CN113839702B - 基于可重构智能表面的全双工通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可重构智能表面(RIS)的全双工(FD)通信技术，实现设备与设备(D2D)连接。本发明提出的基于RIS的全双工通信方法，可使通信双方在相同的物理资源上同时发送和接收信号，提高了系统频谱效率。通过RIS单元选择，可构造更适合全双工通信的传播环境，降低误码率。除了只反射的RIS，适用于下一代通信系统的RIS还包括可同时反射和透射的新型RIS，带有部分射频链路(RF)的混合RIS等，本发明的单元选择和虚拟星座图方法也可适用于这些RIS。

Description

基于可重构智能表面的全双工通信方法

技术领域

本发明涉及一种利用可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)实现全双工(Full Duplex，FD)通信的技术，可提高系统容量，属于移动通信系统中的信号处理领域。

背景技术

随着第五代移动通信系统(5G)进入商用阶段，第六代移动通信系统(6G)的研发拉开了序幕。6G将以全覆盖、全频谱、全应用、强安全的形式满足人们日益增长的各类通信需求，潜在的研究方向包括太赫兹通信、人工智能、超大规模MIMO技术以及可重构智能表面技术等。可重构智能表面由精心设计的电磁单元规则排列组成，这些电磁单元通常由金属、介质和可调元件构成。通过控制电磁单元中的可调元件，以可编程方式更改反射电磁波的电磁参数，例如相位和幅度。RIS通常放置于基站与用户之间，通过调整每个反射单元的参数改变入射信号的相位，使得经其反射后到达用户的信号同相叠加，增强接收信号的功率。与传统中继通信相比，RIS无需射频(RF)链路，不需要大规模供电，在功耗和部署成本上都将具有优势。

与此同时，随着电子元器件及信息技术的迅猛发展，无线通信中的自干扰消除能力得到显著提升，曾经被认为实现复杂度太高的全双工技术，正成为未来6G解决通信流量增长与频谱资源匮乏矛盾的重要途径之一。与传统的时分双工(TDD)和频分双工(FDD)不同，全双工技术可以在相同的时间和频率上同时收发信号。因此，FD的核心问题是如何消除自身的干扰。目前，通过在传输域、模拟域和数字域的算法，总体上可以消除上百分贝(dB)的自干扰，在一定程度上可以满足多数FD系统的实用需要。本发明提出一种基于可重构智能表面的全双工通信技术，使相互距离较远的用户能建立连接，并在相同的时频资源上同时收发信息。为了消除自干扰，通过设置参数γ_A和γ_B，对反射单元进行选择，构造更适合FD传输的无线信道环境，有效降低了接收端的误码率，提高了系统容量。本发明计算复杂度低，不需要增加任何额外的器件，可用于不同类型的RIS系统。

发明内容

技术问题：发明的目的是通过对RIS上的单元进行选择，可使通信双方在相同的物理资源上同时收发信号，提高系统容量，并据此进一步提供一种快速可靠、实现复杂度低的发送方法。

技术方案：为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

步骤1)、用户A发送导频，基站控制智能表面依次开启第1到M个单元，每次只开启1个，并将开启单元的反射系数设为1，用户B不发送也不接收信号；

步骤2)、根据发送的导频，用户A依次估计其与智能表面之间的信道

其中m＝1,2,...,M，并将信道参数反馈给基站；

步骤3)、用户B发送导频，基站控制智能表面依次开启第1到M个单元，每次只开启1个，并将开启单元的反射系数设为1，用户A不发送也不接收信号；

步骤4)、根据发送的导频，用户B依次估计其与智能表面之间的信道

其中m＝1,2,...,M，并将信道参数反馈给基站；

步骤5)、基站依次计算

和

并将满足

或

的单元序号m，存储为集合S；

步骤6)、基站控制智能表面，关闭集合S以外的单元，并将集合S内的单元的反射系数设为

其中α_m为

的相角；

步骤7)、用户A和用户B同时发送和接收信号；

其中，|·|表示取模操作；j表示虚数单位。可重构智能表面共有M个单元，用户A和B都只有1根天线。γ_A和γ_B为系统设置参数，可离线计算。

有益效果：

1.本发明提出的基于RIS的全双工通信技术，可使通信双方在相同的物理资源上同时发送和接收信号，提高了系统频谱效率。

2.通过RIS单元选择，可构造更适合全双工通信的传播环境，降低误码率。

除了只反射的RIS，适用于下一代通信系统的RIS还包括可同时反射和透射的新型RIS，带有部分射频链路(RF)的混合RIS等，本发明的单元选择和虚拟星座图方法也可适用于这些RIS。

