CN114039706B - 一种基于新型可重构智能表面的空时编码发送方法 - Google Patents

一种基于新型可重构智能表面的空时编码发送方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于新型可重构智能表面的空时编码发送方法，所述方法包括以下步骤：步骤1:用户A发送导频，用户B不发送信号，控制单元开启新型可重构智能表面的所有M个单元，步骤2：用户B发送导频，用户A不发送信号，控制单元开启新型可重构智能表面的所有M个单元，步骤3：在空时编码的第一个阶段，用户A和用户B同时发送导频，控制单元开启新型可重构智能表面的所有M个单元，步骤4：在空时编码的第二个阶段，用户A和用户B同时发送导频，控制单元开启新型可重构智能表面的所有M个单元，步骤5：基站利用第一和第二个阶段接收到的信号，解调x(0)和x(1)；该方案提高***性能，并据此提供一种快速可靠、实现复杂度低的发送方法。

Description

一种基于新型可重构智能表面的空时编码发送方法
技术领域
本发明涉及一种编码发送方法，具体涉及一种基于新型可重构智能表面的空时编码发送方法，属于移动通信***中的编码技术领域。
背景技术
随着第五代移动通信***(5G)进入商用阶段，第六代移动通信***(6G)的研发拉开了序幕。6G将以全覆盖、全频谱、全应用、强安全的形式满足人们日益增长的各类通信需求，潜在的研究方向包括太赫兹通信，人工智能和超大规模MIMO技术等。
现代移动通信的发展揭示了无线信道的随机性和不确定性是影响无线传输质量的关键因素，发射机的无线电波在传输过程中与传输路径上各种物体不可控制的相互作用，导致接收端信号质量降低。可重构智能表面通过人为调整无线信道环境，显著提高了***的传输性能，为未来无线通信的发展提供了新的思路。可重构智能表面由精心设计的电磁单元规则排列组成，这些电磁单元通常由金属、介质和可调元件构成。通过控制电磁单元中的可调元件，以可编程方式更改反射电磁波的电磁参数，例如相位和幅度。与传统中继通信相比，RIS可以工作在全双工模式下，具有更高的频谱利用率，且RIS无需射频链路，不需要大规模供电，在功耗和部署成本上都将具有优势。传统的RIS分为反射型智能表面和透射型智能表面，而新型的RIS在每个单元上可同时反射和透射无线信号，所以也被称作STAR-RIS(Simultaneous Transmitting and Reflecting RIS)。
可重构智能表面除了用于改变传播环境，起到传统中继的作用外，还可以直接进行信息调制。可重构智能表面可以有效地直接调控电磁信号的波前和各种电磁参数，例如相位、振幅、频率、甚至极化，而无需复杂的基带处理和射频收发操作，因而可被用于探索新型发射机架构，对信号进行直接调制。另外，空时块码是一种在无线通信中使用的发送分集技术，用于在多个天线上发送数据流的多个副本，并利用各种接收的数据版本来提高数据传输的可靠性。本发明将STAR-RIS和STBC技术结合，提出了一种新型的无线通信方案。该方案通过STAR-RIS上的反射和透射单元调制数据符号的不同版本，并进行空时编码，形成发送分集，有效降低了接收端的误码率，提高了***容量，且计算复杂度低，不需要增加任何额外的器件。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种基于新型可重构智能表面的空时编码发送方法，该方案的目的是通过控制STAR-RIS单元上的反射和透射系数来调制数据，然后进行空时编码，利用发送分集技术，提高***性能，并据此提供一种快速可靠、实现复杂度低的发送方法。该方案利用可同时反射和透射的新型可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)实现空时块码(Space-TimeBlockCoding，STBC)的技术，可提高***容量。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种基于新型可重构智能表面的空时编码发送方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1:用户A发送导频，用户B不发送信号，控制单元开启新型可重构智能表面的所有M个单元，并将单元的反射系数设为1，透射系数设为0；根据发送的导频，基站估计用户A经过新型可重构智能表面反射后的信道hA；
