CN117749273A - 阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统和方法，光源阵列的发射路径布置光学成像模块，光学成像模块的成像端布置智能反射面RIS模块；智能反射面RIS模块包括控制器和多个可独立工作的RIS子单元；控制器对各个RIS子单元的出射光束方向进行控制，使RIS子单元的出射光束方向对准目标用户端。本发明能够提高无线光通信系统下行链路速率，光源阵列中的每个子光源通过光学成像模块将光信号发送给智能反射面RIS对应的RIS子单元，通过操作智能反射面RIS的RIS子单元，能使各个RIS子单元分别独立与对应目标用户端进行通信，不需要给光源阵列中的每个子光源匹配方向控制器，操作更加灵活，成本低。
Description
技术领域
本发明属于无线光通信技术领域，具体涉及一种阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统和方法。
背景技术
现有的无线光通信系统，包括：发射装置、光学天线和位于用户端的接收装置，发射装置具有多个LED光源，LED光源通过光学天线向接收装置发送光信号。其存在的主要问题为：LED光源存在发散角，因此，到达接收装置的信号能量较低。如果对LED光源发出的信号进行准直，则每个LED光源都需要加上全向的方向控制器，尤其对于LED光源阵列，导致成本高，体积过大。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统和方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统，包括光源阵列、光学成像模块、智能反射面RIS模块和目标用户端；
所述光源阵列的发射路径布置所述光学成像模块，所述光学成像模块的成像端布置所述智能反射面RIS模块；所述智能反射面RIS模块包括控制器和多个可独立工作的RIS子单元；所述控制器对各个RIS子单元的出射光束方向进行控制，使所述RIS子单元的出射光束方向对准目标用户端。
优选的，所述光源阵列包括多个子光源，所述子光源和所述RIS子单元之间一一对应。
优选的，所述光源阵列为LED阵列或LD阵列，每个所述子光源配置有微透镜。
优选的，所述光学成像模块为成像透镜。
优选的，所述RIS子单元具有光束反射路径和/或光束透射路径。
本发明还提供一种所述的阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统的方法，包括以下步骤：
光源阵列的子光源和智能反射面RIS模块的RIS子单元之间一一对应，因此，光源阵列的子光源发送光信号到光学成像模块，光学成像模块将接收到的光信号成像到智能反射面RIS模块的对应的RIS子单元；控制器对所述RIS子单元的出射光束方向进行控制，使其对准目标用户端，从而使所述RIS子单元将接收到的光信号精准传输给所述目标用户端。
优选的，控制器对所述RIS子单元的出射光束方向进行控制，使其对准目标用户端，从而使所述RIS子单元将接收到的光信号精准传输给所述目标用户端，具体为：
设第j个RIS子单元和第i个目标用户端对应；第j个RIS子单元的三维地理坐标为(mjx,mjy,mjz),第i个目标用户端的三维地理坐标为(rix,riy,riz)，光源阵列的子光源的三维地理坐标为(Lx,Ly,Lz)，控制器通过以下公式，得到智能反射面RIS模块的第j个RIS子单元通过反射对准第i个目标用户端的法向量n′：
其中：dji代表第j个RIS子单元到第i个目标用户端的距离；dLj代表光源阵列的子光源到第i个RIS子单元的距离；
控制器通过得到的法向量n′，对智能反射面RIS模块的第j个RIS子单元的方向进行控制，使其对准第i个目标用户端。
优选的，还包括：
智能反射面RIS模块的RIS子单元在接收到来自于光学成像模块的光信号时，对所述光信号进行能量调整，使其光信号的能量乘以系数α，0<α<1，得到能量调整后的光信号，再向目标用户端透射或反射所述能量调整后的光信号。
优选的，还包括：
智能反射面RIS模块具有M个RIS子单元；需要服务的目标用户端的数量为N个；
如果M≥N，则将M个RIS子单元划分为N组，使每组RIS子单元与一个目标用户端唯一对应，每组RIS子单元采用发射分集方式，服务于对应的目标用户端；
如果M＜N，采用两种方式：
第一种方式，根据N个目标用户端的地理位置，将N个目标用户端划分为M组，使每组内的目标用户端的距离最近；然后，每组目标用户端与一个RIS子单元唯一对应，RIS子单元在对应组内的各个目标用户端之间，通过时分复用方式进行信号传输；
第二种方式，对各个RIS子单元的出射光束方向进行调节，从而调节各个RIS子单元的信号覆盖范围，使M个RIS子单元覆盖N个目标用户端；每个RIS子单元采用频分复用、码分复用方式进行信号传输。
优选的，其特征在于，被服务的目标用户端接收到的信号向量y表达式为：