附图说明

图1基于RIS单元选择的全双工通信技术原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好的理解本发明。需要特别注意的是，在以下的描述中，由于对一些已知的技术和功能的详细描述可能会淡化本发明的内容，这些描述在这里将被忽略。

考虑一个RIS辅助的窄带(Narrow-band)通信系统，具有全双工通信能力的用户A和B各有一根天线。RIS由基站(BS)或其它的控制单元控制，且有M个单元，每个单元可反射到达的入射信号，反射系数为

其中m＝1,2,...,M。由于每个单元都是无源的被动反射元件，所以

假设用户A和B之间相隔距离较远，或有障碍物，如：大楼，遮挡，它们之间不存在直接连通的信道，相互发送的信号只能通过RIS的反射后到达对方，如图1所示。另外，用户A和B采用现有的通信协议及链路已经与RIS的控制单元建立联系，如：通过上行信道(Uplink)与BS连接，并已经配对完成，准备进行通信。

本发明提出的全双工通信方法分为两个阶段，分别为信道估计阶段和数据传输阶段。在信道估计阶段，用户A发送导频信号，基站控制RIS打开第1个单元，关闭其它单元，同时将反射系数设为1。用户B保持静默，及既不发送信号，也不接收信号。经过频率平坦性(Frequency-flat)衰落信道，用户A接收到的离散基带等效信号(Discrete-timeEquivalent Baseband Signal)为：

其中，x_p(n)表示用户A在第n个时刻发送的导频信号；P_A表示用户A的发送功率；

表示第n个时刻的加性白高斯噪声(AWGN)；β₁(n)表示RIS第1个单元在第n个时刻设置的反射系数。g_A(n)表示用户A发送天线和接收天线之间第n个时刻的自干扰信道，由于该信道可以在产品出厂前或开机时测量，所以在本发明中假设已知。

表示用户A的发送天线与RIS第1个单元之间的信道；

表示RIS第1个单元与用户A接收天线之间的信道。假设信道相干时间(Coherence Time)远大于信道估计和数据传输时间，可认为信道在此期间保持不变。为了简化表示，在下面的分析中可去除时间序号n。同时，由于用户A的发送天线和接收天线距离较近，根据信道互易(Reciprocal Channel)原理，我们得到

和

由于接收端已知x_p(n)和g_A，可得到用户A的发送与接收天线之间经过RIS反射的复合信道

的估计为：

假设在第n+1时刻，基站控制RIS打开第2个单元，关闭其它单元，同时将反射系数设为1。用户B保持静默，及既不发送信号，也不接收信号。此时，用户A接收到的离散基带等效信号为：

其中，

表示用户A的发送天线(或接收天线)与RIS第2个单元之间的信道；

表示AWGN噪声。由于接收端已知x_p(n)，可得到基站与用户A之间经过RIS反射的复合信道

的估计为：

使用相同的方法，用户A最终可以得到其与RIS所有单元之间的复合信道估计

其中m＝1,2,...,M，并将它们反馈到基站。

接下来，用户B发送导频信号，基站控制RIS打开第1个单元，关闭其它单元，同时将反射系数设为1。此时，用户A保持静默，及既不发送信号，也不接收信号。通常，由于反射系数在相干时间内是保持不变的，所以可以忽略其时间序号n。假设用户A估计信道花了M个时间片，则用户B在第n+M时刻发送导频，其接收天线接收到的离散基带等效信号为：