步骤2：用户B发送导频，用户A不发送信号，控制单元开启新型可重构智能表面的所有M个单元，并将单元的透射系数设为1，反射系数设为0；根据发送的导频，基站估计用户B经过新型可重构智能表面透射后的信道hB；
步骤3：在空时编码的第一个阶段，用户A和用户B同时发送导频，控制单元开启新型可重构智能表面的所有M个单元，将反射系数设为x(0)，透射系数设为x(1)；
:步骤4：在空时编码的第二个阶段，用户A和用户B同时发送导频，控制单元开启新型可重构智能表面的所有M个单元，将反射系数设为-x(1)*，透射系数设为x(0)*；
步骤5：基站利用第一和第二个阶段接收到的信号，解调x(0)和x(1)。
其中，x(0)和x(1)分别表示功率为0.5的调制符号，比如QPSK或QAM；x(·)*表示共轭操作。新型可重构智能表面共有M个单元，每个单元可以通过设置反射参数和透射参数反射和透射信号。用户A处于新型可重构智能表面的反射区，用户B处于新型可重构智能表面的透射区。用户A，用户B和基站都只有1根天线。
作为本发明的一种改进，本发明提出的STBC传输方案分为两个阶段，分别为信道估计阶段和数据传输阶段。在信道估计阶段，用户A发送导频，用户B不发送信号，控制单元开启STAR-RIS的所有M个单元，并将单元的反射系数设为1，透射系数设为0。步骤1中，设基站与用户A之间的直接信道被障碍物遮挡，只存在用户A经过STAR-RIS反射到达基站的信道，并且由于用户B位于新型RIS的后面，通常只存在透射信道，经过频率平坦性(Frequency-flat)衰落信道，基站接收到的离散基带等效信号(Discrete-timeEquivalent Baseband Signal)为：
其中，xp(n)表示用户A在第n个时刻发送的导频信号；表示基站与STAR-RIS第m个单元之间第n个时刻的信道；/>表示STAR-RIS第m个单元与用户A之间第n个时刻的信道；αm(n)表示RIS第m个单元在第n个时刻设置的反射系数；wA(n)表示加性白高斯噪声(AWGN)，通常信道相干时间远大于信道估计和数据传输时间，可认为信道在此期间保持不变。为了简化表示，在下面的分析中可去除时间序号n。由于所有反射系数都设为1，且接收端已知xp(n)，可得到基站与用户A之间经过STAR-RIS反射的复合信道为：
作为本发明的一种改进，步骤2中，假设在第n+1时刻，用户B发送导频，用户A不发送信号，控制单元开启STAR-RIS的所有M个单元，并将单元的透射系数设为1，反射系数设为0，用户B接收到的离散基带等效信号为：
其中，表示RIS第m个单元与用户B之间第n+1个时刻的信道；βm(n+1)表示RIS第m个单元在第n+1个时刻设置的透射系数；wB(n+1)表示AWGN噪声。由于所有透射系数都设为1，且接收端已知xp(n+1)，可得到基站与用户B之间经过RIS透射的复合信道为：
作为本发明的一种改进，步骤3具体如下，在数据传输过程，为了实现STBC，每组数据的发送分为两个阶段，在第一个阶段，用户A和用户B同时发送导频，控制单元开启STAR-RIS的所有M个单元，将反射系数设为x(0)，透射系数设为x(1)，即αm(n)＝x(0)，βm(n)＝x(1)，m＝0,1,...,M-1,这里的x(0)和x(1)分别表示STAR-RIS需要传输的数据，是经过BPSK或QPSK等调制后的符号；由于，同一单元的反射和透射系数需满足总功率为1，所以|x(0)|2＝|x(1)|2＝0.5，假设数据传输发生在第n个时刻，则基站接收到的离散基带等效信号为：
其中，P表示用户A和B的发送功率，wd(n)表示AWGN噪声。
作为本发明的一种改进，步骤4具体如下，在STBC的第二个阶段，用户A和用户B同时发送导频，控制单元开启STAR-RIS的所有M个单元，将反射系数设为-x(1)*，透射系数设为x(0)*，即αm(n+1)＝-x(1)*，βm(n+1)＝x(0)*，m＝0,1,...,M-1。此时，基站接收到的离散基带等效信号为：
其中，x(·)*表示共轭操作。
作为本发明的一种改进，步骤5具体如下：在接收端，基站首先去除掉已知的导频符号和功率，得到：
和
然后，利用信道估计阶段得到的结果，计算得到：
以及
假设信道估计是理想的，即由[公式五]和[公式九]可以得到：
