带有相位偏移的可重构智能表面辅助广义空间调制方法技术

本发明专利技术属于信息与通信技术领域，具体涉及一种带有相位偏移的可重构智能表面辅助广义空间调制方法。本发明专利技术的目的是提出一种解决传统系统未充分利用相位维度随机性问题并提高频谱效率的新型单射频链MIMO方案，本发明专利技术的技术方案是设计了一种RIS辅助的广义空间调制系统，以提高频谱效率和发射天线组合(Transmit Antennas Combinations,TAC)的灵活性；同时，本发明专利技术根据发送端到接收端直射径的有无，设计了两种相位偏移方案，从而增强了RIS的波束赋形能力以及接收端对不同TAC和波束图案的检测能力，以提升误比特率性能。同时，在两种情形下，仿真结果表明本发明专利技术给出的RIS

【技术实现步骤摘要】
带有相位偏移的可重构智能表面辅助广义空间调制方法


[0001]本专利技术属于信息与通信
，具体涉及一种带有相位偏移的可重构智能表面辅助广义空间调制方法。

技术介绍

[0002]空间调制(Spatial Modulation,SM)由于具备单射频(Radio Frequency,RF)结构，因此拥有低复杂度、低硬件开销以及低功耗的优势，成为传统多输入多输出(Multiple
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Input Multiple
‑
Output，MIMO)无线通信系统的一种可替代方案。SM通过将信息位映射到幅度相位调制(Amplitude
‑
Phase
‑
Modulation,APM)符号和天线索引两个维度上，在频谱效率和能耗之间实现了很好的平衡。基于SM的移动通信系统通过天线间的信道差异来传输信息，但传统的SM系统因其自身无法主动适应无线传播环境而受到限制。近年来，可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)由于能够通过可配置反射元件以调整无线传播环境，成为一项具有较大发展前景的技术。
[0003]考虑到RIS可以弥补SM的固有缺陷，许多研究者开始探索RIS与SM技术的结合，例如，“Q.Li,M.Wen and M.Di Renzo,"Single
‑
RF MIMO:From spatial modulation to metasurface
‑
based modulation,"IEEE Wirel.Commun.,vol.28,no.4,pp.88
‑
95,Aug.2021”在RIS辅助的通信系统上第一次采用了SM；同时，“T.Ma et al,“Large intelligent surface assisted wireless communications with spatial modulation and antenna selection,”IEEE J.Select.Areas Commun.,vol.38,no.11,pp.2562
‑
2574,Nov.2020.”中提到的RIS辅助的SM(RIS
‑
assisted Spatial Modulation,RIS
‑
SM)通过将RIS与收发空间调制结合，使得收发天线索引能够同时承载信息以进一步提升频谱效率。但其方案仍存在一定的缺陷，在发送端
→
接收端无直射径的假设下，RIS
‑
SM只激活一根发射天线。由于RIS抵消了被选发射天线到被选接收天线之间的信道相位，备选接收天线的接收信号功率得以加强，使得备选接收天线索引的检测能力得到了加强。但由于所选天线间的信道只有幅度变化，失去了相位维度的随机性，导致在直射径不存在时对发射天线索引的检测性能下降；此外，“A.Khaleel and E.Basar,"Reconfigurable intelligent surface
‑
empowered MIMO systems,"IEEE Syst.J.,vol.15,no.3,pp.4358
‑
4366,Sept.2021”中的RIS
‑
VBLAST模式在利用收发天线索引的同时，将VBLAST引入了RIS辅助的SM系统，但其同样也具有缺陷。RIS选择的收发天线索引信息并不会在直射径上传播，因此不能利用全部分集增益，这是RIS与SM技术结合的发展潜力和面临的挑战。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提出一种解决RIS
‑
