CN111131096A - 基于可编程超表面的无线中继***及其一种信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可编程超表面的无线中继***及其一种信道估计方法，该***通过基于可编程超表面的无线中继端反射用户端入射的电磁波至基站端的形式为***提供补充链路，以提高***的吞吐率。在上行链路中，设计一种帧结构，在不同时隙和位置***导频分段做信道估计以获取信道信息。时隙1将单音载波信号打向超表面，根据第一段导频产生的时域控制序列改变超表面反射系数，反射出已调射频信号，在基站端估计出中继端至基站端的信道值；时隙2超表面相位置为全通，基站端根据用户端发出的第二段导频估计出级联信道，在基站端求得两段信道值，反馈链路可实现基站至超表面信息回传和时序同步；时隙3基于超表面中继完成波束赋形，提高通信传输质量。

Description

基于可编程超表面的无线中继***及其一种信道估计方法

技术领域

本发明涉及一种基于可编程超表面的无线中继***及其一种信道估计方法，属于通信技术领域。

背景技术

进入21世纪以来，人们对移动通信数据量的需求有了***式的增长，同时对移动通信数据量的需求反过来也推动着整个无线通信体系的发展。近十年来，新型材料技术与移动通信技术高速发展，例如人工电磁超表面(Metasurfaces)，因其独特的物理特性不断受到研究者的关注。目前在数字成像、电磁学、雷达等多个领域已有许多超表面的应用实例。同时也有研究表明，数字可编程超表面通过编码调控能够携带信息，给出了电磁超表面与无线通信之间结合的可能性。另一方面，在传统通信领域，科学家们一直在不断努力的追求在无线信道之间提供更高的服务质量(QoS)。并且人们也越来越关注无线通信中的能源效率。解决 QoS和能量问题的一种方法是通过增强对传播环境的控制，以减轻或消除不良的散射条件。

在此背景下，可编程超表面引起了学术界和工业界的广泛关注。可编程超表面是一种人工复合材料，由一系列亚波长尺寸的人造单元结构组合而成。这些单元以特定的方式与电磁波相互作用，具有不同于天然材料的独特性质，可以产生诸如负折射、完美透镜以及电磁隐身等非常规物理现象。由于可编程超表面接近无源、成本低廉以及可智能调节反射性能的特性，可以为解决QoS和能效问题提供一种经济简单的方案，越来越多的科学家正尝试将其用于无线通信***中。

在传统的解决方案中，无线通信***中广泛应用中继设备增强信号的覆盖范围及减小中断概率，以提供可靠地通信服务。常见的中继设备包括放大转发中继、解码转发中继等。然而因其价格高昂、架构复杂、能耗高等缺点，无法适应未来无线通信***的需求，工业界亟需更为高效、灵活的替代方案。可编程超表面由于成本低廉、调制机制简易且部署方便等优点，很有希望在特定场景取代繁杂的中继设备，从而大大缩减***能耗与设备成本，为未来无线通信的发展提供巨大可能性。

然而，部署可编程超表面也面临着一定的困难。例如，由于可编程超表面结构简单、接近无源的硬件限制，其对信号只能被动反射，而不能主动接收，导致其数据处理能力远不及已广泛应用的放大转发中继器，从而无法完成复杂的信道估计的任务。然而在可编程超表面中继***中，分别估计出用户端至可编程超表面，超表面至基站端的的信道值尤为重要。具体而言，可编程超表面可以通过改变其表面单元的反射系数，改变发射而来的电磁波的反射方向，从而实现有效的波束成形。这需要分别获得用户端-可编程超表面，可编程超表面-基站端之间的信道值，供可编程超表面生成单元反射系数的控制信号以调节自身表面的反射系数，因此需要一种可行的方案去解决以上问题。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出基于可编程超表面的无线中继***，避免使用硬件复杂、成本昂贵的传统中继设备的同时，给无线通信提供一种利用可编程超表面进行中继传输的新架构。同时，由于可编程超表面结构简单、接近无源而导致其只能反射、无法接收电磁波，致使信道状态信息(Channel State Information,CSI)获取困难，无法有效利用可编程超表面实现波束成形来提高***传输质量，降低能耗，本发明还提出一种基于可编程超表面的无线中继***下的信道估计方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于可编程超表面的无线中继***，该***由用户端、基站端和基于可编程超表面的无线中继端组成。

