CN112491773B - 一种基于智能反射表面的多制式信号调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能反射表面的多制式信号调制方法，包括下列步骤：S1、将智能反射表面的元素单元分组，其中每组单元反射信道具有强相关性；S2、将智能反射表面调制的比特信息分流为两部分，第一部分的比特信息表示采用的相位调制方法，第二部分的比特信息按照第一部分比特信息表示的调制方法进行信息调制；S3、确定智能反射表面各分组元素的反射相位；S4、第一时隙接收端收到经智能反射表面调制的信息后，在第二时隙，改变第一部分的比特信息表示的调制方法并再次传输相同的比特信息；S5、在接收端解调出调制信息。本发明提出的基于智能反射表面的多制式信号调制方法，可以增加传输的比特信息并提高通信***的频谱效率。

Description

一种基于智能反射表面的多制式信号调制方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种利用智能反射表面元素单元的不同分组进行多制式相位调制的方法。

背景技术

智能反射表面因其成本低、耗能小、部署方便且可以智能的控制入射信号的反射相位从而成为未来无线通信领域一个很有前途的技术方案。随着智能反射表面可应用场景的增加，智能反射表面通过自身传感器收集的周围环境状态等信息也在不断增加，如何通过智能反射表面传输这部分信息也成为一个研究热点。

为了传输智能反射表面收集的信息，有研究人员提出通过控制智能反射表面元素单元的开关状态，或者将智能反射表面元素单元分组并让每组内一定数量的元素单元处于关的状态来调制信息并传输。这两种方案中，由于处于关的状态的智能反射表面元素单元的存在，整个智能反射表面无法获得整体增益，接收信号的能量会减弱。且智能反射表面元素单元的开关状态的变化不确定性也会增加***的复杂性。最近的研究中，也有研究人员提出将智能反射表面元素单元分组并让不同组的智能反射表面的反射相位正交，但采用这种方式，每组智能反射表面分组元素只能传输单个的比特信息。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中的上述缺陷，提供一种在智能反射表面辅助的单输入单输出无线***中，利用智能反射表面元素单元的不同分组进行多制式相位调制的方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于智能反射表面的多制式信号调制方法，应用于无线通信***，该无线通信***包括至少一个基站、至少一个采用示例分组的智能反射表面和至少一个用户，所述的多制式信号调制方法包括以下步骤：

S1、对智能反射表面的元素单元分组，将智能反射表面的L₀个元素单元分为L组，其中每组单元反射信道具有强相关性；

S2、将智能反射表面调制的比特信息分流为B1和B2两部分，B1中的比特信息表示各分组元素采用的相位调制方法，B2中的比特信息按照B1中的比特信息表示的调制方法进行信息调制；

S3、各分组元素采用M进制相位调制方法及其星座图旋转后的M进制相位调制方法，根据采用的相位调制方法确定智能反射表面各分组元素的反射相位；

S4、B1中的比特信息表示各分组元素采用的相位调制方法共有两种可供选择的表示方式，在第一时隙，选择并确定B1中一种比特信息表示调制方法的表示方式，接收端收到经智能反射表面调制的信息后，在第二时隙，发送端发送相同的信息，采用B1中另一种比特信息表示调制方法的表示方式，将B2中比特信息按照B1中的比特信息表示的调制方法进行信息调制；

S5、在接收端解调出智能反射表面调制信息。

进一步地，在智能反射表面的一组分组元素中，B1中包含一个比特的信息，该信息用二进制形式表示为0或者1，在调制过程中用二进制比特信息表示相位调制方法可以选择如下两种方案，即用0表示采用M进制相位调制方法并用1表示星座图旋转后的M进制相位调制方法的方案或者用1表示采用M进制相位调制方法并用0表示星座图旋转后的M进制相位调制方法的方案，在第一时隙，选择并确定一种方案的相位调制方法的表示方式，在第二时隙，采用另一种方案的相位调制方法的表示方式。

进一步地，在智能反射表面的一组分组元素中，B2中的比特信息根据B1中的比特信息确定的调制方式进行信息调制，记B2中的比特信息按照M进制相位调制方法调制后的符号为X_m，记B2中的比特信息按照星座图旋转后的M进制相位调制方法调制后的符号为XX_m，其中，m表示M进制相位调制方法及星座图旋转后的M进制相位调制方法调制后的符号的索引，m的取值范围为1,2,...,M。

