CN115225149B

CN115225149B - 通过ris辅助的可见光通信方法、系统、介质及设备

Info

Publication number: CN115225149B
Application number: CN202210803013.7A
Authority: CN
Inventors: 路璐; 刘起凯; 谢欣言; 张润心
Original assignee: Technology and Engineering Center for Space Utilization of CAS
Current assignee: Technology and Engineering Center for Space Utilization of CAS
Priority date: 2022-07-07
Filing date: 2022-07-07
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2042-07-07
Also published as: CN115225149A

Abstract

本发明属于光通信领域，尤其涉及通过RIS辅助的可见光通信方法、系统、介质及设备。该方法包括：判断RIS控制器接收到的传输信号的个数，生成判断结果，该结果用于控制一种具有液晶部分和玻璃基底的RIS；若所述判断结果为一个，则增加RIS液晶部分两端的电压，基于增压后的RIS完成通信；若所述判断结果为两个，则增加RIS液晶部分两端的电压，调整RIS的玻璃基底，并基于调整后的RIS以及位于RIS后的具备物理层网络编码(PNC)功能的设备完成通信。通过本发明能够实现在一对一单向中继通信时提高接收用户接收到的光信号强度以及在双向中继通信时减少通信时隙和提高中继接收器接收到的光信号强度。

Description

通过RIS辅助的可见光通信方法、系统、介质及设备

技术领域

本发明属于光通信领域，尤其涉及通过RIS辅助的可见光通信方法、系统、介质及设备。

背景技术

可重构智能表面(RIS)是一种全新的革命性技术，它最早被提出是被用来应用于射频(RF)通信，并且是一种无源器件。RIS是由电磁材料制成，并且具有灵活调节和控制电磁参数的能力，由此同时，其成本具有可控性。RIS可以通过在平面上集成大量低成本的无源反射元件，通过调整无源反射元件的位置以及角度智能地重新配置无线传播环境，从而显著提高无线通信网络的性能。RIS的不同元件可以通过控制其幅度和/或相位来独立地反射入射信号，从而协同地实现用于定向信号增强或零陷的精细的三维(3D)无源波束形成。RIS反射的信号可以与来自其它路径的信号建设性地相加，以增强接收机处的期望信号功率，或者破坏性地消除诸如同信道干扰等不期望信号。

可见光通信(VLC)，是利用荧光灯或者发光二极管等发出肉眼看不到的告诉明暗闪烁的光来传递信息，有着速度快、保密性高、频段广等特点。由于在射频波段已经出现了“频谱危机”的问题，因此向高频段探索甚至是利用可见光波段的电磁波来传递信息是6G一个潜在的并且极具可行性的方案。

两个载有信号的电磁波在物理层叠加，通过对叠加后的电磁波进行映射的编码方式称为物理层网络编码(PNC)。物理层网络编码具有以下四点优势(1)传输频谱效率高：传统方式需要4个时隙，物理层网络编码只需要2个时隙，传输效率提高一倍。(2)物理安全性好：中继节点收到的是两个用户节点的叠加信息，中继不能得到两个用户的任何实际信息。因此，即使中继被黑客控制或者被第三方窃听，都不会泄露任何有用信息。(3)系统的能量效率高：利用物理层网络编码，中继下行仅需要一次广播，可以将传输能量消耗降低50％，延长中继的寿命。(4)缓解中继的存储压力：中继只需要存储叠加的信号，不需要分别存储两个信号，将存储效率提高50％。

现有技术中，利用RIS进行光强放大的中继通信可以满足一对一单向通信，但是如果是双向通信时就需要进行协商两个用户之间发送消息的先后顺序。而PNC中继方式减少了两个用户之间互相传递信息的时隙，却没有考虑到在实际生活中还存在只有一个用户发送信息其余用户接收信息的情况，这时运用PNC中继方式会使通信时间增长。而且用户端发出的光信号比较弱，在中继节点所接收到的光信号会更弱，这样会导致接收信号有较大的误码率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供通过RIS辅助的可见光通信方法、系统、介质及设备。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种通过RIS辅助的可见光通信方法，包括：