z(0)＝|hA|2x(0)+|hB|2x(0)+hAwd(n)+hBwd(n+1)* [公式十一]
由[公式六]和[公式十]可以得到：
由[公式十一]和[公式十二]可见，每个信号通过两条路径到达接收端，降低了收到同时衰落的可能性。最后，通过除以信道参数，可得到：
以及
相对于现有技术，本发明具有如下优点，本发明无需复杂的基带处理和射频操作，通过对已有的射频信号进行调制传送数据，降低了实现复杂度和功耗；通过对数据进行空时块码，可利用分集技术，提高***性能；由于STAR-RIS可同时透射和反射信号，扩大了信号覆盖范围，所以比传统RIS更容易布置。本发明提出的基于STAR-RIS的空时块码技术也可用于用户和基站有多天线时的场景。
附图说明
图1基于STAR-RIS的STBC原理图；
图2误码率曲线对比图。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
实施例1：参见图1、图2，一种基于新型可重构智能表面的空时编码发送方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：用户A发送导频，用户B不发送信号，控制单元开启新型可重构智能表面的所有M个单元，并将单元的反射系数设为1，透射系数设为0；根据发送的导频，基站估计用户A经过新型可重构智能表面反射后的信道hA；
步骤2：用户B发送导频，用户A不发送信号，控制单元开启新型可重构智能表面的所有M个单元，并将单元的透射系数设为1，反射系数设为0；根据发送的导频，基站估计用户B经过新型可重构智能表面透射后的信道hB；
步骤3：在空时编码的第一个阶段，用户A和用户B同时发送导频，控制单元开启新型可重构智能表面的所有M个单元，将反射系数设为x(0)，透射系数设为x(1)；
:步骤4：在空时编码的第二个阶段，用户A和用户B同时发送导频，控制单元开启新型可重构智能表面的所有M个单元，将反射系数设为-x(1)*，透射系数设为x(0)*；
步骤5：基站利用第一和第二个阶段接收到的信号，解调x(0)和x(1)。
其中，x(0)和x(1)分别表示功率为0.5的调制符号，比如QPSK或QAM；x(·)*表示共轭操作。新型可重构智能表面共有M个单元，每个单元可以通过设置反射参数和透射参数反射和透射信号。用户A处于新型可重构智能表面的反射区，用户B处于新型可重构智能表面的透射区。用户A，用户B和基站都只有1根天线。
本发明提出的STBC传输方案分为两个阶段，分别为信道估计阶段和数据传输阶段。在信道估计阶段，用户A发送导频，用户B不发送信号，控制单元开启STAR-RIS的所有M个单元，并将单元的反射系数设为1，透射系数设为0。步骤1中，设基站与用户A之间的直接信道被障碍物遮挡，只存在用户A经过STAR-RIS反射到达基站的信道，并且由于用户B位于新型RIS的后面，通常只存在透射信道，经过频率平坦性(Frequency-flat)衰落信道，基站接收到的离散基带等效信号(Discrete-time Equivalent Baseband Signal)为：
其中，xp(n)表示用户A在第n个时刻发送的导频信号；表示基站与STAR-RIS第m个单元之间第n个时刻的信道；/>表示STAR-RIS第m个单元与用户A之间第n个时刻的信道；αm(n)表示RIS第m个单元在第n个时刻设置的反射系数；wA(n)表示加性白高斯噪声(AWGN)，通常信道相干时间远大于信道估计和数据传输时间，可认为信道在此期间保持不变。为了简化表示，在下面的分析中可去除时间序号n。由于所有反射系数都设为1，且接收端已知xp(n)，可得到基站与用户A之间经过STAR-RIS反射的复合信道为：
步骤2中，假设在第n+1时刻，用户B发送导频，用户A不发送信号，控制单元开启STAR-RIS的所有M个单元，并将单元的透射系数设为1，反射系数设为0，用户B接收到的离散基带等效信号为：
其中，表示RIS第m个单元与用户B之间第n+1个时刻的信道；βm(n+1)表示RIS第m个单元在第n+1个时刻设置的透射系数；wB(n+1)表示AWGN噪声。由于所有透射系数都设为1，且接收端已知xp(n+1)，可得到基站与用户B之间经过RIS透射的复合信道为：