进一步地，所述的步骤S3的过程如下：

假设基站和智能反射表面对无线通信***的信道状态信息已知，对无线通信***分析确定智能反射表面各组元素的最优反射相位，以最大化接收天线的瞬时信噪比为优化目标计算反射相位，计算过程如下：

接收端天线接收的瞬时信噪比表示为：

根据接收端天线接收的瞬时信噪比的表达式得到当以接收天线获得最大瞬时接收信噪比为目标时，最优反射相位应选择：

将采用M进制相位调制方法分组元素的反射相位表示为：

将采用星座图旋转后的M进制相位调制方法分组元素的反射相位表示为：

其中，l表示智能反射表面L组分组元素的索引且l＝1,2,...,L，g_l、

分别表示智能反射表面第l组分组元素至接收端信道的幅度系数和相位系数，e表示自然常数，

θ_l∈[0,2π)表示第l组分组元素的反射相位，每个智能反射表面单元元素的反射幅度被设置为最大值1，X_m为M进制相位调制方法调制后的符号，∠X_m表示符号X_m的相位，XX_m为星座图旋转后的M进制相位调制方法调制后的符号，∠XX_m表示符号XX_m的相位，m表示M进制相位调制方法及星座图旋转后的M进制相位调制方法调制后的符号索引，m的取值范围为1,2,...,M，E_S为未调制信号的能量，N₀为噪声功率。

进一步地，所述的步骤S4的过程如下：

发射信号经智能反射表面调制后，将第一时隙用户接收的信号表示为：

其中，假设第一时隙确定B1中的比特信息表示相位调制方法的一种表示方式，P组分组元素采用M进制相位调制方法，L-P组分组元素采用星座图旋转后的M进制相位调制方法，

表示智能反射表面第l组分组元素至接收端的信道，

为加性高斯白噪声，且服从均值为0，方差为N₀的正态分布；

传输相同的信息，第二时隙采用第一时隙B1中的比特信息表示相位调制方法的另一种表示方式，发射信号经智能反射表面调制后，第二时隙用户接收的信号表示为：

其中，数量P组分组元素采用星座图旋转后的M进制相位调制方法，数量L-P组分组元素采用M进制相位调制方法。

进一步地，所述的步骤S5的过程如下：

将接收端两个时隙接收的信号分别表示为向量形式：

Y＝[y₁,y₂,...,y_L]，Y＝[y ₁,y ₂,...,y _L]；

其中，y_l表示在第一时隙接收端收到的经第l组智能反射表面多制式信号调制方法调制后的信号，y _l表示在第二时隙接收端收到的经第l组智能反射表面多制式信号调制方法调制后的信号；

在接收端采用最大似然检测算法解调出智能反射表面调制信息，假设接收端已知信道状态信息h_l，对第一个时隙接收的信号：

对第二个时隙接收的信号：

其中，

表示第一个时隙接收端的接收信号与理论接收信号的差值，

表示第二个时隙接收端的接收信号与理论接收信号的差值；

在解调时，若

在X_m(XX_m)取得最小值的同时

在XX_m(X_m)取得最小值，则根据B1中的比特信息采用的相位调制表示方法确定B1中的比特信息，比较

与

的数值大小，选择其中数值更小的值并根据星座图映射方式解调出B2中的比特信息；若

在X_m(XX_m)取得最小值的同时

在X_m(XX_m)取得最小值，则比较

与

的数值大小，选择其中数值更小的值并根据B1中的比特信息采用的相位调制表示方法确定B1中的比特信息以及根据星座图映射方式解调出B2中的比特信息。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)本发明通过智能反射表面进行信息调制可以简化发送端与调制相关的硬件的设计并节约成本。

2)本发明通过将智能反射表面的元素单元分组并且采用多制式相位的调制方案增加了智能反射表面各组元素调制的比特信息数。

3)本发明提出的多制式相位调制方案相对于传统的相位调制方案，可以通过对智能反射表面的不同分组获得更高的频谱效率。

附图说明

图1是本发明实施例中下行链路智能反射表面辅助单输入单输出无线通信***进行多制式相位调制的模型图；

图2是本发明实施例中基于智能反射表面的多制式相位调制方案与传统相位调制方案误比特率性能对比仿真图；

图3是本发明实施例中基于智能反射表面的多制式信号调制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参见图1，图1是本发明实施例中下行链路的智能反射表面辅助的单输入单输出无线通信***进行多制式相位调制的模型图。如图1所示，本实施例应用场景包括一个基站、一个采用示例分组的智能反射表面和一个用户。