所述用户端，包括用户端基带处理模块、射频链路模块及发射天线；所述用户端基带处理模块，用于先将用户数据映射成由数字0和1组成的比特流信息，再将比特流信息映射成一组星座点集，最后将导频信息的第二段与用户数据映射而成的星座点集一起进行组帧，得到已调基带信号；所述射频链路模块，用于将每一帧已调基带信号上变频至射频，产生已调射频信号并送至发射天线；所述发射天线，用于发射已调射频信号，进行空口传输；

所述基于可编程超表面的无线中继端，包括可编程超表面、载波信号发生器及与基站端相连的反馈链路；所述可编程超表面由超表面面板及控制电路组成，超表面面板由多个超材料单元构成，其中超材料单元由可变电容、基材、方形金属和环形金属构成；超表面面板用于反射用户端传输而来的已调射频信号；所述控制电路根据其寄存器上预存的导频信息的第一段生成一段时域控制序列，在该时域控制序列的控制下，改变超表面面板自身的反射系数；所述载波信号发生器，用于将预设频率的单音载波信号作为入射波定向辐射至超表面面板；所述反馈链路，用于在可编程超表面与基站端之间进行数据信号的互传，将基站端估计出的信道值反馈给可编程超表面，以及完成基站端与基于可编程超表面的无线中继端的时序同步；

所述基站端，包括接收天线、射频模块、基站端基带处理模块；所述接收天线，用于从空口接收可编程超表面反射的已调射频信号；所述射频模块，用于将接收天线接收到的已调射频信号下变频并进行模数转换以得到基带信号；所述基站端基带处理模块，用于对基带信号进行处理，所述处理即利用导频信息进行信道估计，对用户数据进行信号均衡，最终恢复出用户端发送的原始比特流信息。

进一步的，所述用户端能够由单天线单用户扩展为单天线多用户模式。

进一步的，所述基于可编程超表面的中继装置按需选择分布式、集中式两种模式：在集中式中，可编程超表面采用单一面板的形式；在分布式中，可编程超表面采用多面板的形式。

基于可编程超表面的无线中继***下的一种信道估计方法，该方法基于由用户端、基站端和基于可编程超表面的无线中继端组成的上行传输链路，包括以下步骤：

步骤1、完成用户数据、导频信息的准备，其中导频信息包括第一段和第二段两段；

用户端：用户端基带处理模块将待传的用户数据映射成由数字0和1组成的比特流信息，再将比特流信息映射成一组星座点集，然后将导频信息的第二段与星座点集进行组帧，得到已调基带信号；射频链路模块对每一帧已调基带信号上变频产生已调射频信号，发射天线发射已调射频信号，进行空口传输；

基于可编程超表面的无线中继端：可编程超表面根据存储在其控制电路中的导频信息的第一段，产生一段对应导频信息的第一段的时域控制序列，用于对入射的单音载波信号进行调制从而产生并反射出导频信号的第一段；

基站端：读取预存的导频信息的第一段，以备对基于可编程超表面的无线中继端到基站端的信道估计中使用；基站端通过基于可编程超表面的无线中继的反馈链路实现与基于可编程超表面的无线中继的时序同步；

步骤2、组帧并发送

帧结构共分为3个时隙，第一个时隙放置导频信息的第一段，第二个时隙放置导频信息的第二段，第三个时隙放置待传的用户数据映射成的一组星座点集；用户端将导频信息的第二段和待传的用户数据映射成的一组星座点集组帧完毕后送入射频链路模块后通过发射天线进行发射；

步骤3、基于可编程超表面的无线中继端***导频信息的第一段

基于可编程超表面的无线中继端监测用户端发出的已调射频信号每一帧中第一个时隙的起始位置以便***导频信息的第一段，当每一帧的第一个时隙开始时，通过馈源天线将预设频率的单音载波信号作为入射波定向辐射至超表面面板，通过步骤1中所述的时域控制序列对单音载波信号进行相位调制，超表面面板反射出携带导频信息的第一段的已调射频信号，向基站端传输；

步骤4、完成对基于可编程超表面的无线中继端至基站端的信道H₂的信道估计

在基站端接收到携带导频信息的第一段的已调射频信号后，根据预存在基站端的导频信息的第一段，完成基于可编程超表面的无线中继端到基站端的信道估计，而后将估计值

通过反馈链路反馈给基于可编程超表面的无线中继端；

步骤5、完成对用户端至基于可编程超表面的无线中继端的信道h₁的信道估计

基于可编程超表面的无线中继端：可编程超表面在接收到用户端传输而来的已调射频信号前，通过控制电路改变自身的反射系数为全通状态，即包含可编程超表面各单元相位信息的对角阵Φ中所有对角元素均为1；