步骤3具体如下，在数据传输过程，为了实现STBC，每组数据的发送分为两个阶段，在第一个阶段，用户A和用户B同时发送导频，控制单元开启STAR-RIS的所有M个单元，将反射系数设为x(0)，透射系数设为x(1)，即αm(n)＝x(0)，βm(n)＝x(1)，m＝0,1,...,M-1,这里的x(0)和x(1)分别表示STAR-RIS需要传输的数据，是经过BPSK或QPSK等调制后的符号；由于，同一单元的反射和透射系数需满足总功率为1，所以|x(0)|2＝|x(1)|2＝0.5，假设数据传输发生在第n个时刻，则基站接收到的离散基带等效信号为：
其中，P表示用户A和B的发送功率，wd(n)表示AWGN噪声。
步骤4具体如下，在STBC的第二个阶段，用户A和用户B同时发送导频，控制单元开启STAR-RIS的所有M个单元，将反射系数设为-x(1)*，透射系数设为x(0)*，即αm(n+1)＝-x(1)*，βm(n+1)＝x(0)*，m＝0,1,...,M-1。此时，基站接收到的离散基带等效信号为：
其中，x(·)*表示共轭操作。
步骤5具体如下：在接收端，基站首先去除掉已知的导频符号和功率，得到：
和
然后，利用信道估计阶段得到的结果，计算得到：
以及
假设信道估计是理想的，即由[公式五]和[公式九]可以得到：
z(0)＝|hA|2x(0)+|hB|2x(0)+hAwd(n)+hBwd(n+1)* [公式十一]
由[公式六]和[公式十]可以得到：
由[公式十一]和[公式十二]可见，每个信号通过两条路径到达接收端，降低了收到同时衰落的可能性。最后，通过除以信道参数，可得到：
以及
具体实施方式：参照图1—图2，考虑一个STAR-RIS辅助的上行(Uplink)窄带(Narrow-band)通信***，基站(BS)有一根天线。STAR-RIS有M个单元，每个单元可同时反射和透射基站发送的信号，反射系数为αm，透射系数为βm，其中m＝1,2,...,M。由于每个单元都是无源的被动反射元件，所以0≤|αm|≤1，0≤|βm|≤1，且|αm|2+|βm|2＝1。RIS通常有一个控制单元，控制各个反射单元的系数。当RIS用作信号中继时，该控制单元通常由基站或某个特定用户担当。在物联网或某些特殊场景下，为了节约能量，降低复杂度，RIS也可用于传感器来发送数据。当RIS用于直接调制信号时，控制单元可以是独立设备，并通过D2D或WiFi技术与用户和基站建立联系。假设用户A有1根天线，位于STAR-RIS的前面(反射区)，可以接收到经过其反射的信号。用户B有1根天线，位于STAR-RIS的后面(透射区)，可以接收到经过其透射的信号。由于用户可以同时位于前后两侧，相比于传统只能反射信号的RIS，STAR-RIS扩大了覆盖范围，如图1所示。另外，假设控制单元已经与基站和用户A、B建立了联系，为信道估计和数据传输做好了准备。
为了验证本发明的有益效果，进行如下的仿真实验：构建的STAR-RIS包括128个单元，每个单元可同时反射和透射信号，基站距离STAR-RIS为50米。用户A和用户B分别与STAR-RIS距离50米，用户A和用户B的信号发送功率同为27dBm。假设基站与用户之间直接信道被阻挡，即不存在直接信道，基站与STAR-RIS之间以及STAR-RIS与用户之间是瑞利(Rayleigh)衰落信道，路径衰落指数为2.2。参考距离为1米，在参考距离处的路径损耗为-30dB。STAR-RIS将反射和透射系数设为功率为0.5的QPSK信号，基站统计所有接收数据的误码率(BER)。在传统的方法中，由于RIS只能反射信号，所以只有用户A发送导频信号。为了比较公平，假设用户A的发送功率为30dBm，RIS将反射系数设为功率为1的QPSK信号。图2给出了BER曲线对比结果，证明了发送分集带来了增益。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于新型可重构智能表面的空时编码发送方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1:用户A发送导频，用户B不发送信号，
步骤2：用户B发送导频，用户A不发送信号，
步骤3：在空时编码的第一个阶段，用户A和用户B同时发送导频，
步骤4：在空时编码的第二个阶段，用户A和用户B同时发送导频，
步骤5：基站利用第一和第二个阶段接收到的信号，解调x(0)和x(1)；
其中，x(0)和x(1)分别表示功率为0.5的调制符号；
其中，步骤1:用户A发送导频，用户B不发送信号，控制单元开启新型可重构智能表面的所有M个单元，并将单元的反射系数设为1，透射系数设为0；根据发送的导频，基站估计用户A经过新型可重构智能表面反射后的信道hA；