本实施例中，智能反射表面部署在基站附近并近似看作基站的一部分，基站至智能反射表面的信道对信息传输产生的影响忽略不计，智能反射表面可通过自身传感器感知周围环境数据等信息并与基站通过控制链路进行信息交互和相位控制。基站、智能反射表面及用户对信道状态信息已知。信道模型为准静态块衰落信道，信道系数为常数且在不同的衰落块内独立同分布。假设基站与用户之间的信道被阻塞。下面结合图1，具体说明实施该发明方法的流程步骤。

S1、对智能反射表面的元素单元分组，将智能反射表面的L₀个元素单元分为L组，其中每组单元反射信道具有强相关性。

S2、将智能反射表面感知的信息转化为二进制形式并将转化后的二进制比特信息分流为B1和B2两部分，B1中的比特信息表示各分组元素采用的相位调制方法，B2中的比特信息按照第一部分比特信息表示的调制方法进行信息调制。

S201、本实施例中，B1中的一个比特信息表示四进制相位调制方法以及星座图旋转45度的四进制相位调制方法，表示方式一为：0代表四进制相位调制方法同时1代表星座图旋转45度的四进制相位调制方法；表示方式二为：1代表四进制相位数字调制方法同时0代表星座图旋转45度的四进制相位调制方法。0、1为二进制符号的表示形式。

本实施例中假设接收端已知智能反射表面分组元素采用相位调制方法的表示方式。

S202、B2中的比特信息根据B1中的比特信息确定的调制方法进行信息调制。

为详细说明发明原理，以图1所示分组元素采用的调制方法为例说明。在一组智能反射表面分组元素中,B2中包含两个比特的信息，可由示例图中的四个星座点分别表示。记B2中的比特信息按照四进制相位调制方法调制后的符号为X₁,X₂,X₃,X₄，记B2中的比特信息按照星座图旋转45度的四进制相位调制方法调制后的符号为XX₁,XX₂,XX₃,XX₄。

B2中的比特信息按照四进制相位调制方法调制后，信息位和调制符号的对应关系为：

B2中的比特信息按照星座图旋转45度的四进制相位调制方法调制后，信息位和调制符号的对应关系为：

S3、确定智能反射表面分组元素的反射相位。

S301、对无线通信***分析确定智能反射表面各组元素的最优反射相位，以最大化接收天线的瞬时信噪比为优化目标计算反射相位，计算过程如下：

接收端天线接收的瞬时信噪比表示为：

其中，l表示智能反射表面L组分组元素的索引且l＝1,2,...,L，g_l、

分别表示智能反射表面第l组分组元素至接收端信道的幅度系数和相位系数，e表示自然常数，

θ_l∈[0,2π)表示第l组分组元素的反射相位，本发明中，每个智能反射表面单元元素的反射幅度被设置为最大值1，E_S为未调制信号的能量，N₀为噪声功率。

根据接收端天线接收的瞬时信噪比的表达式得到当以接收天线获得最大瞬时接收信噪比为目标时，最优反射相位应选择：

S302、将采用四进制相位调制方法分组元素的反射相位表示为：

将采用星座图旋转后的M进制相位调制方法分组元素的反射相位表示为：

m表示M进制相位调制方法及星座图旋转后的M进制相位调制方法调制后的符号的索引，本例中m的取值为1，2，3，4。

S4、发射信号经智能反射表面调制后，第一时隙用户接收的信号表示为：

其中，第一时隙的B1中的比特信息采用步骤S201中表示方式一表示各分组元素采用的相位调制方法，假设数量P组分组元素采用四进制相位调制方法，数量L-P组分组元素采用星座图旋转45度后的四进制相位调制方法，

表示智能反射表面第l组分组元素至接收端的信道，g_l、

分别表示智能反射表面第l组分组元素至接收端信道的幅度系数和相位系数，e表示自然常数，

为加性高斯白噪声，且服从均值为0，方差为N₀的正态分布；

传输相同的信息，第二时隙的B1中的比特信息采用步骤S201中表示方式二表示各分组元素采用的相位调制方法，发射信号经智能反射表面调制后，第二时隙用户接收的信号表示为：