其中，x_p(n+M)表示用户B在第n+M个时刻发送的导频信号；P_B表示用户B的发送功率；

表示第n+M个时刻的AWGN。g_B表示用户B发送天线和接收天线之间的自干扰信道，由于该信道可以在产品出厂前或开机时测量，所以在本发明中假设已知。

表示用户B的发送天线与RIS第1个单元之间的信道；

表示RIS第1个单元与用户B接收天线之间的信道。根据信道互易原理，我们得到

和

由于接收端已知x_p(n+M)和g_B，可得到用户B的发送与接收天线之间经过RIS反射的复合信道

的估计为：

使用相同的方法，用户B最终可以得到其与RIS所有单元之间的复合信道估计

其中m＝1,2,...,M，并将它们反馈到基站。

基站从m＝1开始，依次分别计算

和

并将满足

或

的单元序号m，存储为集合S。γ_A和γ_B为系统设置参数，可离线计算，也可在线计算，比如：

接下来，基站还需计算集合S中复合信道的相角。假设

为

的相角，

为

的相角，得到：

在数据传输阶段，基站控制RIS关闭集合S以外的单元，并将集合S内的单元的反射系数设为

假设第n个时刻，用户A和用户B在相同的时频资源上发送信号

和

此时，用户A接收到的信号为：

用户B接收到的信号为：

公式[十一]和[十二]右边第1项为有用信号，第2项为自干扰项，第3项为AWGN。接收信号的信干噪比(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio，SINR)分别为：

和

其中

表示噪声方差。由公式[十三]和[十四]可以看到，本发明通过单元选择，选出了

大于

和

的单元，因而增大了信干噪比，降低了误码率。由于接收算法可采用现有的技术，这里不再赘述。

据以上描述，可以得到一种基于可重构智能表面的全双工通信技术实现步骤如下：

步骤1)、用户A发送导频，基站控制智能表面依次开启第1到M个单元，每次只开启1个，并将开启单元的反射系数设为1，用户B不发送也不接收信号；

步骤2)、根据发送的导频，用户A依次估计其与智能表面之间的信道

其中m＝1,2,...,M，并将信道参数反馈给基站；

步骤3)、用户B发送导频，基站控制智能表面依次开启第1到M个单元，每次只开启1个，并将开启单元的反射系数设为1，用户A不发送也不接收信号；

步骤4)、根据发送的导频，用户B依次估计其与智能表面之间的信道

其中m＝1,2,...,M，并将信道参数反馈给基站；

步骤5)、基站依次计算

和

并将满足

或

的单元序号m，存储为集合S；

步骤6)、基站控制智能表面，关闭集合S以外的单元，并将集合S内的单元的反射系数设为

其中α_m为

的相角；

步骤7)、用户A和用户B同时发送和接收信号。

其中，|·|表示取模操作；j表示虚数单位。可重构智能表面共有M个单元，用户A和B都只有1根天线。γ_A和γ_B为系统设置参数，可离线计算。

Claims (1)

1.一种基于可重构智能表面的全双工通信方法，其特征在于首先进行信道估计，该方法包括如下步骤：

1)用户A发送导频，基站控制智能表面依次开启第1到M个单元，每次只开启1个，并将开启单元的反射系数设为1，用户B不发送也不接收信号；

2)根据发送的导频，用户A依次估计其与智能表面之间的信道

其中m＝1,2,...,M，并将信道参数反馈给基站；

3)用户B发送导频，基站控制智能表面依次开启第1到M个单元，每次只开启1个，并将开启单元的反射系数设为1，用户A不发送也不接收信号；

4)根据发送的导频，用户B依次估计其与智能表面之间的信道

其中m＝1,2,...,M，并将信道参数反馈给基站；

5)基站计算系统参数，对单元进行选择；

6)激活选择的单元，并设置其反射系数，然后进行通信；

步骤5)的具体步骤为：基站依次计算

和

并将满足

或

的单元序号m，存储为集合S；γ_A和γ_B为系统设置参数，可离线计算；

步骤6)的具体步骤包括：

步骤6.1)基站控制智能表面，关闭集合S以外的单元，并将集合S内的单元的反射系数设为

其中α_m为

的相角；

步骤6.2)用户A和用户B同时发送和接收信号；

其中，|·|表示取模操作；j表示虚数单位；可重构智能表面共有M个单元，用户A和B都只有1根天线。

Images