基站端：在基站端接收到可编程超表面反射的已调射频信号后，根据预存在基站端的导频信息的第一段，完成对用户端-基于可编程超表面的无线中继端-基站端的级联信道估计，得到估计值

在基站端对

左乘在步骤4中求得的

的逆，得到用户端到基于可编程超表面的无线中继端的信道估计值

而后将

通过反馈链路反馈给基于可编程超表面的无线中继端；

步骤6、利用步骤5中的信道估计值

调整超表面面板中每个超材料单元的反射系数，从而进行波束赋形

基于可编程超表面端的无线中继端：利用在步骤4、5中的

和

改变超表面面板中每个超材料单元的反射系数，对反射的已调射频信号中的待传的用户数据进行波束赋形；

基站端：对接收到的波束赋形后的待传用户数据进行信号均衡后恢复出对应的比特流信息。

进一步的，利用时分双工(Time Division Duplexing，TDD)***中上下行信道互异性，在步骤2中的帧结构中加入保护间隔及下行数据传输时隙。

进一步的，步骤6中改变超表面面板中每个超材料单元的反射系数的方法如下：

6.1，构建以最大化***可达速率R为目标的优化问题：

式中，

为可编程超表面第m个超材料单元的反射相位，M为超材料单元总数，

6.2，根据H₂和h₁的估计值

和

简化6.1中的优化问题为：

式中，

N为基站端的天线数；

6.3，令

简化6.2中的优化问题为：

式中，real{·}表示取实部；

6.4，通过以下步骤得到一组

的渐进最优解：

Step 1.随机设置一组

的值；

Step 2.利用Step 1中的

优化

令

则

的最优解

进而得到对应的***可达速率R₁；

Step 3.采用Step 2的方法，求出

的最优解，进而得到对应的***可达速率 R₂,...,R_M；

Step 4.重复Step 2至Step 3，直至***可达速率增长比例小于10^-4；

Step 5.设置不同的随机

值，重复Step 2至Step 4，以多次取均值的形式得到一组优化结果

及对应的可达速率R_opt。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、利用可编程超表面取代传统的放大转发、解码转发等作为无线通信***中的中继设备，通过近似无源、成本低廉的可编程超表面反射信号以提供辅助链路，保证用户与基站端的通信质量；

2、在第一段导频的生成过程中，采用向可编程超表面入射单音载波并利用控制信号调控可编程超表面反射系数，以实现载波调制，令反射波呈现搭载第一段导频信号的已调信号的频谱特征。本方案将第一段导频数据信号通过可编程超表面发送，且信号能量基本全部来自单音载波，可以有效降低能耗；

3、本方案采用两段导频设计，将复杂的两段信道值估计简化为一段信道的估计和级联信道的估计，大大减少了级联信道估计的算法复杂度，为未来无线通信中应用可编程超表面作为中继解决方案增加了可能性。

附图说明

图1为本发明基于可编程超表面的无线中继***所采用的可编程超表面的结构示意图；

图2为本发明基于可编程超表面的无线中继***的***示意图；

图3为本发明基于可编程超表面的无线中继***下的信道估计方法的帧结构示意图；

图4为本发明基于可编程超表面的无线中继***下的信道估计方法的流程示意图；

图5为本发明基于可编程超表面的无线中继***下的信道估计方法的数据传输示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明中可编程超表面所述的超表面面板由多个如图1所示的超材料单元构成。超材料单元由可变电容、基材、方形金属和环形金属构成。

如图2所示，本发明提出了基于可编程超表面的无线中继***及其一种信道估计方法，该***是基于包含用户端、接收端及可编程超表面作中继站的无线通信上行链路传输***，整个估计方法包括用户端数据准备及组帧发射、可编程超表面***导频信息的第一段、基站端进行两次信道估计、反馈渐进最优相位至可编程超表面进行波束赋形等四个阶段。