判断RIS控制器接收到的传输信号的个数，生成判断结果；

若所述判断结果为一个，则增加RIS液晶部分两端的电压，基于增压后的RIS完成通信；

若所述判断结果为两个，则增加RIS液晶部分两端的电压，调整RIS的玻璃基底，并基于预设信号交换方式进行通信。

本发明的有益效果是：在一对一单向中继通信时可以有效提高接收用户接收到的光信号强度以及在双向中继通信时可以缩短通信时隙和提高中继接收器接收到的光信号强度。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述增加RIS液晶部分两端的电压，基于增压后的RIS完成通信具体包括：

当第一终端向所述RIS控制器发送光信号，RIS控制器在判断传输信号个数为一之后将RIS液晶部分两端的电压增至满足预设条件，RIS放大光信号强度并反射所述光信号至第二终端，完成通信。

上述内容的有益效果是：一对一单向中继通信时RIS对光信号起到了放大以及反射的作用；在两个用户之间可见光通信链路出现遮挡时可以通过RIS建立非视距链路进行光通信。

进一步，所述增加RIS液晶部分两端的电压，调整RIS玻璃基底，并基于预设信号交换方式进行通信具体为：

当第一终端以及第二终端向所述RIS控制器发送光信号，RIS控制器在判断传输信号个数为二后增加RIS液晶部分两端的电压至满足预设条件，调整RIS的玻璃基底至能够折射光信号，之后第一终端以及第二终端同时发送携带各自信息的光信号并在自由空间生成叠加光信号，通过所述RIS对所述叠加信号进行放大处理，得到放大叠加光信号，所述放大叠加信号通过RIS折射到位于RIS后的中继接收端上，通过中继解码装置得到包含第一终端以及第二终端的叠加信息，将所述叠加信息通过PNC处理装置进行PNC编码处理，得到携带PNC编码的放大叠加光信号，通过光源将所述携带PNC编码的放大叠加光信号进行发送，根据所述第一终端以及所述第二终端进行PNC解码的结果，完成通信。

上述内容的有益效果是：可以实现PNC中继和不进行信号处理的光信号放大中继的功能；双向中继通信时RIS辅助中继器起到了光信号放大以及折射作用；单向中继通信在两个用户之间可见光通信链路出现遮挡时可以通过RIS建立非视距链路进行光通信；在双向中继通信时利用PNC技术可以缩短通信时隙。

进一步，所述PNC处理装置包括：

PIN光电二极管、PNC编码装置以及光电转换装置。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种通信请求判断系统，包括：

判断模块，用于判断RIS控制器接收到的传输信号的个数，生成判断结果；

第一结果模块，用于若所述判断结果为一个，则增加RIS液晶部分两端的电压，基于增压后的RIS完成通信；

第二结果模块，用于若所述判断结果为两个，则增加RIS液晶部分两端的电压，调整RIS的玻璃基底，并基于预设信号交换方式进行通信。

本发明的有益效果是：在一对一单向中继通信时可以有效提高接收用户接收到的光信号强度以及在双向中继通信时可以缩短通信时隙并提高中继接收器接收到的光信号强度。

进一步，所述增加RIS的前端液晶部分两端的电压，基于增压后的RIS完成通信具体包括：

进一步，所述PNC处理装置包括：

PIN光电二极管、PNC编码装置以及光电转换装置。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上述任一项所述的一种通过RIS辅助的可见光通信方法。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种电子设备，包括上述存储介质、执行上述存储介质内的指令的处理器。