其中，数量L-P组分组元素采用四进制相位调制方法，数量P组分组元素采用星座图旋转45度后的四进制相位调制方法。

S5、对接收端接收到的信号进行解调。

S501、将接收端两个时隙接收的信号分别表示为向量形式：

Y＝[y₁,y₂,...,y_L]，Y＝[y ₁,y ₂,...,y _L]；

其中，y_l表示在第一时隙接收端收到的经第l组智能反射表面多制式相位调制后的信号，y _l表示在第二时隙接收端收到的经第l组智能反射表面多制式相位调制后的信号；

S502、在接收端采用最大似然检测算法解调出智能反射表面调制信息，假设接收端已知信道状态信息h_l，对第一个时隙接收的信号：

对第二个时隙接收的信号：

其中，

表示第一个时隙接收端的接收信号与理论接收信号的差值，

表示第二个时隙接收端的接收信号与理论接收信号的差值；

在解调时，若

在X_m(XX_m)取得最小值同时

在XX_m(X_m)取得最小值，则根据B1中的比特信息采用的相位调制表示方法确定B1中的比特信息，比较

与

的数值大小，选择其中数值更小的值并根据星座图映射方式解调出B2中的比特信息；若

在X_m(XX_m)取得最小值同时

在X_m(XX_m)取得最小值，则比较

与

的数值大小，选择其中数值更小的值并根据B1中的比特信息采用的相位调制表示方法确定B1中的比特信息以及根据星座图映射方式解调出B2中的比特信息。

为了说明本发明方法的技术进步性，在MATLAB平台上对本发明提出的多制式信号调制方法与高斯白噪声信道下的四进制相位键控调制方法在信噪比不同的情况下比较了误码率性能。具体参数设置中，智能反射表面单元元素个数分别为64和128，智能反射表面单元元素分别被分为2、4和8组，具体地，图2是本发明实施例中基于智能反射表面的多制式相位调制方案与传统相位调制方案误比特率性能对比仿真图。

和传统的四进制相位键控调制方法相比，本发明具有如下技术进步性。

1)提升频谱效率，或者误比特率性能。如图2所示，智能反射表面的多制式信号调制方法相对于四进制相位键控调制方法，能获得更低的误码率，可提升信息传输的准确性；

2)将智能反射表面的元素单元分组并且采用多制式相位的调制方案增加了智能反射表面各组元素调制的比特信息数。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于智能反射表面的多制式信号调制方法，应用于无线通信***，该无线通信***包括至少一个基站、至少一个采用示例分组的智能反射表面和至少一个用户，其特征在于，所述的多制式信号调制方法包括以下步骤：

S1、对智能反射表面的元素单元分组，将智能反射表面的L₀个元素单元分为L组，其中每组单元反射信道具有强相关性；

S2、将智能反射表面调制的比特信息分流为B1和B2两部分，B1中的比特信息表示各分组元素采用的相位调制方法，B2中的比特信息按照B1中的比特信息表示的调制方法进行信息调制；

S3、各分组元素采用M进制相位调制方法及其星座图旋转后的M进制相位调制方法，根据采用的相位调制方法确定智能反射表面各分组元素的反射相位；

在智能反射表面的一组分组元素中，B2中的比特信息根据B1中的比特信息确定的调制方式进行信息调制，记B2中的比特信息按照M进制相位调制方法调制后的符号为X_m，记B2中的比特信息按照星座图旋转后的M进制相位调制方法调制后的符号为XX_m，其中，m表示M进制相位调制方法及星座图旋转后的M进制相位调制方法调制后的符号的索引，m的取值范围为1,2,...,M；

所述的步骤S3的过程如下：

假设基站和智能反射表面对无线通信***的信道状态信息已知，对无线通信***分析确定智能反射表面各组元素的最优反射相位，以最大化接收天线的瞬时信噪比为优化目标计算反射相位，计算过程如下：