基于可编程超表面的无线中继***，具体包括：

用户端，包括用户端基带处理模块、射频链路及发射天线。其中用户端基带处理模块，用于先将用户数据映射成由数字0和1组成的比特流信息，再将比特流信息映射成一组星座点集，再将导频信息的第二段与用户数据一起进行组帧；所述射频链路，用于对每一帧中的已调基带信号上变频至射频，产生已调射频信号并送至发射天线；所述发射天线，用于发射已调射频信号，进行空口传输。所述用户端能够由单天线单用户扩展为单天线多用户模式。

基于可编程超表面的中继装置，包括可编程超表面、载波信号发生器及与基站端相连的反馈链路。所述可编程超表面，由超表面面板及控制电路组成，超表面面板用于反射用户端传输而来的携带用户数据的已调射频信号；所述控制电路，根据其寄存器上预先存储的导频信息的第一段生成一段时域控制序列，在该时域控制序列的控制下，改变超表面面板自身的反射系数，可达到调制所反射的射频信号相位的目的；所述载波信号发生器，用于将预设频率的单音载波信号作为入射波定向辐射至超表面面板；所述与基站端相连的反馈链路，用于在可编程超表面与基站端之间进行数据信号的互传，将基站端估计出的信道值反馈给可编程超表面，以及完成基站端与基于可编程超表面的中继端的时序同步。所述基于可编程超表面的中继装置按需选择分布式、集中式两种模式：在集中式中，可编程超表面采用单一面板的形式；在分布式中，可编程超表面采用多面板的形式。

基站端，包括接收天线、射频模块、基站端基带处理模块。其中接收天线，用于从空口接收可编程超表面反射的已调射频信号；所述射频模块，用于将射频信号下变频并进行模数转换以得到基带信号；所述基站端基带处理模块，用于对基带信号进行处理，即利用导频数据进行信道估计，对用户数据进行信号均衡，最终恢复出用户端发送的原始比特流信息。

本发明还提出基于可编程超表面的无线中继***下的一种信道估计方法，该方法基于由用户端、基站端和作为中继站的可编程超表面组成的上行传输链路，包括以下步骤：

步骤1、完成数据、导频信息的准备，其中，导频信息分为第一段和第二段两段，两段的作用各不相同，在帧结构的不同时隙存放。

用户端：基带处理模块将导频信息的第二段、待传的用户数据映射成由数字0和1组成的比特流信息，将比特流信息映射成一组星座点集，将导频信息的第二段与星座点集进行组帧，得到已调基带调制信号；射频链路模块对每一帧已调基带信号上变频产生已调射频信号，发射天线发射已调射频信号，进行空口传输。

基于可编程超表面的无线中继端：可编程超表面根据存储在其控制电路中的导频信息的第一段，产生一段对应的时域控制序列，用于对入射的单音载波信号进行调制从而产生并反射出导频信息的第一段。

基站端：读取预存的导频信息的第一段，以备对基于可编程超表面的无线中继端到基站端的信道估计中使用；基站端通过反馈链路实现与基于可编程超表面的无线中继端的时序同步。

步骤2、按照设计方案进行组帧并发送。

本发明设计的帧结构共分为3个时隙，第一个时隙放置导频信息的第一段，在基于可编程超表面的无线中继端进行***，以用于基于可编程超表面的无线中继端至基站端的信道估计；第二个时隙放置用户端配置好的导频信息的第二段，在用户端进行***，用于对用户端- 可编程超表面-基站端的级联信道进行估计；第三个时隙放置星座映射之后的待传的用户数据。组帧完毕后即可送入射频链路进行发射。

步骤3、基于可编程超表面的无线中继端***导频信息的第一段。

基于可编程超表面的无线中继端监测用户端发出的已调射频信号每一帧中第一个时隙的起始位置以便***导频信息的第一段，当每一帧的第一个时隙开始时，通过馈源天线将预设频率的单音载波信号作为入射波打向可编程超表面端，通过步骤1中所述的时域控制序列对单音载波信号进行相位调制，超表面面板反射出携带导频信息的第一段的已调射频信号，向基站端传输。

步骤4、完成基于可编程超表面的无线中继端至基站端信道H₂的信道估计。

在基站端接收到携带导频信息的第一段的已调射频信号后，即可根据预存的导频信息，完成可编程超表面端到基站端的信道估计(可采用最小二乘(Least Square，LS)估计)，而后可将估计值

