量收集单元， 用于利用基于电磁超材料单元互补开口谐振环的超材料高效能量收集 表面进行能量收集； 能源优化配给 单元， 用于进行能量存 储、 释放以及优化管理； 所述能源 优化配给 单元包括： 能量存储与释放子单 元， 用于利用多电容器存 储结构进行能量存 储与释放； 全局能量管理子单元， 用于利用全局能量管理电路进行基于有限状态机的全局能量管 理；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 113962147 A 3