一种新型的基于可重构智能表面的共生无线通信系统技术方案

本发明专利技术属于无线通信技术领域，具体涉及一种新型的基于可重构智能表面的共生无线通信系统。本发明专利技术将可重构智能表面引入共生无线通信系统，其中可重构智能表面取代共生无线通信系统中原有的反向散射设备，利用主发送机的射频信号向协作式接收机发送信息，从而提升通信系统的能量效率和频谱效率。具体来讲，可重构智能表面由大量的电磁反射单元组成，其中每一个反射单元都可以改变入射信号的幅度和相位，进而对入射电磁波进行调整。通过智能地调节各个单元的反射系数，可以主动地重构无线信号的传播环境，从而增强信号的强度。另一方面，主发送机通过波束赋形设计，可以提升主发送机信号的性能，进而实现较高的信噪比。进而实现较高的信噪比。进而实现较高的信噪比。

【技术实现步骤摘要】
一种新型的基于可重构智能表面的共生无线通信系统


[0001]本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种新型的基于可重构智能表面的共生无线通信系统。

技术介绍

[0002]物联网(Inernet
‑
of
‑
Things,IoT)被视为未来无线通信的关键技术之一，其应用范围十分广泛，包括智慧交通、智能电网、智能家居以及智能农业等。未来将有海量的物联网设备接入无线通信网络，亟需解决的两个关键挑战是频谱稀缺和能量供应问题。一方面，留给物联网应用的频谱资源是有限的，因为大部分的频谱资源已经分配给各种无线电系统。此外，更换电池或定期为设备充电是成本十分高昂的。因此，面临如此严峻的技术挑战，急需提出新型的高能效，高谱效的通信技术。
[0003]最近，共生无线通信系统，又称为认知反向散射通信系统，作为一种有效解决以上挑战的技术被提出，具体来说，共生无线通信系统包含一个主发送机，一个协作式接收机以及一个反向散射设备，反向散射设备可以利用主发送机的发射的射频信号作为载波，向协作式接收机发射信息。这样协作式接收机可以联合解调来自主发送机的信号和反射设备的信号。但是共生无线通信系统的反射链路经过两次信道衰落，导致反射链路的信道强度很低，限制了系统的性能。
[0004]另外一项新兴的技术是可重构智能表面，又称为智能反射表面，它是一种人造的二维表面结构，包含大量的反射单元。每个反射单元可以调节自己的反射系数，进而对入射电磁波的幅度和相位进行调整，将入射电磁波反射到特定的方向，从而增强信号的传输。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出一种基于可重构智能表面的共生无线通信系统设计，同时提供了一种主发送机发送波束赋形和可重构智能表面的反射系数矩阵联合设计方法。
[0006]本专利技术将可重构智能表面引入共生无线通信系统，其中可重构智能表面取代共生无线通信系统中原有的反向散射设备，利用主发送机的射频信号向协作式接收机发送信息，从而提升通信系统的能量效率和频谱效率。具体来讲，可重构智能表面由大量的电磁反射单元组成，其中每一个反射单元都可以改变入射信号的幅度和相位，进而对入射电磁波进行调整。通过智能地调节各个单元的反射系数，可以主动地重构无线信号的传播环境，从而增强信号的强度。另一方面，主发送机通过波束赋形设计，可以提升主发送机信号的性能，进而实现较高的信噪比。为了实现上述的功能，需要对主发送机的波束赋形向量和可重构智能表面的反射系数矩阵进行联合优化设计。
[0007]本专利技术考虑如图1所示的基于可重构智能表面的共生无线通信系统模型，包含一个天线数为M的主发送机，，单天线的协作式接收机，以及一个具有N个反射单元的可重构智能表面。这里的可重构智能表面内嵌一些传感器，可以监测环境中的数据，比如温度，湿度，风速等信息。可重构智能表面通过利用主发送机的发送信号可以将这些监测信息发送到协
作式接收机，这样协作式接收机就接收到来自主发送机的信息和环境中的数据。
[0008]紧接着，我们介绍通信系统链路传输模型，令h∈C
M
×1表示从主发送机到协作式接收机的信道，H∈C
N
×
M
表示从主发送机到可重构智能表面的信道，g∈C
N
×1表示从可重构智能表面到协作式接收机的信道响应，表示可重构智能反射表面的的反射系数对角矩阵，其中表示第n个反射单元的反射系数，θ
n
表示第n个反射单元的相位，diag(
·
)表示对角矩阵。
[0009]另外，记可重构智能表面的符号为c,服从二进制相移键控，即c∈{1,
‑
1}，符号周期为T
c
。主发送机的发送信号为s，服从均值为0，方差为1的复高斯分布，即符号周期为T