其中，步骤2：用户B发送导频，用户A不发送信号，控制单元开启新型可重构智能表面的所有M个单元，并将单元的透射系数设为1，反射系数设为0；根据发送的导频，基站估计用户B经过新型可重构智能表面透射后的信道hB；
其中，步骤3：在空时编码的第一个阶段，用户A和用户B同时发送导频，控制单元开启新型可重构智能表面的所有M个单元，将反射系数设为x(0)，透射系数设为x(1)；
其中，步骤4：在空时编码的第二个阶段，用户A和用户B同时发送导频，控制单元开启新型可重构智能表面的所有M个单元，将反射系数设为-x(1)*，透射系数设为x(0)*。
2.根据权利要求1所述的基于新型可重构智能表面的空时编码发送方法，其特征在于，步骤1中，设基站与用户A之间的直接信道被障碍物遮挡，只存在用户A经过STAR-RIS反射到达基站的信道，并且由于用户B位于新型RIS的后面，通常只存在透射信道，经过频率平坦性(Frequency-flat)衰落信道，基站接收到的离散基带等效信号(Discrete-timeEquivalent Baseband Signal)为：
其中，xp(n)表示用户A在第n个时刻发送的导频信号；表示基站与STAR-RIS第m个单元之间第n个时刻的信道；/>表示STAR-RIS第m个单元与用户A之间第n个时刻的信道；αm(n)表示RIS第m个单元在第n个时刻设置的反射系数；wA(n)表示加性白高斯噪声(AWGN)，通常信道相干时间远大于信道估计和数据传输时间，可认为信道在此期间保持不变,由于所有反射系数都设为1，且接收端已知xp(n)，可得到基站与用户A之间经过STAR-RIS反射的复合信道为：
3.根据权利要求2所述的基于新型可重构智能表面的空时编码发送方法，其特征在于，步骤2中，设在第n+1时刻，用户B发送导频，用户A不发送信号，控制单元开启STAR-RIS的所有M个单元，并将单元的透射系数设为1，反射系数设为0，用户B接收到的离散基带等效信号为：
其中，表示RIS第m个单元与用户B之间第n+1个时刻的信道；βm(n+1)表示RIS第m个单元在第n+1个时刻设置的透射系数；wB(n+1)表示AWGN噪声，所有透射系数都设为1，且接收端已知xp(n+1)，可得到基站与用户B之间经过RIS透射的复合信道为：
4.根据权利要求3所述的基于新型可重构智能表面的空时编码发送方法，其特征在于，步骤3具体如下，在数据传输过程，每组数据的发送分为两个阶段，在第一个阶段，用户A和用户B同时发送导频，控制单元开启STAR-RIS的所有M个单元，将反射系数设为x(0)，透射系数设为x(1)，即αm(n)＝x(0)，βm(n)＝x(1)，m＝0,1,...,M-1,这里的x(0)和x(1)分别表示STAR-RIS需要传输的数据，是经过BPSK或QPSK等调制后的符号；由于，同一单元的反射和透射系数需满足总功率为1，所以|x(0)|2＝|x(1)|2＝0.5，设数据传输发生在第n个时刻，则基站接收到的离散基带等效信号为：
其中，P表示用户A和B的发送功率，wd(n)表示AWGN噪声。
5.根据权利要求4所述的基于新型可重构智能表面的空时编码发送方法，其特征在于，步骤4具体如下，在STBC的第二个阶段，用户A和用户B同时发送导频，控制单元开启STAR-RIS的所有M个单元，将反射系数设为-x(1)*，透射系数设为x(0)*，即αm(n+1)＝-x(1)*，βm(n+1)＝x(0)*，m＝0,1,...,M-1，此时，基站接收到的离散基带等效信号为：
其中，x(·)*表示共轭操作。
6.根据权利要求5所述的基于新型可重构智能表面的空时编码发送方法，其特征在于，步骤5具体如下：在接收端，基站首先去除掉已知的导频符号和功率，得到：
和
然后，利用信道估计阶段得到的结果，计算得到：
以及
假设信道估计是理想的，即由[公式五]和[公式九]可以得到：
z(0)＝|hA|2x(0)+|hB|2x(0)+hAwd(n)+hBwd(n+1)*[公式十一]
由[公式六]和[公式十]可以得到：
由[公式十一]和[公式十二]可见，每个信号通过两条路径到达接收端，降低了收到同时衰落的可能性，最后，通过除以信道参数，可得到：
以及
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