CN114362800B - 基于离散相位智能超表面系统的主被动信息共生传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于离散相位智能超表面系统的主被动信息共生传输方法，离散相位智能超表面系统包括一个配置单天线的发射机、一个配备M根天线的接收机，以及一个配置N个反射元的智能超表面，其中智能超表面的每个反射元件可独立调整其反射相位至B个离散值；主被动信息共生传输方法包括：智能超表面通过索引调制和相位调制实现被动信息传输；发射机通过环境自适应的智能幅度和相位调制实现主动信息传输；接收机根据接收信号，解调发射机和智能超表面的主被动信息。本发明利用所提出的基于离散相位智能超表面系统的主被动信息共生传输方法，可以使得在频谱复用的情况下，避免智能超表面和现有通信系统的信息干扰，实现主被动信息共生传输。

Description

基于离散相位智能超表面系统的主被动信息共生传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及基于离散相位智能超表面系统的主被动信息共生传输方法。

背景技术

智能超表面是一项以低功耗形式调整无线信道幅度和相位的技术，近期已成为未来第六代无线通信研究中热点问题，并受到工业届和学术界的高度关注。如公开号为CN110830097A的中国专利公开了一种基于反射面的主被动互惠共生传输通信系统，包括单天线发射基站、含多个独立可控的反射单元的智能反射面以及单天线主被动协同接收机，智能反射面与传感器连接；单天线发射基站和智能反射面构成互惠共生通信系统发射部分，分别发射主动信号与被动信号；单天线协同接收机同时接收主动信号和被动信号，并分别解调出来自基站的主动信息和来自与智能反射面相连的传感器的被动信息，其中被动信息通过无线信道的时延长度进行指示。如公开号为CN110278017A的中国专利公开了一种无线能量传输系统、装置、方法及一种能量发送机、一种智能反射面和一种计算机可读存储介质，该方法包括：获取信道状态信息；根据所述信道状态信息计算波束成型矢量和智能反射面的反射参数；根据所述波束成型矢量发送能量信号，并将所述反射参数发送至所述智能反射面，以便所述智能反射面根据所述反射参数调节反射阵列；其中，所述智能反射面包括多个所述反射阵列，所述能量发送机发送的所述能量信号直射至能量接收机、并通过所述智能反射面反射至所述能量接收机。

将智能超表面作为现有通信系统的辅助，大量工作证明它能有效增强通信系统的容量和性能。另一方面，当智能超表面配置大量低功耗的传感器，其需要定时上传自身数据信息。因此智能超表面和现有通信系统的主被动信息共生传输值得进一步研究和关注。

发明内容

本发明的目的在于提出基于离散相位智能超表面系统的主被动信息共生传输方法，为一种环境自适应的智能调制传输方法和相应的检测方法，以使得在频谱复用的情况下，避免智能超表面和现有通信系统的信息干扰，实现主被动信息共生传输。

本发明所提供的技术方案为：

基于离散相位智能超表面系统的主被动信息共生传输方法，所述离散相位智能反射表面系统包括一个配置单天线的发射机、一个配备M根天线的接收机，以及一个配置N个反射元的智能超表面，其中智能超表面的每个反射元件可独立调整其反射相位至B个离散值；所述主被动信息共生传输方法包括：

1)智能超表面通过索引调制和相位调制实现被动信息传输；

2)发射机通过环境自适应的智能幅度和相位调制实现主动信息传输；

3)接收机根据接收信号，解调发射机的主动信息和智能超表面的被动信息。

所述智能超表面通过索引调制和相位调制实现被动信息传输，即

具体实现方式如下：

1)索引调制：智能超表面调整每个反射元的相位至最佳相位以最大化接收机第m根天线的信道强度

其中所选索引天线m由log₂M比特的信息决定；

2)相位调制：基于最佳相位，智能超表面进一步对所有反射元件的相位增加一个相位值

其中b∈{0，1，...，B-1}由log₂B比特的信息决定。

所述发射机通过环境自适应的智能幅度(amplitude modulation)和相位调制(Phase modulation)实现主动信息传输，具体的，发射机的基带信号可表示为：

其中幅度x和相位φ均包含调制信息，

表示Q进制的信号集，并且平均功率满足E[|s|²]＝E。为避免频谱复用情况下，智能超表面和发射机的相位信息干扰，需将φ的值限制在

区域内。

接收机根据接收信号，解调发射机和智能超表面的主被动信息，具体实现方式如下：

1)首先通过判断每根天线接收信号的功率检测所选天线的索引m恢复log₂ M比特被动信息，即，

其中y_m′表示第m′根天线的接收信号；

2)然后，根据y_m′恢复发射机log₂ Q比特主动和智能超表面log₂ B比特被动信息；其中，假设y_m′的信号集形成BQ进制APSK星座图，通过将接收信号和最佳星座图进行最大似然判决，实现log₂ BQ比特信息的检测。

