CN116015452A - 一种透射反射联合的多ris可见光通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种透射反射联合的多RIS可见光通信方法及系统，方法包括获取接收端位置及光线可到达的接收端RIS单元坐标，反向推出光线透过发射端液晶RIS单元后的偏转角

；获取LED发射光线与发射端RIS单元夹角

，得到发射端液晶RIS单元折射率n；判断夹角

是否满足折射率n下的光线传播方向与液晶长轴向夹角θ；若是，无需加外加电压；若否，施加外加电压改变液晶RIS单元的偏转角度以实现通信。本发明将现有单一配置RIS在中继端拓展为配置在发射端和接收端，并为接收端设计了一种基于透射RIS的半球角度分集接收机，解决了目前只考虑单一的方中继端配置RIS，未考虑将发射端、接收端和中继端配置RIS结合应用的问题。

Description

一种透射反射联合的多RIS可见光通信方法及系统

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，特别涉及一种透射反射联合的多RIS可见光通信方法及系统。

背景技术

为了满足无线通信中爆炸式增长的业务需求，人们将研究目光聚焦到下一代移动通信技术即6G技术上，下一代移动通信技术有望用到可见光通信(VLC)、智能超表面(RIS)技术，而将这些技术结合运用到下一代移动通信当中将可以进一步提高通信质量。可见光通信技术以其高带宽和免许可证成为一种很有前途的技术，优势在于其安全性高、保密性好、抗电磁干扰能力强，集通信与照明功能于一体，无电磁污染。智能超表面是一种全新的革命性技术，它可以通过在平面上集成大量低成本的反射、透射元件，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。

智能超表面，也可称可重构智能表面(Reconfigurable Intelligence Surface，简称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，与此同时，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。

现有技术当中，RIS辅助可见光通信研究主要将RIS阵列布置在中继端，通过单纯的调控RIS单元来反射光信号提高通信性能。在实际的可见光通信中，除了实现通信功能外，还需兼顾照明需求，以及分区照明和通信功能，这是仅仅通过中继端配置RIS所实现不了的。在可见光通信的发射端发送具有视场角的光束，较大视场拥有更宽的波束角，有利用更高的覆盖和更均匀的照明，但这是以接收器接收到较低光强为代价的，较小视场可以使得接收机接收到更优的光功率，但是需要完美的链路对齐。在接收机处，光线落在接收器的视场内产生与接收到的光功率成正比的电流。在光探测器(PD)表面观察到的携带数据的光子越多，检测精度越高，使用大物理面积的PD可以获得更好的性能，然而，大的PD通常有较低的3dB带宽。传统的接收器使用小物理区域的PD结合凸、球形或复合抛物面聚光透镜，以帮助将光线聚焦到PD表面。但是使用的光学元件是不可配置的结构，这意味着它们视场、工作波长等特性是预先确定的，不能动态调整。另外，在多用户通信场景中，PD接收到的信号中混叠的干扰信号会影响系统性能。目前的RIS辅助可见光通信仍在起步阶段，且多数研究只是考虑单一的中继端配置RIS，而没有考虑将发射端、接收端和中继端配置RIS结合应用。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种透射反射联合的多RIS可见光通信方法及系统，用于解决现有技术中的RIS辅助可见光通信多数研究只是考虑单一的中继端配置RIS，而没有考虑将发射端、接收端和中继端配置RIS结合应用，导致传统透镜聚光方法面临的光学元件不可灵活配置的问题。

本发明一方面提供一种透射反射联合的多RIS可见光通信方法，应用于发射端，方法包括：

获取接收端位置以及光线可到达的接收端RIS单元坐标，根据接收端位置以及光线可到达的接收端RIS单元坐标反向推出光线透过发射端液晶RIS单元后的偏转角α _i’j’；

获取LED发射光线与发射端RIS单元的夹角α _ii’，根据LED发射光线与发射端RIS单元的夹角α _ii’、以及光线透过发射端液晶RIS单元后的偏转角α _i’j’，得到发射端液晶RIS单元的折射率n；

判断LED发射光线与发射端RIS单元的夹角α _ii’是否能够满足所述折射率n下的光线传播方向与液晶长轴方向夹角θ；

若是，则无需施加外加电压；

若否，则需要施加外加电压改变液晶RIS单元的偏转角度，以使改变后的液晶RIS单元的偏转角度，达到光线偏转所需的折射率要求，实现通信。

进一步地，在施加外加电压改变液晶RIS单元的偏转角度的步骤中：

施加外加电压时，液晶分子在电场的作用下向电场方向偏转一个角度φ，该角度φ随着电压V的增大而增大，φ随电压V的变化函数为：

其中，V _c为阈值电压，V ₀为某一中间值；当V＞V _c时，偏转角度φ随着V值的增加而增加，直到达到φ的饱和角度值π/2。

进一步地，施加外加电压改变液晶RIS单元的偏转角度，以使改变后的液晶RIS单元的偏转角度，达到光线偏转所需的折射率要求，实现通信的步骤包括：

设定光轴方向与液晶分子长轴方向平行，n _⊥=n _x=n _y，n _∥=n _z，以z轴作为对称轴，折射率具有旋转对称性，即液晶指向矢空间分布与液晶长轴一样；