通过基站端与基于可编程超表面的无线中继端相连的反馈链路反馈给基于可编程超表面的无线中继端；

步骤5、完成对用户端至基于可编程超表面的无线中继端信道h₁的信道值估计。

基于可编程超表面的无线中继端：在每一帧的第二个时隙中，由用户端发射导频信息的第二段。可编程超表面在接收到第二段导频前，通过控制电路改变自身表面反射系数为全通状态(Φ为包含可编程超表面各单元相位信息的对角阵，其中每个对角元素对应一个单元的反射相位值，此处全通状态即为Φ中所有对角元素均设置为1)，使得导频信息的第二段的幅度和相位不受可编程超表面反射的影响。

基站端：在基站端接收到可编程超表面反射的已调射频信号后，即可根据预存的导频信息的第一段，完成对用户端-基于可编程超表面的无线中继端-基站端的级联信道估计(可采用最小二乘(Least Square，LS)估计)，得到估计值

因为在反射第二段导频过程中，可编程超表面端各单元相位信息矩阵Φ为单位阵，即

在基站端对得到的级联信道估计值左乘在步骤4中求得的H₂估计值的逆(若不为方阵，则左乘H₂的左伪逆)，即可得到发射端到基于可编程超表面的无线中继端之间的信道估计值

而后将估计值

通过基站端与基于可编程超表面的无线中继端间的反馈链路反馈给基于可编程超表面的无线中继端。

步骤6、利用信道估计结果调整可编程超表面每个单元的反射系数，从而进行波束赋形。

基于可编程超表面的无线中继端：在时隙3中反射的是待传的用户数据，利用在步骤4、 5中估计出的H₂和h₁的值，改变可编程超表面各单元反射系数，对反射的待传的用户数据进行波束赋形，从而进一步提高***吞吐率。

据此改变可编程超表面各单元反射系数一种方法如下：

对于上述***模型，其***可达速率为

其中P为发射端天线功率，σ_n为***的噪声功率。以最大化可达速率R为目标，可以得到

则最大化可达速率R为目标的优化问题等价于

其中，

为可编程超表面第m 个超材料单元的反射相位，M为超材料单元总数。

得到信道H₂和h₁的估计值

和

后，可以把信道矩阵

和

以及可编程超表面相位矩阵Φ分别表示为

其中N为基站端的天线数。

进一步展开，进行矩阵相乘后可得

令a_n,m＝x_n,my_m，可以得到

因此，相位矩阵的优化问题可化简为

对于任意一个

令

上式可被进一步化简为

可以看出，前两项的值的大小与

无关，仅需将第三项取实部的括号内的复数幅角为零，即可达到最大值。所以对于每一个

在可编程超表面其余超材料单元的反射相位确定的情况下，其最优值为

所以，通过以下的算法可以最终得出一组

的渐进最优解。

Step 1.随机设置一组

的值；

Step 2.利用Step 1中的

优化

令

根据上文中的推导结果，即

的最优解

求出

后带入求得对应的***可达速率R₁；

Step 3.与Step 2.类似，将

分别通过以上方式求出最优解，进而得到对应的***可达速率R₂,...,R_M；

Step4.将Step 2至Step 3迭代若干次，直至***可达速率增长比例小于10^-4，即停止迭代；

Step 5.设置不同的随机初始相位

值，将Step 2至Step 4重复若干次(例如设置为10000次)，最后以多次取均值的形式得到一组优化结果

及最终对应的的可达速率R_opt。

至此，通过本算法得到可编程超表面各超材料单元的渐进最优相位值

通过连接基站端与可编程超表面端的反馈链路可将求得的相位值回传给可编程超表面，通过其控制电路，调整可编程超表面自身的反射系数完成波束赋形。

基站端：接收到时隙3中的待传的用户数据后，基站端对其进行信号均衡后可恢复出用户端发送的原始比特流信息。

本发明采用可编程超表面取代传统中继设备，中继端完全由价格低廉、结构简单、部署容易的可编程超表面及其控制链路组成，此外通过反馈控制链路可以实现中继端与基站端的信息交互与时序同步。由于可编程超表面处理数据能力有限，造成两段信道状态信息难以获取，无法最大限度地发挥可编程超表面对入射波的智能反射作用。因此，本发明基于这一问题，利用双导频模式的帧结构以获取信道状态信息。