其中：
M代表RIS子单元的数量；
N代表需要服务的目标用户端的数量；
y1,…,yN，代表被服务的第1个目标用户端,…,第N个目标用户端接收到的信号向量；
r是目标用户端的光电转换系数向量；
s1,…,sM，代表第1个RIS子单元,…,第M个RIS子单元发送的光信号；
n1,…,nN，代表被服务的第1个目标用户端,…,第N个目标用户端的加性Gauss噪声；
H为信道矩阵，代表M个RIS子单元和N个目标用户端之间的信道系数，对于任意第i个目标用户端的信道系数/>其中，i＝1,2,…,N，当接收到来自多个RIS子单元的光信号时，信道系数/>是各个RIS子单元对应的信道系数的和；即表示经由第j个RIS子单元反射或透射后，到达第i个目标用户端的信道系数，其表达式为：
其中：
k为朗伯模数，Φ1/2是LED半功率角；
A为第i个目标用户端的接收面积；
ψi是第i个目标用户端的入射角；
φj是对应的LED的子光源到第j个RIS子单元的出射角；
FOV表示第i个目标用户端的视域。
本发明提供的阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统和方法具有以下优点：
本发明提供一种阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统，能够提高无线光通信系统下行链路速率，光源阵列中的每个子光源通过光学成像模块将光信号发送给智能反射面RIS对应的RIS子单元，通过操作智能反射面RIS的RIS子单元，能使各个RIS子单元分别独立与对应目标用户端进行通信，不需要给光源阵列中的每个子光源匹配方向控制器，操作更加灵活，成本低。
附图说明
图1为本发明提供的阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统的架构图；
图2为本发明提供的阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统，能够提高无线光通信系统下行链路速率，光源阵列中的每个子光源通过光学成像模块将光信号发送给智能反射面RIS对应的RIS子单元，通过操作智能反射面RIS的RIS子单元，能使各个RIS子单元分别独立与对应目标用户端进行通信，不需要给光源阵列中的每个子光源匹配方向控制器，操作更加灵活，成本低。
参考图1，本发明提供一种阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统，包括光源阵列、光学成像模块、智能反射面RIS(Reconfigurable Intelligent Surface)模块和目标用户端；
该系统的发送端部署光源阵列，如LED阵列、LD阵列等，光源阵列包括多个子光源，优选的，每个子光源可以配有微透镜，以减小发散角和能量的路径损耗。
所述光源阵列的发射路径布置所述光学成像模块，光学成像模块为成像透镜(组)等，所述光学成像模块的成像端布置所述智能反射面RIS模块，从而将光源阵列成像到智能反射面RIS模块；
所述智能反射面RIS模块包括控制器和多个可独立工作的RIS子单元；所述RIS子单元和光源阵列中的子光源一一对应，所述控制器对各个RIS子单元的出射光束方向进行控制，以调整反射或/和透射后的光束方向，使所述RIS子单元的出射光束方向对准目标用户端，从而将信号光束传输到目标用户端。具体的，根据智能反射面RIS模块的布置方式，其具有反射或/和透射路径。
例如，本装置可用于办公等室内使用照明的场合，需要为多个设备提供高速无线通信。或者，用于在手术室等医用场合，需要为多个设备提供抗干扰、高速率、低延时的通信。以办公室内应用场景为例，如果将智能反射面RIS模块安装于楼顶，且水平设置，则其只能向服务的办公室内的各个设备提供透射信号；如果其倾斜安装于楼顶，则其可同时向办公室内的各个设备提供透射信号和反射信号。
参考图2，本发明还提供一种基于阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统的方法，包括以下步骤：
光源阵列的子光源和智能反射面RIS模块的RIS子单元之间一一对应，因此，光源阵列的子光源发送光信号到光学成像模块，光学成像模块将接收到的光信号成像到智能反射面RIS模块的对应的RIS子单元；控制器对所述RIS子单元的出射光束方向进行控制，使其对准目标用户端，从而使所述RIS子单元将接收到的光信号精准传输给所述目标用户端。
在以上步骤中，还具有以下设计：
(1)对RIS子单元方向控制方法：
其中，控制器对所述RIS子单元的出射光束方向进行控制，使其对准目标用户端，从而使所述RIS子单元将接收到的光信号精准传输给所述目标用户端，具体为：
设第j个RIS子单元和第i个目标用户端对应；第j个RIS子单元的三维地理坐标为(mjx,mjy,mjz)，第i个目标用户端的三维地理坐标为(rix,riy,riz)，光源阵列的子光源的三维地理坐标为(Lx,Ly,Lz)，控制器通过以下公式，得到智能反射面RIS模块的第j个RIS子单元通过反射对准第i个目标用户端的法向量n′：