作为优选，发射机幅度x有且仅有2种取值x₁和x₂，因此BQ进制的APSK星座图包含2个环：内环和外环。假设内环和外环所包含星座点数分别为A₁和A₂，为实现发射机和智能超表面主被动信息共生传输，其应满足A₁∈

和A₁+A₂＝BQ。基于此思路扩展的更多幅度取值应在本发明保护范围内。

所述最佳星座图指：遍历所有A₁和A₂的可行域，使得星座图上最小欧氏距离d_min最大的星座图。对于给定的A₁和A₂，实现最佳星座图，发射机的环境自适应智能调制信号的幅度需满足：

当d_1，2(R_1，2)＞d₁(R_1，2)，

d_min＝d₂(R_1，2)，

当d_1，2(R_1，2)≤d₁(R_1，2)，

d_min＝d₂(R_1，3)，

其中

d_l(r)表示环l上点之间的最小欧式距离，给出如下：

d_1，2(r)表示环1和环2上点之间的最小欧式距离，给出如下：

R(r)为圆环的半径，给出如下：

的函数表达式如下：

ω₁和ω₂为给定值，t₁∈{0，1，...，A₁-1}，t₂∈{0，1，...，A₂-1}，

R_1，2为d₁(r)和d₂(r)的交点，给出如下：

R_1，3为d₁(r)和d_1，2(r)的交点，给出如下：

E₀是单位r对应的能量。

同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明通过联合设计智能超表面和发射机的环境自适应智能调制方式，以使得在频谱复用的情况下，避免智能超表面和发射机的信息干扰，实现主被动信息共生传输。

(2)本发明通过联合设计智能超表面和发射机信息的联合解调方式，实现了智能超表面和发射机主被动信息的同时解调。

附图说明

图1为实施例中发射机和智能超表面信息符号的误符号率展示图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明不限于以下的实施方式。

本发明提供了基于离散相位智能超表面系统的主被动信息共生传输方法，离散相位智能反射表面系统包括一个配置单天线的发射机、一个配备M根天线的接收机，以及一个配置N个反射元的智能超表面，其中智能超表面的每个反射元件可独立调整其反射相位至B个离散值；

基于离散相位智能超表面系统的主被动信息共生传输方法包括：

S1、智能超表面通过索引调制和相位调制实现被动信息

传输。

具体实现方式如下：

1)索引调制：智能超表面调整每个反射元的相位至最佳相位以最大化接收机第m根天线的信道强度

其中所选索引天线m由log₂M比特的信息决定；

2)相位调制：基于最佳相位，智能超表面进一步对所有反射元件的相位增加一个相位值

其中b∈{0，1，...，B-1}由log₂B比特的信息决定。

S2、发射机通过环境自适应的智能幅度和相位调制实现主动信息传输。

所述发射机通过环境自适应的智能幅度和相位调制实现主动信息传输，具体的，发射机的基带信号可表示为：

其中幅度x和相位φ均包含调制信息，

表示Q进制的信号集，并且平均功率满足E[|s|²]＝E。为避免频谱复用情况下，智能超表面和发射机的相位信息干扰，需将φ的值限制在

区域内。

S3、接收机根据接收信号，解调发射机和智能超表面的主被动信息。

具体实现方式如下：

1)首先通过判断每根天线接收信号的功率检测所选天线的索引m恢复log₂M比特被动信息，即，

其中y_m′表示第m′根天线的接收信号；

2)然后，根据y_m′恢复发射机log₂Q比特主动和智能超表面log₂B比特被动信息。假设y_m′的信号集形成BQ进制APSK星座图，通过将接收信号和最佳星座图进行最大似然判决，实现log₂BQ比特信息的检测。

为便于展示说明，以下假设发射机幅度x有且仅有2种取值x₁和x₂，因此BQ进制的APSK星座图包含2个环。假设内环和外环所包含星座点数分别为A₁和A₂，为实现发射机和智能超表面主被动信息共生传输，其应满足A₁∈

和A₁+A₂＝BQ。基于此思路扩展的更多幅度取值应在本发明保护范围内。

最佳星座图指：遍历所有A₁和A₂的可行域，使得星座图上最小欧氏距离d_min最大的星座图。对于给定的A₁和A₂，实现最佳星座图，发射机的环境自适应智能调制信号的幅度需满足：