其中：

n _⊥为光的行进方向垂直于液晶长轴方向的折射率；

n _∥为光的行进方向平行液晶长轴方向的折射率；

n _x， n _y为立体空间内垂直液晶长轴方向的折射率；

n _z为立体空间内平行于液晶长轴方向的折射率。

进一步地，施加外加电压改变液晶RIS单元的偏转角度，以使改变后的液晶RIS单元的偏转角度，达到光线偏转所需的折射率要求，实现通信的步骤还包括：

波法线K ₀代表无数平行光束的出射方向。

本发明一方面还提供一种透射反射联合的多RIS可见光通信方法，应用于中继端，所述方法包括：

获取入射光进入中继端光栅的入射角、经中继端光栅射出的反射角以及光栅的结构参数；

根据不同入射光的入射角调整光栅的结构参数以使经中继端光栅反射出的光线定向到接收端中的目标接收器。

进一步地，根据不同入射光的入射角调整光栅的结构参数以使经中继端光栅反射出的光线定向到接收端中的目标接收器的步骤包括：

入射光必须同时满足光栅方程和Bragg方程以实现衍射光栅功能，其中，多层介质模Bragg衍射光栅需同时满足：

其中α为入射角，β为反射角，M为光栅衍射级次，λ为入射波长，n’为折射率，m为Bragg衍射级数，

为折射率为n ₁介质中的入射角，

为折射率n ₂介质中的折射角；

由几何关系：

，其中，光栅齿的闪耀角为θ’，可以得到Bragg周期d与光栅周期a之间的关系为：

，为了实现Bragg光栅的最大衍射效率，Bragg光栅中介质膜的厚度需要满足：

，

，其中k ₁，k ₂均为整数；d ₁为折射率为n ₁的介质的厚度；d ₂为折射率为n ₂的介质的厚度。

进一步地，获取入射光进入中继端光栅的入射角的步骤包括：

获取发射端液晶RIS单元以及中继端反射RIS单元坐标；

通过发射端液晶RIS单元以及中继端反射RIS单元坐标分析入射光射到中继端RIS的入射角。

本发明另一方面提供一种透射反射联合的多RIS可见光通信方法，应用于接收端，所述接收端提供一种RADR模型结构，所述方法具体应用于所述RADR模型结构，所述方法包括：

通过调控RADR的液晶透射RIS单元的外加电压，控制单个液晶透射RIS单元的开/关以缓解非目标信号的干扰，使来自特定光源的光能够透过液晶透射RIS，所述特定光源的光包括来自特定发射端的直射光信号以及中继端RIS反射的光信号；

控制RADR的液晶透射RIS单元的物理特性，所述物理特性包括折射率，以使来自特定发射端的直射光信号、以及中继端RIS反射的光信号透过接收端液晶透射RIS汇聚到小面积的PD接收器，增加接收信号功率，对来自其他角度的非期望LED光线实现偏转，缓解多LED间干扰。

进一步地，在控制液晶透射RIS单元的物理特性，所述物理特性包括折射率，以使来自特定发射端的直射光信号、以及中继端RIS反射的光信号透过接收端液晶透射RIS汇聚到小面积的PD接收器，增加接收信号功率的步骤中：

由液晶的电光特性

可得，液晶的透射光强满足：

；

其中，A(λ)为吸光度，T(λ)为透射率，I ₀为入射光强，I为透射光强，d’为液晶层厚度，φ为接收端RIS在电压调控下的液晶偏转角度，β _i’j’为接收端RIS单元光线入射角，n _o(λ)为o光折射率；n _e(λ)为e光折射率；λ为入射波长。

本发明另一方面还提供一种透射反射联合的多RIS可见光通信系统，包括：

发射端，采用电调谐液晶透射RIS，对LED发射的光信号进行光束转向，通过对液晶RIS单元施加外加电压控制RIS单元的物理特性，物理特性包括透射率以及折射率，使可见光信号透过RIS直射到接收端或者转向到达中继端RIS进行反射到达接收端；

中继端，采用光栅反射式RIS，用以调整信号光的出射方向，使发射端发射的信号可以被接收端的接收器接收，所述中继端为光栅反射式RIS，光栅反射式RIS采用布拉格反射光栅，每个凹面光栅齿包括周期BRG光栅；

接收端，采用电调谐液晶透射RIS，利用空间光角度分集特性设计了RADR接收机，通过对电调谐液晶透射RIS施加外加电压改变液晶的物理特性，物理特性包括透射率以及折射率，以提高接收端中的电调谐液晶透射RIS接受光线的视场角，使得接收到的光线透过RIS实现波束转向汇聚到小尺寸的PD表面，提高接收功率和检测精度，通过RADR接收机对光线的分集接收，使得多LED用户间的干扰得以缓解，提高通信容量。

上述透射反射联合的多RIS可见光通信方法及系统，通过将现有RIS辅助可见光通信方法中单一配置RIS在中继端拓展为配置在发射端和接收端；进一步地，本申请采用透射式RIS配置在LED发射端和接收端，在发射端，本申请采用电调谐液晶透射RIS，对LED发射的光信号进行光束转向，通过对液晶RIS单元施加外加电压控制RIS单元的物理参数，如透射率、折射率等，使可见光信号透过RIS直射到接收端或者转向到达中继端RIS进行反射到达接收端；