其中：dji代表第j个RIS子单元到第i个目标用户端的距离；dLj代表光源阵列的子光源到第i个RIS子单元的距离；
控制器通过得到的法向量n′，对智能反射面RIS模块的第j个RIS子单元的方向进行控制，使其对准第i个目标用户端。
归一化的法向量n为：
因此，本发明中，单个RIS子单元根据其与目标用户端的相对位置，控制器控制其旋转平面的朝向，使得其反射或透射光信号对准目标用户端，在服务于单个目标用户端时，RIS子单元的光发散角较小，能量聚焦于目标用户端；在服务于多个目标用户端时，RIS子单元的光发散角较大，保证能覆盖所有的目标用户端。
(2)光信号能量调整设计
智能反射面RIS模块的RIS子单元在接收到来自于光学成像模块的光信号时，对所述光信号进行能量调整，使其光信号的能量乘以系数α，0<α<1，得到能量调整后的光信号，再向目标用户端透射或反射所述能量调整后的光信号。
目标用户端最大化接收信号在α＝1时获得。
(3)RIS子单元和需要服务的目标用户端之间数量是否相等的设计
智能反射面RIS模块具有M个RIS子单元；需要服务的目标用户端的数量为N个；
如果M≥N，则智能反射面RIS模块的控制器控制各个RIS子单元，并对其分组，将M个RIS子单元划分为N组，使每组RIS子单元与一个目标用户端唯一对应，每组RIS子单元采用Alamouti等发射分集方式，服务于对应的目标用户端，提高信道可靠性。
如果M＜N，采用两种方式：
第一种方式，根据N个目标用户端的地理位置，将N个目标用户端划分为M组，使每组内的目标用户端的距离最近；然后，每组目标用户端与一个RIS子单元唯一对应，RIS子单元在对应组内的各个目标用户端之间，通过时分复用方式进行信号传输，以保证对组内各个目标用户端的信号覆盖；
第二种方式，对各个RIS子单元的出射光束方向进行调节，从而调节各个RIS子单元的信号覆盖范围，使M个RIS子单元覆盖N个目标用户端；每个RIS子单元采用频分复用、码分复用等方式进行信号传输。
(4)被服务的目标用户端接收到的信号向量的设计
被服务的目标用户端接收到的信号向量y表达式为：
其中：
M代表RIS子单元的数量；
N代表需要服务的目标用户端的数量；
y1,…,yN，代表被服务的第1个目标用户端,…,第N个目标用户端接收到的信号向量；对于第i个目标用户端，其接收到的信号向量表达式为：其中，yi表示第i个目标用户端接收到的信号，ni是加性Gauss噪声，r是第i个目标用户端的光电转换系数，si表示来自对应信号源的发射信号，/>表示信道系数。
r是目标用户端的光电转换系数向量；
s1,…,sM，代表第1个RIS子单元,…,第M个RIS子单元发送的光信号；
n1,…,nN，代表被服务的第1个目标用户端,…,第N个目标用户端的加性Gauss噪声；
H为信道矩阵，代表M个RIS子单元和N个目标用户端之间的信道系数，对于任意第i个目标用户端的信道系数/>其中，i＝1,2,…,N，当接收到来自多个RIS子单元的光信号时，信道系数/>是各个RIS子单元对应的信道系数的和；即表示经由第j个RIS子单元反射或透射后，到达第i个目标用户端的信道系数，其表达式为：
其中：
k为朗伯模数，Φ1/2是LED半功率角；
A为第i个目标用户端的接收面积；
ψi是第i个目标用户端的入射角；
φj是对应的LED的子光源到第j个RIS子单元的出射角；
FOV表示第i个目标用户端的视域。
本发明提供的阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统和方法具有以下优点：
(1)使用光源阵列同时传输多路光信号极大提高系统的下行链路的信号传输速率；
(2)使用智能反射面RIS模块控制不同光信号的反射或透射方向，实现光束赋形，将光束对准每个目标用户端，在下行链路中实现MIMO，提高信道容量。
(3)当目标用户端数量小于RIS子单元数量时，智能反射面RIS模块的控制器可自主合并部分RIS子单元，使用不同的RIS子单元传输相同的信号，提高光链路的信噪比和可靠性。
(4)光源阵列的每个子光源可配置微透镜，，避免了光束的交叠，减少信道间干扰，提高系统的可靠性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统，其特征在于，包括光源阵列、光学成像模块、智能反射面RIS模块和目标用户端；
所述光源阵列的发射路径布置所述光学成像模块，所述光学成像模块的成像端布置所述智能反射面RIS模块；所述智能反射面RIS模块包括控制器和多个可独立工作的RIS子单元；所述控制器对各个RIS子单元的出射光束方向进行控制，使所述RIS子单元的出射光束方向对准目标用户端。
2.根据权利要求1所述的阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统，其特征在于，所述光源阵列包括多个子光源，所述子光源和所述RIS子单元之间一一对应。