其中，在载入导频信息的第一段时，可编程超表面对单音载波的相位的操控是通过时序控制序列改变每一超材料单元的反射系数来实现的，反射过程可看作一种新型的调制过程，获得加载导频信息的已调载波信号，无需复杂的混频器、功放设备等，所有能量几乎集中于载波信号，降低了功耗。同时，在中继信号的过程中，相较于放大转发对于噪声放大的缺点，可编程超表面仅改变入射波的相位，且不会引入射频链路噪声。相较于解码转发需要接收、解调、再转发等复杂模块的缺点，可编程超表面仅对入射波进行反射，对数据处理能力要求较低，降低了部署成本和链路复杂程度。

综上，本发明采用一种可编程超表面来替代传统的中继设备，通过对可编程超表面的每个单元的反射系数进行控制进而智能地反射入射波以产生所需的射频信号，在中继设备端避免使用设计复杂且造价昂贵的解码转发、放大转发等传统中继设备，从而大大减小了部署成本，提高了***架构的灵活性。本发明设计的两段式导频***方法能有效的估计出两段信道值，进而在可编程超表面中继端进行合理的波束成形，一定程度上降低了级联信道估计难度和导频开销。本***拓宽了传统无线通信***的概念，将复杂、繁重的中继设备部署转化为简易、灵活的可编程超表面的配置。***利用近似无源、成本低廉的可编程超表面作中继设备并设计帧结构进一步完成两段信道的估计，通过控制反馈电路完成信道状态信息的回传与更新，从而在可编程超表面端进行波束赋形，提高通信质量。该方法为解决可编程超表面实际部署中数据处理能力弱、信道估计困难这一难题提供了一种新思路，为在新一代移动通信***中广泛应用可编程超表面增加了可能性。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.基于可编程超表面的无线中继***，该***由用户端、基站端和基于可编程超表面的无线中继端组成，其特征在于：

所述用户端，包括用户端基带处理模块、射频链路模块及发射天线；所述用户端基带处理模块，用于先将用户数据映射成由数字0和1组成的比特流信息，再将比特流信息映射成一组星座点集，最后将导频信息的第二段与用户数据映射而成的星座点集一起进行组帧，得到已调基带信号；所述射频链路模块，用于将每一帧已调基带信号上变频至射频，产生已调射频信号并送至发射天线；所述发射天线，用于发射已调射频信号，进行空口传输；

所述基于可编程超表面的无线中继端，包括可编程超表面、载波信号发生器及与基站端相连的反馈链路；所述可编程超表面由超表面面板及控制电路组成，超表面面板由多个超材料单元构成，其中超材料单元由可变电容、基材、方形金属和环形金属构成；超表面面板用于反射用户端传输而来的已调射频信号；所述控制电路，根据其寄存器上预存的导频信息的第一段生成一段时域控制序列，在该时域控制序列的控制下，改变超表面面板自身的反射系数；所述载波信号发生器，用于将预设频率的单音载波信号作为入射波定向辐射至超表面面板；所述反馈链路，用于在可编程超表面与基站端之间进行数据信号的互传，将基站端估计出的信道值反馈给可编程超表面，以及完成基站端与基于可编程超表面的无线中继端的时序同步；

所述基站端，包括接收天线、射频模块、基站端基带处理模块；所述接收天线，用于从空口接收基于可编程超表面的无线中继端反射而来的已调射频信号；所述射频模块，用于将接收天线接收到的已调射频信号下变频并进行模数转换以得到基带信号；所述基站端基带处理模块，用于对基带信号进行处理，所述处理即利用导频信息进行信道估计，对用户数据进行信号均衡，最终恢复出用户端发送的原始比特流信息。

2.如权利要求1所述的基于可编程超表面的无线中继***，其特征在于，所述用户端能够由单天线单用户扩展为单天线多用户模式。

3.如权利要求1所述的基于可编程超表面的无线中继***，其特征在于，所述基于可编程超表面的中继装置按需选择分布式、集中式两种模式：在集中式中，可编程超表面采用单一面板的形式；在分布式中，可编程超表面采用多面板的形式。

4.如权利要求1所述的基于可编程超表面的无线中继***下的一种信道估计方法，该方法基于由用户端、基站端和基于可编程超表面的无线中继端组成的上行传输链路，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、完成用户数据、导频信息的准备，其中导频信息包括第一段和第二段两段

用户端：用户端基带处理模块将待传的用户数据映射成由数字0和1组成的比特流信息，再将比特流信息映射成一组星座点集，然后将导频信息的第二段与星座点集进行组帧，得到已调基带信号；射频链路模块对每一帧已调基带信号上变频产生已调射频信号，发射天线发射已调射频信号，进行空口传输；