同理，在接收端，采用基于电调谐液晶透射RIS的RADR接收机，调控RIS单元的外加电压，控制单个RIS单元的开/关（透射率）来缓解非目标信号的干扰，使来自特定光源的光能够透过液晶RIS，而干扰信号大部分被阻挡，控制折射率等物理参数，对来自特定发射端的直射光信号以及中继端RIS反射的光信号透过接收端RIS汇聚到小面积的PD（光探测器）接收器，增加接收信号功率，对来自其他角度的非期望LED光线实现偏转，缓解多LED间干扰，提升系统容量；

在中继端，采用光栅反射式RIS，可以调整信号光的出射方向，使发射的信号可以更集中地被接收器接收，引入光栅设计还可以对多基色光进行分光操作，对不同基色的光信号进行反射到达接收端；

解决了现有技术中的RIS辅助可见光通信多数研究只是考虑单一的中继端配置RIS，而没有考虑将发射端、接收端和中继端配置RIS结合应用，导致传统透镜聚光方法面临的光学元件不可灵活配置的问题。

附图说明

图1为本发明提供的多RIS配置VLC系统模型图；

图2为本发明的具体实施过程中发射端模型图；

图3为本发明的具体实施过程中接收端RADR模型图；

图4为本发明的具体实施过程中中继端模型图；

图5为本发明的具体实施过程中液晶分子结构图；

图6为本发明的具体实施过程中液晶RIS电调谐原理图；

图7为本发明的具体实施过程中中继端光栅衍射原理图；

图8为本发明的具体实施过程中中继端罗兰圆Bragg光栅结构图；

图9为本发明的具体实施过程中中继端多光栅衍射分色原理图；

图10为本发明的具体实施过程中场景坐标图；

图11为本发明第一实施例中的多RIS可见光通信方法的流程图；

图12为本发明第二实施例中的多RIS可见光通信方法的流程图；

图13为本发明第三实施例中的多RIS可见光通信方法的流程图。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了解决现有技术中的RIS辅助可见光通信多数研究只是考虑单一的中继端配置RIS，而没有考虑将发射端、接收端和中继端配置RIS结合应用，导致传统透镜聚光方法面临的光学元件不可灵活配置的问题，本发明在发射端和接收端布置透射式液晶RIS，在中继端布置光栅反射式RIS，为发射端光线转向问题提供了新选择，且采用外加电压灵敏控制；接收端为光线聚焦到PD提供新方法，且解决了传统透镜聚光方法面临的光学元件不可灵活配置的问题，并设计了一种基于透射RIS的半球角度分集接收机（RIS hemispherical anglediversity receiver，简称RADR）模型结构为接收端降低信号干扰提供新的解决方案；中继端采用光栅反射式结构，除了能对光信号进行反射之外，引入多重独立光栅设计还可以对多基色可见光进行分光操作，对不同基色的光信号进行反射到达接收端。

具体的，首先，本申请通过发射端、接收端以及中继端RIS单元坐标，分析LOS链路与NLOS链路光线与RIS单元的角度；

其次，对于LOS链路，由LED发射端、PD接收端坐标与其对应RIS单元的坐标，分析发射端RIS单元入射角和透射后偏转角、接收端RIS单元入射角和透射后到达PD接收端的偏转角，由透射后的偏转角和透射前入射角可分别得到LOS链路的收发端RIS单元的折射率；

进一步得，对于NLOS链路，由中继端RIS单元坐标以及接收端RIS的坐标可以得出经过中继端RIS反射后的反射角以及到达接收端RIS的入射角，根据光栅参数可得出入射角，且入射角可由发射端RIS单元控制，同样由PD接收端坐标与其对应RIS单元的坐标可得出偏转角，由透射后的偏转角和透射前入射角可得到NLOS链路的接收端RIS单元的折射率；

再者，分析LOS链路的收发端RIS单元的折射率、以及NLOS链路的接收端RIS单元的折射率，由液晶的折射率与液晶分子偏转角度的关系，得出上述折射率下的液晶偏转角，由外加电场与液晶分子偏转角度之间的关系，得出具体液晶RIS所需要的施加电压。

为了便于理解本发明，下面将给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

实施例一

请参阅图11，所示为本发明第一实施例中的透射反射联合的多RIS可见光通信方法，所述方法应用于发射端，方法包括步骤S101-S105：

S101、获取接收端位置以及光线可到达的接收端RIS单元坐标，根据接收端位置以及光线可到达的接收端RIS单元坐标反向推出光线透过发射端液晶RIS单元后的偏转角α _i’j’。

具体的，分别获取发射端液晶透射RIS单元的单元坐标、单元法向量参数以及LED与光线达到的发射端RIS单元之间的向量；

根据所述单元坐标以及所述单元法向量参数得到LED光线在透过RIS单元后的偏转角α _i’j’，根据所述单元法向量参数以及所述LED与光线达到的发射端RIS单元之间的向量得到LED发射光线与发射端RIS单元的夹角α _ii’；

S102、获取LED发射光线与发射端RIS单元的夹角α _ii’，根据LED发射光线与发射端RIS单元的夹角α _ii’、以及光线透过发射端液晶RIS单元后的偏转角α _i’j’，得到发射端液晶RIS单元的折射率n。