3.根据权利要求1所述的阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统，其特征在于，所述光源阵列为LED阵列或LD阵列，每个所述子光源配置有微透镜。
4.根据权利要求1所述的阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统，其特征在于，所述光学成像模块为成像透镜。
5.根据权利要求1所述的阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统，其特征在于，所述RIS子单元具有光束反射路径和/或光束透射路径。
6.一种权利要求1到5任一项所述的阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
光源阵列的子光源和智能反射面RIS模块的RIS子单元之间一一对应，因此，光源阵列的子光源发送光信号到光学成像模块，光学成像模块将接收到的光信号成像到智能反射面RIS模块的对应的RIS子单元；控制器对所述RIS子单元的出射光束方向进行控制，使其对准目标用户端，从而使所述RIS子单元将接收到的光信号精准传输给所述目标用户端。
7.根据权利要求6所述的阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统的方法，其特征在于，控制器对所述RIS子单元的出射光束方向进行控制，使其对准目标用户端，从而使所述RIS子单元将接收到的光信号精准传输给所述目标用户端，具体为：
设第j个RIS子单元和第i个目标用户端对应；第j个RIS子单元的三维地理坐标为(mjx,mjy,mjz),第i个目标用户端的三维地理坐标为(rix,riy,riz)，光源阵列的子光源的三维地理坐标为(Lx,Ly,Lz)，控制器通过以下公式，得到智能反射面RIS模块的第j个RIS子单元通过反射对准第i个目标用户端的法向量n′：
其中：dji代表第j个RIS子单元到第i个目标用户端的距离；dLj代表光源阵列的子光源到第i个RIS子单元的距离；
控制器通过得到的法向量n′，对智能反射面RIS模块的第j个RIS子单元的方向进行控制，使其对准第i个目标用户端。
8.根据权利要求6所述的阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统的方法，其特征在于，还包括：
智能反射面RIS模块的RIS子单元在接收到来自于光学成像模块的光信号时，对所述光信号进行能量调整，使其光信号的能量乘以系数α，0<α<1，得到能量调整后的光信号，再向目标用户端透射或反射所述能量调整后的光信号。
9.根据权利要求6所述的阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统的方法，其特征在于，还包括：
智能反射面RIS模块具有M个RIS子单元；需要服务的目标用户端的数量为N个；
如果M≥N，则将M个RIS子单元划分为N组，使每组RIS子单元与一个目标用户端唯一对应，每组RIS子单元采用发射分集方式，服务于对应的目标用户端；
如果M＜N，采用两种方式：
第一种方式，根据N个目标用户端的地理位置，将N个目标用户端划分为M组，使每组内的目标用户端的距离最近；然后，每组目标用户端与一个RIS子单元唯一对应，RIS子单元在对应组内的各个目标用户端之间，通过时分复用方式进行信号传输；
第二种方式，对各个RIS子单元的出射光束方向进行调节，从而调节各个RIS子单元的信号覆盖范围，使M个RIS子单元覆盖N个目标用户端；每个RIS子单元采用频分复用、码分复用方式进行信号传输。
10.根据权利要求9所述的阵列光源和智能反射面协同工作的无线光通信系统的方法，其特征在于，被服务的目标用户端接收到的信号向量y表达式为：
其中：
M代表RIS子单元的数量；
N代表需要服务的目标用户端的数量；
y1,…,yN，代表被服务的第1个目标用户端,…,第N个目标用户端接收到的信号向量；
r是目标用户端的光电转换系数向量；
s1,…,sM，代表第1个RIS子单元,…,第M个RIS子单元发送的光信号；
n1,…,nN，代表被服务的第1个目标用户端,…,第N个目标用户端的加性Gauss噪声；
H为信道矩阵，代表M个RIS子单元和N个目标用户端之间的信道系数，对于任意第i个目标用户端的信道系数/>其中，i＝1,2,…,N，当接收到来自多个RIS子单元的光信号时，信道系数/>是各个RIS子单元对应的信道系数的和；即/>表示经由第j个RIS子单元反射或透射后，到达第i个目标用户端的信道系数，其表达式为：
其中：
k为朗伯模数，Φ1/2是LED半功率角；
A为第i个目标用户端的接收面积；
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