附图说明

图1为本发明一种通过RIS辅助的可见光通信方法的实施例提供的流程示意图；

图2为本发明一种通过RIS辅助的可见光通信系统的实施例提供的结构框架图；

图3为本发明一种通过RIS辅助的可见光通信方法的实施例提供的流程总示意图；

图4为本发明一种通过RIS辅助的可见光通信方法的实施例提供的PNC处理部分示意图；

图5为本发明一种通过RIS辅助的可见光通信方法的实施例提供的中继电光转换部分示意图；

图6为本发明一种通过RIS辅助的可见光通信方法的实施例提供的用户端电光转换部分示意图；

图7为本发明一种通过RIS辅助的可见光通信方法的实施例提供的用户接收处理部分示意图；

图8为本发明一种通过RIS辅助的可见光通信方法的实施例提供的判断结果为一个时的空间示意图；

图9为本发明一种通过RIS辅助的可见光通信方法的实施例提供的判断结果为两个时的空间示意图。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种通过RIS辅助的可见光通信方法，包括：

判断RIS控制器接收到的传输信号的个数，生成判断结果；

在一些可能的实施方式中，在一对一单向中继通信时可以有效提高接收用户接收到的光信号强度以及在双向中继通信时可以缩短通信时隙和提高中继接收器接收到的光信号强度。

需要说明的是，RIS是一种材料，它的组成有前端(液晶部分)、后端(玻璃基底)。

增加RIS的前端液晶部分两端的电压为：对电压增加到液晶部分可以使穿过液晶部分的弱光光强增加的程度。这是一个性质，通过在液晶两端加上一个合适的外加电场可以实现对弱光光强的放大。

RIS玻璃基底可以通过调整实现对光线的反射与折射的功能。

如图3、图8以及图9所示，无论是一对一单向中继通信还是双向中继通信，用户在通信前都需要发送一个前缀序列，该序列用于判断传输信号的个数进而可以判断是一对一通信还是双向通信。前缀序列的形式可以是用户A发送01，用户B发送10，RIS控制器可以通过接收到的前缀序列来判断有几个用户需要发送信息进而控制RIS的状态。如果RIS控制器收到01或者10，那么只有一个用户需要发送信息，如果RIS控制器收到11，那么就有两个用户发送信息。对于用户预先发送前缀序列的行为本专利称为发送数据请求，因为判断方式不限于本专利中提出的方法。当用户需要单向通信和双向通信进行切换时，发送数据的用户需要重新发送数据请求，等待RIS调整完之后再进行通信。RIS控制器如果在一分钟之内没有接收到任何光生电流，代表用户发送数据的动作结束，RIS控制器控制RIS进入关闭状态。如果只有一个用户需要向对方传递信息时，首先向空间中发送一个请求，该请求被RIS控制器捕获后RIS控制器会增加RIS液晶部分两端电压，使液晶部分起到对弱光的放大作用。RIS玻璃基底保持，这样RIS对光线进行放大之后仍会被反射到空间中。如果RIS控制器捕获到两个请求，那么用户之间是进行互换信息的操作，这时RIS控制器增加RIS液晶部分电压至电压增加到液晶部分可以使穿过液晶部分的弱光光强增加的程度，同时调整RIS玻璃基底(调整之前的玻璃基底对光起到了反射作用，调整之后玻璃基底提高了对光的折射率，降低了反射率。)。使入射光不再反射而是折射到位于RIS后中继器的接收处理部分的接收端，此时RIS起到对弱光放大以及折射的作用。中继器接收到叠加的携带有需要互换信息的光信号之后(携带有A发送信息的光信号以及B发送信息的光信号在空间中叠加的光信号)，之后对叠加的光信号上的信息进行物理层网络编码。将编码之后的信息调制到驱动中继发射端的电流上，通过中继发射端将编码之后的信息发送到空间中。用户A、B都接收到来自中继的信息之后进行PNC译码工作，进而获得对方信息。用户之间信息交换过程分为两个时隙：时隙1内产生的动作是用户A、B向中继器发送消息，时隙2内产生的动作使用户A、B从PNC中继获得信息。PNC接收处理部分具体结构详见PNC处理部分。考虑到室内电力线路的原因以及中继节点可以作为室内照明设备的原因，这里的中继节点设计为不可移动的。