具体的，根据LED光线在透过RIS单元后的偏转角

以及LED发射光线与发射端RIS单元的夹角α _ii’得到液晶RIS单元的折射率。

S103、判断LED发射光线与发射端RIS单元的夹角α _ii’是否能够满足折射率n下的光线传播方向与液晶长轴方向夹角θ。

若是，则执行步骤S104；

若否，则执行步骤S105；

S104、无需施加外加电压。

S105、需要施加外加电压改变液晶RIS单元的偏转角度，以使改变后的液晶RIS单元的偏转角度，达到光线偏转所需的折射率要求，实现通信。

在本实施例中，请参阅图10，图10为场景坐标图，在此模型中，考虑点源假设，设定第i个LED发射端的坐标L _i(x _i ,y _i ,z _i)，发射端RIS单元坐标与单元个数以及RIS总面积有关，假设LED发射的光线通过的第i’个RIS单元坐标为M _i’(x _i’ ,y _i’ ,z _i’)，RIS单元法向量

。假设第j个PD坐标为R _j(x _j ,y _j ,z _j)，发射端透射光线到达坐标为M _j’(x _j’ ,y _j’ ,z _j’)，法向量为

的接收端RIS单元。由于在实际环境中，LED的一般位置固定，但是接收端随机移动，所以本申请根据接收端的位置来反向确定在发射端与接收端的视距（LOS）路径中，发射模块和接收模块的光束转向以及液晶调控问题。

由发射端RIS单元和接收端RIS单元坐标以及法向量参数，由：

，

可以得到LED光线在透过RIS单元后的偏转角α _i’j’以及到达接收端与RIS单元的角度β _i’j’，其中

为发射端RIS单元到接收端RIS单元的向量。

由上述得到偏转角α _i’j’后，分析LED的发射光线与发射端液晶RIS单元的调控问题。由

，可以得到LED发射光线与发射端RIS单元的夹角α _ii’，其中

为LED与光线达到的发射端RIS单元之间的向量，

为RIS单元法向量。对于发射端液晶RIS单元，由上述得到α _ii’，α _i’j’，由光入射角、折射角与折射率的关系：

，可以得到液晶的折射率，接下来通过液晶的电调谐原理，对RIS单元进行电压调控，使其满足上述分析，具体流程如下：

参考附图2表示的是配置电调谐液晶透射RIS的发射端。参考附图5，采用扭曲向列相(TN)液晶，其分子轴按一定方向取向，它具有光学单轴性，在自然状态下光轴与分子轴方向一致。参考附图6，当给这种液晶加上电流后，液晶的光轴将依所加电压的大小反向扭曲相应的角度。电压控制液晶透射RIS的具体流程如下：

施加外加电压时，液晶分子在电场的作用下向电场方向偏转一个角度φ，该角度φ随着电压V的增大而增大，φ随电压V的变化函数为：

其中，V _c为阈值电压，V ₀为某一中间值；当V＞V _c时，偏转角度φ随着V值的增加而增加，直到达到φ的饱和角度值π/2。为了确定液晶在任意一个方向上的o光与e光的折射率，参考附图5做出以下几点说明：

（1）设定光轴方向与液晶分子长轴方向平行，n _⊥=n _x=n _y，n _∥=n _z，以z轴作为对称轴，折射率具有旋转对称性，即液晶指向矢空间分布与液晶长轴一样；

其中：

n _⊥为光的行进方向垂直于液晶长轴方向的折射率；

n _∥为光的行进方向平行液晶长轴方向的折射率；

n _x， n _y为立体空间内垂直液晶长轴方向的折射率；

n _z为立体空间内平行于液晶长轴方向的折射率。

（2）波法线K ₀代表无数平行光束的出射方向，而不是位置，并且K ₀可以代表普遍情况。

在没有对液晶施加外加电压时，液晶分子的长轴垂直于电极板方向，且当入射光垂直入射时，光线平行于液晶分子长轴，即光线传播方向与液晶长轴之间的夹角θ=0°。通过上述对角度的分析可得，当LED的发射光线非垂直入射到液晶RIS的表面时会与液晶RIS单元呈现α _ii’夹角，未施加外加电压时，即光线传播方向与液晶长轴之间的夹角θ=α _ii’，当施加外加电压时，液晶分子将随着长轴方向向着电场方向旋转，旋转角度φ随外加电压的变化如上述所分析，此时光线传播方向与液晶长轴方向夹角

。

对于单光轴的液晶晶体来说，有两个不同折射系数的定义n _o和n _e。n _o为光电矢量振动方向与晶体光轴（长轴）相垂直的寻常光（o光）的折射系数，n _e为光电矢量振动方向与晶体光轴相平行的非寻常光（e光）的折射系数。液晶分子的指向矢的方向与分子长轴平行，它会有两个折射率，分别为光的行进方向垂直于液晶长轴方向n _⊥及光的行进方向平行液晶长轴方向n _∥两种。因为o光方向始终保持和长轴垂直，其折射率始终为n _⊥，而不随着θ角变化而改变。但是沿着长轴方向的e光折射率n _e随着θ角的变化而改变，所以将n _e近似考虑为RIS折射率，即n _e=n。因液晶的各向异性发生双折射后，折射率可以由：