SM系统未充分利用相位维度随机性问题并提高频谱效率的新型单RF链MIMO方案，称为带有相位偏移的可重构智能表面辅助广义空间调制(RIS
‑
assisted generalized spatial modulation with phase offse,RIS
‑
GSM
‑
P)。本专利技术的技术方案提出了RIS辅助的广义空间调制(generalized spatial modulation，GSM)
系统，从而提高了频谱效率和发射天线组合(Transmit Antennas Combinations,TAC)的灵活性；同时，本专利技术根据发送端
→
接收端直射径的有无，在RIS
‑
GSM
‑
P系统中设计了两种相位偏移方案。两种相位偏移方案在不会失去传统方案优势的同时，增强了RIS的波束赋形能力以及接收端对各种TAC和波束图案的检测能力，提升了误码性能。
[0005]考虑如图1、图2所示的RIS辅助的MIMO系统。发送端和接收端之间由RIS辅助进行通信，图1、图2分别表示发送端和接收端之间有无直射径两种情形。具体而言，系统由N
T
根发射天线，N
R
根接收天线和N
S
个RIS反射单元构成，并将所有的发射天线都通过开关阵列连接到单个RF链路上。TAC选择器从N
T
根发射天线中激活N
A
根，以构成发射天线的组合图案并发送信号。此外，假定发射机通过一个反馈链路实现对RIS的控制。整个系统的输入比特分3个部分：log2(M)个比特被调制为AMP符号；个比特被映射为TAC的索引；个比特被RIS用于选择激活的发射和接收天线对的索引上，整个系统的频谱效率为
[0006][0007]以下将根据发送端
→
接收端有无直射径的两种情形阐述所提出的RIS
‑
GSM
‑
P方案。
[0008](1)发送端
→
接收端无直射径时的RIS
‑
GSM
‑
P方案
[0009]如图1所示，发送端
→
RIS的信道和RIS
→
接收端的信道分别用接收端的信道分别用表示。因此接收信号y可以表述为
[0010][0011]其中x是APM符号向量，x
(k,l)
＝ρ
(k,l)
x是长为N
T
的发送向量，且有N
A
个值为x
(k,l)
的相同非零元素。ρ
(k,l)
是模值为1的相位偏移量，由发送端选择的第k种TAC和RIS选择的第l根被激活天线所决定，其中l表示的是第l根激活天线的索引。是噪声向量，服从复高斯分布从复高斯分布是对角矩阵，其对角元代表RIS单元的反射系数。是RIS入射功率的归一化因子，其中且h
nm
＝[H]nm
。
[0012]假设图1中第l根激活天线对应第i根发射天线，为了最大化第i根发射天线到第j根接收天线的信号功率，每个RIS单元抵消了天线对之间的信道相位。具体而言θ<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.带有相位偏移的可重构智能表面辅助广义空间调制方法，定义由RIS辅助的MIMO系统由N
T
根发射天线、N
R
根接收天线和N
S
个RIS反射单元构成，将所有的发射天线都通过开关阵列连接到单个RF链路上，发射天线组合选择器从N
T
根发射天线中激活N
A
根，以构成发射天线的组合图案并发送信号，发射机通过一个反馈链路实现对RIS的控制，其特征在于，包括：当发送端到接收端无直射径时，定义发送端到RIS的信号和RIS到接收端的信道分别为和通过发送端控制RIS的反馈链路，控制RIS单元的反射系数矩阵Θ，定义第l根激活天线对应第i根发射天线，为了最大化第i根发射天线到第j根接收天线的信号功率，每个RIS单元抵消了天线对之间的信道相位，则令：其中，和α
ni
和代表信道矩阵H第n行i列的信道系数对应的模值和相位，β
jn
和ψ
jn
代表信道矩阵G第j行n列的信道系数对应的模值和相位，同时，将相位偏移量ρ
(k,l)
定义为：其中，是用于映射发射天线组合的比特数，是RIS选择激活的发射天线索引对应的比特数，phase
min
是传输APM符号之间的最小相位差；根据发送端选择的第k种发射天线组合和RIS选择的第l个被激活天线，分别为发送信号向量添加相位偏移ρ
(k,l)
，得到发送信号向量为x
(k,l)
＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：张乐晨，赵苇航，雷霞，肖悦，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：