基于可编程超表面的无线中继端：可编程超表面根据存储在其控制电路中的导频信息的第一段，产生一段对应导频信息的第一段的时域控制序列，用于对入射的单音载波信号进行调制从而产生并反射出导频信号的第一段；

基站端：读取预存的导频信息的第一段，以备对基于可编程超表面的无线中继端到基站端的信道估计中使用；基站端通过基于可编程超表面的无线中继的反馈链路实现与基于可编程超表面的无线中继的时序同步；

步骤2、组帧并发送

帧结构共分为3个时隙，第一个时隙放置导频信息的第一段，第二个时隙放置导频信息的第二段，第三个时隙放置待传的用户数据映射成的一组星座点集；用户端将导频信息的第二段和待传的用户数据映射成的一组星座点集组帧完毕后送入射频链路模块后通过发射天线进行空口发射；

步骤3、基于可编程超表面的无线中继端***导频信息的第一段

基于可编程超表面的无线中继端监测用户端发出的已调射频信号每一帧中第一个时隙的起始位置以便***导频信息的第一段，当每一帧的第一个时隙开始时，通过馈源天线将预设频率的单音载波信号作为入射波定向辐射至超表面面板，通过步骤1中所述的时域控制序列对单音载波信号进行相位调制，超表面面板反射出携带导频信息的第一段的已调射频信号，向基站端传输；

步骤4、完成对基于可编程超表面的无线中继端至基站端的信道H₂的信道估计

在基站端接收到携带导频信息的第一段的已调射频信号后，根据预存在基站端的导频信息的第一段，完成基于可编程超表面的无线中继端到基站端的信道估计，而后将估计值

通过反馈链路反馈给基于可编程超表面的无线中继端；

步骤5、完成对用户端至基于可编程超表面的无线中继端的信道h₁的信道估计

基于可编程超表面的无线中继端：可编程超表面在接收到用户端传输而来的已调射频信号前，通过控制电路改变自身的反射系数为全通状态，即包含可编程超表面各单元相位信息的对角阵Φ中所有对角元素均为1；

基站端：在基站端接收到可编程超表面反射的已调射频信号后，根据预存在基站端的导频信息的第一段，完成对用户端-基于可编程超表面的无线中继端-基站端的级联信道估计，得到估计值

在基站端对

左乘在步骤4中求得的

的逆，得到用户端到基于可编程超表面的无线中继端的信道估计值

而后将

通过反馈链路反馈给基于可编程超表面的无线中继端；

步骤6、利用步骤5中的信道估计值

调整超表面面板中每个超材料单元的反射系数，从而进行波束赋形

基于可编程超表面端的无线中继端：利用在步骤4、5中的

和

改变超表面面板中每个超材料单元的反射系数，对反射的已调射频信号中的待传的用户数据进行波束赋形；

基站端：对接收到的波束赋形后的待传用户数据进行信号均衡后恢复出对应的比特流信息。

5.如权利要求4所述的基于可编程超表面的无线中继***下的一种信道估计方法，其特征在于，利用时分双工TDD***中上下行信道互异性，在步骤2中的帧结构中加入保护间隔及下行数据传输时隙。

6.如权利要求4所述的基于可编程超表面的无线中继***下的一种信道估计方法，其特征在于，步骤6中改变超表面面板中每个超材料单元的反射系数的方法如下：

6.1，构建以最大化***可达速率R为目标的优化问题：

式中，

为可编程超表面第m个超材料单元的反射相位，M为超材料单元总数，

6.2，根据H₂和h₁的估计值

和

简化6.1中的优化问题为：

式中，a_n,m＝x_n,my_m，

N为基站端的天线数；

6.3，令

简化6.2中的优化问题为：

式中，real{·}表示取实部；

6.4，通过以下步骤得到一组

的渐进最优解：

Step 1.随机设置一组

的值；

Step 2.利用Step 1中的

优化

令

则

的最优解

进而得到对应的***可达速率R₁；

Step 3.采用Step 2的方法，求出

的最优解，进而得到对应的***可达速率R₂,...,R_M；

Step 4.重复Step 2至Step 3，直至***可达速率的增长比例小于10^-4；

Step 5.设置不同的随机

值，重复Step 2至Step 4，以多次取均值的形式得到一组优化结果

及对应的可达速率R_opt。

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