， 即

，

可得，所有入射向列型液晶的光束都可以用上述两式去分析出射光线的折射率，当液晶处于外加场下时，液晶长轴方向改变，必然会导致光折射率的改变。

通过前述对接收端与发射端坐标的分析处理，得出在LED发射端固定情况下，对于改变接收端位置，具体分析LED光线透射过发射端液晶RIS单元到达接收端液晶RIS单元，由接收端位置以及光线可到达的接收端RIS单元坐标，反向推出光线透过发射端液晶RIS单元后的偏转角α _i’j’，根据LED发射光线与发射端RIS单元的夹角α _ii’，推出发射端液晶RIS单元的折射率n，根据上述分析有：

可以得出

，对于角度的分析有两种情况，若入射光的入射角刚好能够满足求出的折射率下的

，即

，则无需施加外加电压；若不满足上一种情况，则需要施加外加电压，即需满足：

，

通过上述施加的外加电场大小与液晶角度偏转角度φ之间的关系，可以精准的实现液晶角度的偏转来达到光线偏转所需的折射率要求。

综上，本发明上述实施例当中的透射反射联合的多RIS可见光通信方法，通过将现有RIS辅助可见光通信方法中单一配置RIS在中继端拓展为配置在发射端和接收端；进一步地，本申请采用透射式RIS配置在LED发射端和接收端，在发射端，本申请采用电调谐液晶透射RIS，对LED发射的光信号进行光束转向，通过对液晶RIS单元施加外加电压控制RIS单元的物理参数，如透射率、折射率等，使可见光信号透过RIS直射到接收端或者转向到达中继端RIS进行反射到达接收端；

同理，在接收端，采用基于电调谐液晶透射RIS的RADR接收机，调控RIS单元的外加电压，控制单个RIS单元的开/关（透射率）来缓解非目标信号的干扰，使来自特定光源的光能够透过液晶RIS，而干扰信号大部分被阻挡，控制折射率等物理参数，对来自特定发射端的直射光信号以及中继端RIS反射的光信号透过接收端RIS汇聚到小面积的PD（光探测器）接收器，增加接收信号功率，对来自其他角度的非期望LED光线实现偏转，缓解多LED间干扰，提升系统容量；

在中继端，采用光栅反射式RIS，可以调整信号光的出射方向，使发射的信号可以更集中地被接收器接收，引入光栅设计还可以对多基色光进行分光操作，对不同基色的光信号进行反射到达接收端；

解决了现有技术中的RIS辅助可见光通信多数研究只是考虑单一的中继端配置RIS，而没有考虑将发射端、接收端和中继端配置RIS结合应用，导致传统透镜聚光方法面临的光学元件不可灵活配置的问题。

实施例二

请参阅图12，所示为本发明第二实施例中的透射反射联合的多RIS可见光通信方法，应用于中继端，所述方法包括步骤S201-S202：

S201、获取入射光进入中继端光栅的入射角、经中继端光栅射出的反射角以及光栅的结构参数。

S202、根据不同入射光的入射角调整光栅的结构参数以使经中继端光栅反射出的光线定向到接收端中的目标接收器。

作为一个具体示例，在室内可见光通信环境中，RIS中继端一般被配置在墙面。参考附图4，本申请采用光栅反射式RIS阵列对入射光进行分光、反射操作，使得入射光充分反射到接收端。具体流程如下：坐标设定如发射端类似，通过发射端液晶RIS单元以及中继端反射RIS单元坐标分析光线射到中继端RIS的入射角。参考附图7，光栅反射式RIS采用布拉格反射光栅（Bragg reflectiongrating， BRG），每个凹面光栅齿由一个多周期BRG光栅构成。为了实现衍射光栅功能，入射光必须同时满足光栅方程和Bragg方程。

多层介质模Bragg衍射光栅需同时满足：

其中α为入射角，β为反射角，M为光栅衍射级次，λ为入射波长，n’为折射率，m为Bragg衍射级数，

为折射率为n ₁介质中的入射角，

为折射率n ₂介质中的折射角。由几何关系：

，其中，光栅齿的闪耀角为θ’，可以得到Bragg周期d与光栅周期a之间的关系为：

，为了实现Bragg光栅的最大衍射效率，Bragg光栅中介质膜的厚度需要满足：

，

，其中k ₁，k ₂均为整数；d ₁为折射率为n ₁的介质的厚度；d ₂为折射率为n ₂的介质的厚度。

通过确定光栅的结构参数，可以通过上述公式关系得到在不同光线入射角下，经过光栅RIS后定向到达接收机。其中中继端入射光线入射角可以通过发射端液晶RIS单元单独调控。

光栅分色流程参考附图8，附图9，光栅反射式RIS通过设计一种罗兰圆结构的Bragg衍射多光栅结构，针对不同的光波频段分别采用不同的凹面反射光栅，由于两套光栅相互独立，因此可以自由选取入射角、衍射角、衍射级和光栅周期等参数，实现同一平面集成波导器件上的多频段衍射分光，其每一个光栅都为罗兰圆结构，第一套凹面衍射光栅采用BRG，通过适当的参数选取，可使其对某一频段的光波具有很高的反射率，而对另一频段的光波具有很高的透过率，使透过的光波在第二套凹面光栅具有很高的反射率，将其反射到其他的方向，以此类推，实现多光栅分光操作。