s
。假定有可重构智能表面的符号周期是主发送机符号周期的K倍，即T
c
＝KT
s
。传输的帧结构图如图2所示，其中假设信道是块衰落信道，信道在某一个衰落块中保持不变，但是可能会在块与块之间发生改变。假设一个衰落块的长度包含多个可重构智能表面的符号周期。这里我们关注在一个时间周期T
c
之内的第k个主发送机符号周期时，协作接收机的接收信号可以表示为
[0010][0011]其中w∈C
M
×1表示主发送机的发送波束赋形向量，用于传输第k个符号周期的符号s(k), z(k)表示协作接收机端的加性噪声，服从复高斯分布σ2表示噪声的功率。协作接收机会收到来自主发送机和可重构智能表面的信息，因此协作式接收机需要联合解调这两路信号。本专利技术采用最大似然的检测方式，由于信号c的符号周期是信号s(k)符号周期的K 倍，导致来自反射链路的信号可以看成是信号s(k)传播过程中的一条多径信号，于是解调信号s(k)的信噪比可以写为
[0012][0013]根据公式(2)可以看出由于反射链路的存在，可以为直接链路信息传输提供一条额外的多径信号，但是由于信号c采用二进制相移键控的调制方式，取值为+1或者
‑
1，因此需要对信号c求期望。
[0014]一个符号c的周期包含K个符号s(k),k＝1,
…
,K，解调信号c的时候，可以利用这K个已知的符号s(k),k＝1,
…
,K，根据最大比合并准则，解调信号c的信噪比可以表示为
[0015][0016]从公式(3)可以看出解调信号c的信噪比有K倍的增益存在。根据公式(1),(2),(3)，可以发现可重构智能表面借助主发送机产生的射频信号作为载波来实现信息传输，通过将信息c 调制在从主发送机过来的信号，可以向协作式接收机传输信息。因此可重构智能表面的信息传输和主链路信息传输共用相同的频谱，相同的射频资源。作为回馈，可重构智能表面也为主链路的信息传输提供一条多径链路信号，从而增强主链路的信息传输。因
此可重构智能表面的信息传输和主链路的信息传输形成了一种互惠共利的关系，极大地提高了系统的能量效率和频谱效率。
[0017]考虑该基于可重构智能表面的共生无线通信系统，需要对主发送机的波束赋形向量w和可重构智能表面的反射系数矩阵Θ进行联合优化，从而最小化整个系统的发射功率。
[0018]通过联合优化主发送机的波束赋形向量w和可重构智能表面的反射系数矩阵Θ来最小化主发送机的发送功率，建立优化问题为：
[0019]P1:
[0020]s.t.
[0021][0022]0≤θ
n
≤2π,n＝1,
…
,N.
[0023]优化问题P1中，Γ
s
和Γ
c
分别是主链路信息传输和可重构智能表面信息传输的最小解调信噪比；第一个约束是主链路信息传输的最小解调信噪比约束，第二个约束是可重构智能表面信息传输的最小解调信噪比约束，第三个约束是可重构智能表面的反射系数约束，要求反射系数的幅度为1，相位是0到2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型的基于可重构智能表面的共生无线通信系统，其特征在于，系统包括一个天线数为M的主发送机、单天线的协作式接收机和一个具有N个反射单元的可重构智能表面；所述可重构智能表面具有接收环境数据的传感器，可重构智能表面通过利用主发送机的发送信号将环境数据发送到协作式接收机，从而协作式接收机就接收到来自主发送机的信息和环境中的数据；令h∈C
M
×1表示从主发送机到协作式接收机的信道，H∈C
N
×
M
表示从主发送机到可重构智能表面的信道，g∈C
N
×1表示从可重构智能表面到协作式接收机的信道响应，表示可重构智能反射表面的反射系数对角矩阵，其中表示第n个反射单元的反射系数，θ
n
表示第n个反射单元的相位，diag(
·
)表示对角矩阵；记可重构智能表面的符号为c,服从二进制相移键控，即c∈{1,
‑
1}，符号周期为T
c
；主发送机的发送信号为s，服从均值为0，方差为1的复高斯分布，即符号周期为T
s
；定义可重构智能表面的符号周期是主发送机符号周期的K倍，即T
c
＝KT
s
；信道是块衰落信道，信道在某一个衰落块中保持不变，但是可能会在块与块之间发生改变，假设一个衰落块的长度包含多个可重构智能表面的符号周期，在一个时间周期T
c
之内的第k个...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁应敞，周虎，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：