其中，RIS玻璃基底为：通过对玻璃基底的操作可以实现RIS对光的反射和折射。由于玻璃基底的材料可以采用可变亚克力、智能玻璃等材料，其对应的控制方式有不同，可变亚克力是通过热控制选择反射和折射功能，智能玻璃的控制方式有电、热控制。

优选地，在上述任意实施例中，所述增加RIS液晶部分两端的电压，基于增压后的RIS完成通信具体包括：

在一些可能的实施方式中，一对一单向中继通信时RIS对光信号起到了放大以及反射的作用；在两个用户之间可见光通信链路出现遮挡时可以通过RIS建立非视距链路进行光通信。

需要说明的是，预设条件为：对电压增加到液晶部分可以使穿过液晶部分的弱光光强增加的程度。这是一个性质，通过在液晶两端加上一个合适的外加电场可以实现对弱光光强的放大。

优选地，在上述任意实施例中，所述增加RIS液晶部分两端的电压，调整RIS玻璃基底，并基于预设信号交换方式进行通信具体为：

在一些可能的实施方式中，可以实现PNC中继和不进行信号处理的光信号放大中继的功能；双向中继通信时RIS辅助中继器起到了光信号放大以及折射作用；单向中继通信在两个用户之间可见光通信链路出现遮挡时可以通过RIS建立非视距链路进行光通信；在双向中继通信时利用PNC技术可以缩短通信时隙。

需要说明的是，中继解码装置即为现有技术中常见解码器。针对第一终端以及第二终端部分：

用户端调制驱动模块

1、用户端电光转换部分

如图6所示，发射机首先将信息(生成的信息包(0-1bit信息))调制到载波上产生已调信号并对已调信号放大，预均衡电路拓宽了系统的带宽，Bias-Tee电路起到了叠加直流偏置的作用，最后用于驱动LED。用户端电光转换部分还可以对信号进行编码处理，如果将信号进行编码处理那么在接收端就相应的要进行译码工作。这里需要进行译码操作的接收端包括中继器的接收端以及用户的接收端。

2、用户的接收处理部分

用户接收处理部分如图7所示，用户接收端PIN二极管将光信号转化为电流后，跨阻放大电路将电流转化为电压，经后接AGC之后进行解调和PNC译码操作得到对方的信息。

优选地，在上述任意实施例中，所述PNC处理装置包括：

PIN光电二极管、PNC编码装置以及光电转换装置。

需要说明的是，如图4所示，PNC处理部分(即PNC处理装置)包括PIN光电二极管、PNC编码(即PNC编码装置)以及电光转换部分(即光电转换装置)。

1、PNC编码装置

中继器采用物理层网络编码技术(PNC)，本发明所用的网络编码技术是用来处理两个用户之间信息交换，在时间1内，用户A、B同时向中继器发送各自需要发送给对方的已调信号S1、S2。中继器接收到在空间中叠加的信号S3(S3中包括S1、S2)之后对Sr进行编码处理，本专利的处理利用类似S1、S2异或运算的编码方式，但不局限于异或运算，两个用户还可以采用加法运算等运算。在时间2内中继器发送Sr，这里的Sr是中继器编码之后得到的信息流。用户A和用户B都会接收到来自中继器发送的携带有Sr信息的可见光信号，将可见光信号进行解调之后得到Sr。用户A、B分别根据各自信息S1、S2以及共同信息Sr进行计算，就可以得到对方发送给自己的信息，对于本发明用户A、B直接将接收到的信息与自己原有信息进行异或处理就可以得到对方信息。即用户A得到S2，用户B得到S1。当多用户利用PNC中继通信时，需要进行相应调整。