综上，本发明上述实施例当中的透射反射联合的多RIS可见光通信方法，通过将现有RIS辅助可见光通信方法中单一配置RIS在中继端拓展为配置在发射端和接收端；进一步地，本申请采用透射式RIS配置在LED发射端和接收端，在发射端，本申请采用电调谐液晶透射RIS，对LED发射的光信号进行光束转向，通过对液晶RIS单元施加外加电压控制RIS单元的物理参数，如透射率、折射率等，使可见光信号透过RIS直射到接收端或者转向到达中继端RIS进行反射到达接收端；

同理，在接收端，采用基于电调谐液晶透射RIS的RADR接收机，调控RIS单元的外加电压，控制单个RIS单元的开/关（透射率）来缓解非目标信号的干扰，使来自特定光源的光能够透过液晶RIS，而干扰信号大部分被阻挡，控制折射率等物理参数，对来自特定发射端的直射光信号以及中继端RIS反射的光信号透过接收端RIS汇聚到小面积的PD（光探测器）接收器，增加接收信号功率，对来自其他角度的非期望LED光线实现偏转，缓解多LED间干扰，提升系统容量；

在中继端，采用光栅反射式RIS，可以调整信号光的出射方向，使发射的信号可以更集中地被接收器接收，引入光栅设计还可以对多基色光进行分光操作，对不同基色的光信号进行反射到达接收端；

解决了现有技术中的RIS辅助可见光通信多数研究只是考虑单一的中继端配置RIS，而没有考虑将发射端、接收端和中继端配置RIS结合应用，导致传统透镜聚光方法面临的光学元件不可灵活配置的问题。

实施例三

请参阅图13，所示为本发明第三实施例中的透射反射联合的多RIS可见光通信方法，应用于接收端，所述接收端提供一种RADR模型结构，所述方法具体应用于所述RADR模型结构，所述方法包括步骤S301-S302：

S301、调控RADR的液晶透射RIS单元的外加电压，控制单个液晶透射RIS单元的开/关以缓解非目标信号的干扰，使来自特定光源的光能够透过液晶透射RIS，所述特定光源的光包括来自特定发射端的直射光信号以及中继端RIS反射的光信号。

S302、控制RADR的液晶透射RIS单元的物理特性，所述物理特性包括折射率，以使来自特定发射端的直射光信号、以及中继端RIS反射的光信号透过接收端液晶透射RIS汇聚到小面积的PD接收器，增加接收信号功率，对来自其他角度的非期望LED光线实现偏转，缓解多LED间干扰。

在本实施例中，参考附图3，与发射端类似配置电调谐液晶透射RIS，将RIS与PD封装在一起，由于光线落在接收器的视场内产生与接收到的光功率成正比的电流，落在PD表面的携带数据的光子越多，检测精度越高。通过配置电调谐液晶透射RIS，由于其物理化学特性的可调谐性，通过施加外加电压改变液晶折射率等特性，可以接受到较大视场角的光线，使得接收到的光线透过RIS实现波束转向汇聚到小尺寸的PD表面，实现更高接收功率和检测精度。实现波束转向的具体流程与发射端类似，通过PD以及接收端液晶RIS单元的坐标，分析接收光线转向到达PD时液晶RIS单元的折射率参数，接着得到此折射率参数下液晶的偏转角度，利用偏转角度与电压的关系，动态控制电压来调控光线转向，具体分析流程不再赘述。针对来自其他用户的干扰，将液晶RIS单元设定为可以在一种模式（光线可以透过）和另外一种模式（光线被阻挡）之间的连续切换，通过控制单个液晶RIS单元的开/关，即通过控制液晶的透射率，只有指定光源（特定角度）的光束可以透射到达探测器，不允许未指定光源的光束透射到达PD。当干扰光信号同时射到有用光信号的RIS单元时，利用折射率和入射角度与偏转角度的关系，由于入射角的不同，即使干扰光信号可以透射也无法偏转合适的角度（与有用光信号同样的透射偏转角）汇聚到小面积的PD上。由液晶的电光特性：

，其中，A(λ)为吸光度，T(λ)为透射率，I ₀为入射光强，I为透射光强。液晶的透射光强满足：

，

其中，d’为液晶层厚度，φ为接收端RIS在电压调控下的液晶偏转角度，β _i’j’为接收端RIS单元光线入射角，n _o(λ)为o光折射率；n _e(λ)为e光折射率；λ为入射波长。通过上述对液晶透射率的分析，在接收端液晶RIS单元接收到非特定光源的光线时，通过调控液晶偏转角度来控制其透射率（吸光度）达到对光线阻隔/透射目的。

综上，本发明上述实施例当中的透射反射联合的多RIS可见光通信方法，通过将现有RIS辅助可见光通信方法中单一配置RIS在中继端拓展为配置在发射端和接收端；进一步地，本申请采用透射式RIS配置在LED发射端和接收端，在发射端，本申请采用电调谐液晶透射RIS，对LED发射的光信号进行光束转向，通过对液晶RIS单元施加外加电压控制RIS单元的物理参数，如透射率、折射率等，使可见光信号透过RIS直射到接收端或者转向到达中继端RIS进行反射到达接收端；

同理，在接收端，采用基于电调谐液晶透射RIS的RADR接收机，调控RIS单元的外加电压，控制单个RIS单元的开/关（透射率）来缓解非目标信号的干扰，使来自特定光源的光能够透过液晶RIS，而干扰信号大部分被阻挡，控制折射率等物理参数，对来自特定发射端的直射光信号以及中继端RIS反射的光信号透过接收端RIS汇聚到小面积的PD（光探测器）接收器，增加接收信号功率，对来自其他角度的非期望LED光线实现偏转，缓解多LED间干扰，提升系统容量；