接收端天线接收的瞬时信噪比表示为：

根据接收端天线接收的瞬时信噪比的表达式得到当以接收天线获得最大瞬时接收信噪比为目标时，最优反射相位应选择：

将采用M进制相位调制方法分组元素的反射相位表示为：

将采用星座图旋转后的M进制相位调制方法分组元素的反射相位表示为：

其中，l表示智能反射表面L组分组元素的索引且l＝1，2，...，L，g_l、

分别表示智能反射表面第l组分组元素至接收端信道的幅度系数和相位系数，e表示自然常数，

θ_l∈[0，2π)表示第l组分组元素的反射相位，每个智能反射表面单元元素的反射幅度被设置为最大值1，X_m为M进制相位调制方法调制后的符号，∠X_m表示符号X_m的相位，XX_m为星座图旋转后的M进制相位调制方法调制后的符号，∠XX_m表示符号XX_m的相位，m表示M进制相位调制方法及星座图旋转后的M进制相位调制方法调制后的符号索引，m的取值范围为1，2，...，M，E_S为未调制信号的能量，N₀为噪声功率；

S4、B1中的比特信息表示各分组元素采用的相位调制方法共有两种可供选择的表示方式，在第一时隙，选择并确定B1中一种比特信息表示调制方法的表示方式，接收端收到经智能反射表面调制的信息后，在第二时隙，发送端发送相同的信息，采用B1中另一种比特信息表示调制方法的表示方式，将B2中比特信息按照B1中的比特信息表示的调制方法进行信息调制；

S5、在接收端解调出智能反射表面调制信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能反射表面的多制式信号调制方法，其特征在于，在智能反射表面的一组分组元素中，B1中包含一个比特的信息，该信息用二进制形式表示为0或者1，在调制过程中用二进制比特信息表示相位调制方法可以选择如下两种方案，即用0表示采用M进制相位调制方法并用1表示星座图旋转后的M进制相位调制方法的方案或者用1表示采用M进制相位调制方法并用0表示星座图旋转后的M进制相位调制方法的方案，在第一时隙，选择并确定一种方案的相位调制方法的表示方式，在第二时隙，采用另一种方案的相位调制方法的表示方式。

3.根据权利要求1所述的一种基于智能反射表面的多制式信号调制方法，其特征在于，所述的步骤S4的过程如下：

发射信号经智能反射表面调制后，将第一时隙用户接收的信号表示为：

其中，假设第一时隙确定B1中的比特信息表示相位调制方法的一种表示方式，P组分组元素采用M进制相位调制方法，L-P组分组元素采用星座图旋转后的M进制相位调制方法，

表示智能反射表面第l组分组元素至接收端的信道，

为加性高斯白噪声，且服从均值为0，方差为N₀的正态分布；

传输相同的信息，第二时隙采用第一时隙B1中的比特信息表示相位调制方法的另一种表示方式，发射信号经智能反射表面调制后，第二时隙用户接收的信号表示为：

其中，数量P组分组元素采用星座图旋转后的M进制相位调制方法，数量L-P组分组元素采用M进制相位调制方法。

4.根据权利要求3所述的一种基于智能反射表面的多制式信号调制方法，其特征在于，所述的步骤S5的过程如下：

将接收端两个时隙接收的信号分别表示为向量形式：

Y＝[y₁，y₂，…，y_L]，Y＝[y ₁，y ₂，…，y _L]；

其中，y_l表示在第一时隙接收端收到的经第l组智能反射表面多制式信号调制方法调制后的信号，y _i表示在第二时隙接收端收到的经第l组智能反射表面多制式信号调制方法调制后的信号；

在接收端采用最大似然检测算法解调出智能反射表面调制信息，假设接收端已知信道状态信息h_l，对第一个时隙接收的信号：

对第二个时隙接收的信号：

其中，

表示第一个时隙接收端的接收信号与理论接收信号的差值，

表示第二个时隙接收端的接收信号与理论接收信号的差值；

在解调时，若

在X_m(XX_m)取得最小值的同时

在XX_m(X_m)取得最小值，则根据B1中的比特信息采用的相位调制表示方法确定B1中的比特信息，比较

与

的数值大小，选择其中数值更小的值并根据星座图映射方式解调出B2中的比特信息；若

在X_m(XX_m)取得最小值的同时

在X_m(XX_m)取得最小值，则比较

与

的数值大小，选择其中数值更小的值并根据B1中的比特信息采用的相位调制表示方法确定B1中的比特信息以及根据星座图映射方式解调出B2中的比特信息。

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