2、电光转换部分

如图5所示，电光转换部分首先将信息调制到载波上产生已调信号并对已调信号放大，预均衡电路拓宽了系统的带宽，耦合器起到了叠加直流偏置的作用，最后用于驱动LED。发送端还可以对信号进行编码处理，如果将信号进行编码处理那么在接收端就相应的要进行译码工作。本专利考虑到中继器的发光器可以作为光通信照明光源使用，即发光器接入PLC，这样的话需要将信号先经过PLC调制解调器，目的是为了将网络信号转换为适合在电力线上传输的电力线信号。耦合器的作用是将强电和弱电隔离开，用以保护弱电电路，并将信号耦合到PLC电流上。

如图2所示，一种通信请求判断系统，包括：

判断模块100，用于判断RIS控制器接收到的传输信号的个数，生成判断结果；

第一结果模块200，用于若所述判断结果为一个，则增加RIS液晶部分两端的电压，基于增压后的RIS完成通信；

第二结果模块300，用于若所述判断结果为两个，则增加RIS液晶部分两端的电压，调整RIS的玻璃基底，并基于预设信号交换方式进行通信。

优选地，在上述任意实施例中，所述增加RIS的前端液晶部分两端的电压，基于增压后的RIS完成通信具体包括：

优选地，在上述任意实施例中，所述PNC处理装置包括：

PIN光电二极管、PNC编码装置以及光电转换装置。

PNC编码装置即为现有技术中常用的编码器，光电转换装置即为光电转换器。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，步骤的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤，或一些特征可以忽略，或不执行。

上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种通过RIS辅助的可见光通信方法，其特征在于，包括：

判断RIS控制器接收到的传输信号的个数，生成判断结果；

若所述判断结果为两个，则增加RIS液晶部分两端的电压，调整RIS玻璃基底，并基于预设信号交换方式进行通信；

其中，所述增加RIS液晶部分两端的电压，调整RIS玻璃基底，并基于预设信号交换方式进行通信具体为：

当第一终端以及第二终端向所述RIS控制器发送光信号，RIS控制器在判断传输信号个数为二后增加RIS液晶部分两端的电压至满足预设条件，调整RIS的玻璃基底至能够折射光信号，之后第一终端以及第二终端同时发送携带各自信息的光信号并在自由空间生成叠加光信号，通过所述RIS对叠加光信号进行放大处理，得到放大叠加光信号，所述放大叠加光信号通过RIS折射到位于RIS后的中继接收端上，通过中继解码装置得到叠加信息，所述叠加信息为第一终端以及第二终端同时发送携带各自信息的光信号并在自由空间生成叠加光信号，将所述叠加信息通过物理层网络编码技术PNC处理装置进行PNC编码处理，得到携带PNC编码的放大叠加光信号，通过光源将所述携带PNC编码的放大叠加光信号进行发送，根据所述第一终端以及所述第二终端进行PNC解码的结果，完成通信。

2.根据权利要求1所述的一种通过RIS辅助的可见光通信方法，其特征在于，所述增加RIS液晶部分两端的电压，基于增压后的RIS完成通信具体包括：

3.根据权利要求2所述的一种通过RIS辅助的可见光通信方法，其特征在于，所述PNC处理装置包括：

PIN光电二极管、PNC编码装置以及光电转换装置。

4.一种通过RIS辅助的可见光通信系统，其特征在于，包括：

第二结果模块，用于若所述判断结果为两个，则增加RIS液晶部分两端的电压，调整RIS的玻璃基底，并基于预设信号交换方式进行通信；

5.根据权利要求4所述的一种通过RIS辅助的可见光通信系统，其特征在于，所述增加RIS液晶部分两端的电压，基于增压后的RIS完成通信具体包括：

6.根据权利要求5所述的一种通过RIS辅助的可见光通信系统，其特征在于，所述PNC处理装置包括：

PIN光电二极管、PNC编码装置以及光电转换装置。

7.一种介质，其特征在于，所述介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如权利要求1至3中任一项所述的一种通过RIS辅助的可见光通信方法。

8.一种设备，其特征在于，包括权利要求7所述的存储介质、执行所述存储介质内的指令的处理器。