在中继端，采用光栅反射式RIS，可以调整信号光的出射方向，使发射的信号可以更集中地被接收器接收，引入光栅设计还可以对多基色光进行分光操作，对不同基色的光信号进行反射到达接收端；

解决了现有技术中的RIS辅助可见光通信多数研究只是考虑单一的中继端配置RIS，而没有考虑将发射端、接收端和中继端配置RIS结合应用，导致传统透镜聚光方法面临的光学元件不可灵活配置的问题。

实施例四

请参阅图1，所示为本发明第四实施例中的透射反射联合的多RIS可见光通信系统，包括：

发射端，采用电调谐液晶透射RIS，对LED发射的光信号进行光束转向，通过对液晶RIS单元施加外加电压控制RIS单元的物理特性，物理特性包括透射率以及折射率，使可见光信号透过RIS直射到接收端或者转向到达中继端RIS进行反射到达接收端；

中继端，采用光栅反射式RIS，用以调整信号光的出射方向，使发射端发射的信号可以更集中地被接收端的接收器接收，所述中继端为光栅反射式RIS，光栅反射式RIS采用布拉格反射光栅，每个凹面光栅齿包括周期BRG光栅；

接收端，采用电调谐液晶透射RIS，利用空间光角度分集特性设计了RADR接收机，通过对电调谐液晶透射RIS施加外加电压改变液晶的物理特性，物理特性包括透射率以及折射率，以提高接收端中的电调谐液晶透射RIS接受光线的视场角，使得接收到的光线透过RIS实现波束转向汇聚到小尺寸的PD表面，提高接收功率和检测精度，通过RADR接收机对光线的分集接收，使得多LED用户间的干扰得以缓解，提高通信容量。

综上，本发明上述实施例当中的透射反射联合的多RIS可见光通信系统，通过将现有RIS辅助可见光通信方法中单一配置RIS在中继端拓展为配置在发射端和接收端；进一步地，本申请采用透射式RIS配置在LED发射端和接收端，在发射端，本申请采用电调谐液晶透射RIS，对LED发射的光信号进行光束转向，通过对液晶RIS单元施加外加电压控制RIS单元的物理参数，如透射率、折射率等，使可见光信号透过RIS直射到接收端或者转向到达中继端RIS进行反射到达接收端；

同理，在接收端，采用基于电调谐液晶透射RIS的RADR接收机，调控RIS单元的外加电压，控制单个RIS单元的开/关（透射率）来缓解非目标信号的干扰，使来自特定光源的光能够透过液晶RIS，而干扰信号大部分被阻挡，控制折射率等物理参数，对来自特定发射端的直射光信号以及中继端RIS反射的光信号透过接收端RIS汇聚到小面积的PD（光探测器）接收器，增加接收信号功率，对来自其他角度的非期望LED光线实现偏转，缓解多LED间干扰，提升系统容量；

在中继端，采用光栅反射式RIS，可以调整信号光的出射方向，使发射的信号可以更集中地被接收器接收，引入光栅设计还可以对多基色光进行分光操作，对不同基色的光信号进行反射到达接收端；

解决了现有技术中的RIS辅助可见光通信多数研究只是考虑单一的中继端配置RIS，而没有考虑将发射端、接收端和中继端配置RIS结合应用，导致传统透镜聚光方法面临的光学元件不可灵活配置的问题。

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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种透射反射联合的多RIS可见光通信方法，其特征在于，应用于发射端，方法包括：

获取接收端位置以及光线可到达的接收端RIS单元坐标，根据接收端位置以及光线可到达的接收端RIS单元坐标反向推出光线透过发射端液晶RIS单元后的偏转角α _i’j’；

获取LED发射光线与发射端RIS单元的夹角α _ii’，根据LED发射光线与发射端RIS单元的夹角α _ii’、以及光线透过发射端液晶RIS单元后的偏转角α _i’j’，得到发射端液晶RIS单元的折射率n；

判断LED发射光线与发射端RIS单元的夹角α _ii’是否能够满足所述折射率n下的光线传播方向与液晶长轴方向夹角θ；

若是，则无需施加外加电压；

若否，则需要施加外加电压改变液晶RIS单元的偏转角度，以使改变后的液晶RIS单元的偏转角度，达到光线偏转所需的折射率要求，实现通信。

2.根据权利要求1所述的透射反射联合的多RIS可见光通信方法，其特征在于，在施加外加电压改变液晶RIS单元的偏转角度的步骤中：

施加外加电压时，液晶分子在电场的作用下向电场方向偏转一个角度φ，该角度φ随着电压V的增大而增大，φ随电压V的变化函数为：

其中，V _c为阈值电压，V ₀为某一中间值；当V＞V _c时，偏转角度φ随着V值的增加而增加，直到达到φ的饱和角度值π/2。

3.根据权利要求2所述的透射反射联合的多RIS可见光通信方法，其特征在于，施加外加电压改变液晶RIS单元的偏转角度，以使改变后的液晶RIS单元的偏转角度，达到光线偏转所需的折射率要求，实现通信的步骤包括：