当d_1，2(R_1，2)＞d₁(R_1，2)，

d_min＝d₂(R_1，2)，

当d_1，2(R_1，2)≤d₁(R_1，2)，

d_min＝d₂(R_1，3)，

其中

d_l(r)表示环l上点之间的最小欧式距离，给出如下：

d_1，2(r)表示环1和环2上点之间的最小欧式距离，给出如下：

R(r)为圆环的半径，给出如下：

的函数表达式如下：

ω₁和ω₂为给定值，t₁∈{0，1，...，A₁-1}，t₂∈{0，1，...，A₂-1}，

R_1，2为d₁(r)和d₂(r)的交点，给出如下：

R_1，3为d₁(r)和d_1，2(r)的交点，给出如下：

E₀是单位r对应的能量。

图1展示了在完美信道状态信息和非完美信道状态信息情况下，发射机和智能超表面信息符号的误符号率(Symbol Error Rate，SER)。估计的信道状态信息被建模为

其中

和e_m，n分别表示第m根天线到第n个智能超表面反射元件的估计信道和估计误差。此外，将e_m，n建模为零均值和方差为

的复高斯随机变量，并假设

其中η表示误差的方差与完美信道状态信息能量的比值。观察曲线，看到具有不完美信道状态信息的智能超表面/发射器的SER随着估计精度的增加(较小的η)而降低。此外，看到η＝0.01已经可以达到令人满意的性能，从而验证了所提出方案在不完美信道状态信息下的有效性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于离散相位智能超表面系统的主被动信息共生传输方法，其特征在于，所述离散相位智能反射表面系统包括一个配置单天线的发射机、一个配备M根天线的接收机，以及一个配置N个反射元的智能超表面，其中智能超表面的每个反射元件可独立调整其反射相位至B个离散值；

所述主被动信息共生传输方法包括：

1)智能超表面通过索引调制和相位调制实现被动信息传输；

2)发射机通过环境自适应的智能幅度和相位调制实现主动信息传输；

3)接收机根据接收信号，解调发射机的主动信息和智能超表面的被动信息；

智能超表面通过索引调制和相位调制实现被动信息

传输，具体实现方式如下：

1)索引调制：智能超表面调整每个反射元的相位至最佳相位以最大化接收机第m根天线的信道强度

其中所选索引天线m由log₂M比特的信息决定；

2)相位调制：基于最佳相位，智能超表面进一步对所有反射元件的相位增加一个相位值

其中b∈{0,1,…,B-1}由log₂B比特的信息决定；

发射机通过环境自适应的智能幅度和相位调制实现主动信息传输，具体的，发射机的基带信号可表示为：

其中幅度x和相位φ均包含调制信息，

表示Q进制的信号集，并且平均功率满足E[|s|²]＝E。

接收机根据接收信号，解调发射机的主动信息和智能超表面的被动信息，具体实现方式如下：

1)首先通过判断每根天线接收信号的功率检测所选天线的索引m恢复log₂M比特被动信息：

其中y_m′表示第m′根天线的接收信号；

2)然后根据y_m′恢复发射机log₂Q比特主动信息和智能超表面log₂B比特被动信息；其中，假设y_m′的信号集形成BQ进制APSK星座图，通过将接收信号和最佳星座图进行最大似然判决，实现log₂BQ比特信息的检测。

2.根据权利要求1所述的基于离散相位智能超表面系统的主被动信息共生传输方法，其特征在于，发射机幅度x有且仅有2种取值x₁和x₂，则BQ进制的APSK星座图包含2个环：内环和外环；假设内环和外环所包含星座点数分别为A₁和A₂，为实现发射机和智能超表面主被动信息共生传输，其应满足

和A₁+A₂＝BQ。

3.根据权利要求2所述的基于离散相位智能超表面系统的主被动信息共生传输方法，其特征在于，最佳星座图指：遍历所有A₁和A₂的可行域，使得星座图上最小欧氏距离d_min最大的星座图。

4.根据权利要求3所述的基于离散相位智能超表面系统的主被动信息共生传输方法，其特征在于，对于给定的A₁和A₂，实现最佳星座图，发射机的环境自适应智能调制信号的幅度需满足：

当d_1,2(R_1,2)>d₁(R_1,2)，

d_min＝d₂(R_1,2),

当d_1,2(R_1,2)≤d₁(R_1,2)，

d_min＝d₂(R_1,3)，

其中，

d_l(r)表示环l上点之间的最小欧式距离，给出如下：

d_1,2(r)表示环1和环2上点之间的最小欧式距离，给出如下：

R(r)为圆环的半径，给出如下：

的函数表达式如下：

ω₁和ω₂为给定值，t₁∈{0,1,…,A₁-1},t₂∈{0,1,…,A₂-1}，

R_1,2为d₁(r)和d₂(r)的交点，给出如下：

R_1,3为d₁(r)和d_1,2(r)的交点，给出如下：

E₀是单位r对应的能量。

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