设定光轴方向与液晶分子长轴方向平行，n _⊥=n _x=n _y，n _∥=n _z，以z轴作为对称轴，折射率具有旋转对称性，即液晶指向矢空间分布与液晶长轴一样；

其中：

n _⊥为光的行进方向垂直于液晶长轴方向的折射率；

n _∥为光的行进方向平行液晶长轴方向的折射率；

n _x， n _y为立体空间内垂直液晶长轴方向的折射率；

n _z为立体空间内平行于液晶长轴方向的折射率。

4.根据权利要求3所述的透射反射联合的多RIS可见光通信方法，其特征在于，施加外加电压改变液晶RIS单元的偏转角度，以使改变后的液晶RIS单元的偏转角度，达到光线偏转所需的折射率要求，实现通信的步骤还包括：

波法线K ₀代表无数平行光束的出射方向。

5.一种透射反射联合的多RIS可见光通信方法，其特征在于，应用于中继端，所述方法包括：

获取入射光进入中继端光栅的入射角、经中继端光栅射出的反射角以及光栅的结构参数；

根据不同入射光的入射角调整光栅的结构参数以使经中继端光栅反射出的光线定向到接收端中的目标接收器。

6.根据权利要求5所述的透射反射联合的多RIS可见光通信方法，其特征在于，根据不同入射光的入射角调整光栅的结构参数以使经中继端光栅反射出的光线定向到接收端中的目标接收器的步骤包括：

入射光必须同时满足光栅方程和Bragg方程以实现衍射光栅功能，其中，多层介质模Bragg衍射光栅需同时满足：

其中α为入射角，β为反射角，M为光栅衍射级次，λ为入射波长，n’为折射率，m为Bragg衍射级数，

为折射率为n ₁介质中的入射角，

为折射率n ₂介质中的折射角；

由几何关系：

，其中，光栅齿的闪耀角为θ’，可以得到Bragg周期d与光栅周期a之间的关系为：

，为了实现Bragg光栅的最大衍射效率，Bragg光栅中介质膜的厚度需要满足：

，

，其中k ₁，k ₂均为整数；d ₁为折射率为n ₁的介质的厚度；d ₂为折射率为n ₂的介质的厚度。

7.根据权利要求5所述的透射反射联合的多RIS可见光通信方法，其特征在于，获取入射光进入中继端光栅的入射角的步骤包括：

获取发射端液晶RIS单元以及中继端反射RIS单元坐标；

通过发射端液晶RIS单元以及中继端反射RIS单元坐标分析入射光射到中继端RIS的入射角。

8.一种透射反射联合的多RIS可见光通信方法，其特征在于，应用于接收端，所述接收端提供一种RADR模型结构，所述方法具体应用于所述RADR模型结构，所述方法包括：

通过调控RADR的液晶透射RIS单元的外加电压，控制单个液晶透射RIS单元的开/关以缓解非目标信号的干扰，使来自特定光源的光能够透过液晶透射RIS，所述特定光源的光包括来自特定发射端的直射光信号以及中继端RIS反射的光信号；

控制RADR的液晶透射RIS单元的物理特性，所述物理特性包括折射率，以使来自特定发射端的直射光信号、以及中继端RIS反射的光信号透过接收端液晶透射RIS汇聚到小面积的PD接收器，增加接收信号功率，对来自其他角度的非期望LED光线实现偏转，缓解多LED间干扰。

9.根据权利要求8所述的透射反射联合的多RIS可见光通信方法，其特征在于，在控制液晶透射RIS单元的物理特性，所述物理特性包括折射率，以使来自特定发射端的直射光信号、以及中继端RIS反射的光信号透过接收端液晶透射RIS汇聚到小面积的PD接收器，增加接收信号功率的步骤中：

由液晶的电光特性

可得，液晶的透射光强满足：

；

其中，A(λ)为吸光度，T(λ)为透射率，I ₀为入射光强，I为透射光强，d’为液晶层厚度，φ为接收端RIS在电压调控下的液晶偏转角度，β _i’j’为接收端RIS单元光线入射角，n _o(λ)为o光折射率；n _e(λ)为e光折射率；λ为入射波长。

10.一种透射反射联合的多RIS可见光通信系统，其特征在于，包括：

发射端，采用电调谐液晶透射RIS，对LED发射的光信号进行光束转向，通过对液晶RIS单元施加外加电压控制RIS单元的物理特性，物理特性包括透射率以及折射率，使可见光信号透过RIS直射到接收端或者转向到达中继端RIS进行反射到达接收端；

中继端，采用光栅反射式RIS，用以调整信号光的出射方向，使发射端发射的信号可以被接收端的接收器接收，所述中继端为光栅反射式RIS，光栅反射式RIS采用布拉格反射光栅，每个凹面光栅齿包括周期BRG光栅；

接收端，采用电调谐液晶透射RIS，利用空间光角度分集特性设计了RADR接收机，通过对电调谐液晶透射RIS施加外加电压改变液晶的物理特性，物理特性包括透射率以及折射率，以提高接收端中的电调谐液晶透射RIS接受光线的视场角，使得接收到的光线透过RIS实现波束转向汇聚到小尺寸的PD表面，提高接收功率和检测精度，通过RADR接收机对光线的分集接收，使得多LED用户间的干扰得以缓解，提高通信容量。

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