CN115765926A - 一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法，包括以下步骤：发送端空间调制、RIS上空间调制、接收端空间调制和检测译码。发射端将待发送的信息比特划分为长度相同的若干个信息块，信息块又被分成三个信息子块，发送端根据第一个信息子块选择相应的活跃天线发送特定信号；RIS根据第二个信息子块选择活跃的虚拟天线，打开与之对应的活跃反射元素；接收端根据第三个信息子块，确定活跃天线的索引；最后，在接收端采用最大似然检测译码，恢复原始信息比特。本发明将RIS与逐级编码空间调制方案结合，实现了发送端、RIS和接收端的联合空间调制，有效利用各自的空间自由度，提高了***的传输速率。

Description

一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法。

背景技术

在未来第六代(6G,Sixth-Generation)无线网络中，随着通信设备的***式增长，更高的频谱效率(SE,Spectral Efficiency)和能量效率(EE,Energy Efficiency)受到越来越多的关注。索引调制(IM,Index Modulation)技术是满足6G这些需求的使能技术之一。索引调制通过空间、频率或极化的索引传输信息比特，能够提供更高的频谱效率和能量效率。在索引调制所有的形式中，空间调制是使用度最广的一种技术。

空间调制技术是一种基于多天线架构的调制方式。它在传统星座调制的基础上增加空间域，通过活跃天线的索引传输额外信息比特，是一种非常有前景的无线物理层调制技术。在空间调制***中，射频链路的数目可以远少于发送天线数目，这大大降低了***的硬件成本和功率损耗。同时，在空间调制***中，一个时隙内只有一根或几根天线被激活发送信号，这有效减少了相邻天线的干扰，并降低了对发送信号严格同步的要求。目前有很多空间调制方案已被提出，例如：空移键控调制(SSK：Space Shift Modulation)方案、空间调制(SM：Space Modulation)方案、广义空间调制(GSM：Generalised Spatial Modulation)方案、正交空间调制(QSM：Quadrature Spatial Modulation)方案和逐级编码空间调制(SC-SM：Successive Coded Spatial Modulation)方案等。

最近，研究人员受到智能超表面的启发，利用智能超表面重构无线传输信道来提升已有通信***的频谱效率和服务质量，提出了智能反射面(RIS,ReconfigurableIntelligent Surfaces)的概念。RIS可以增强信号覆盖范围，提升信号传输质量，改善无线传输环境，从而被称为未来6G的备选技术之一。事实上，RIS由大量无源且低成本的反射元素构成，通过改变入射信号的幅度、相位或频率来重构传输环境，提升传输质量。基于以上优点，本专利准备将RIS和空间调制技术结合，利用RIS辅助空间调制***，构建一个高效、可靠的通信传输***。

目前，关于RIS辅助空间调制***已经开展了很多研究。在这些研究中，研究人员往往是将RIS与传统的空间调制方案结合，如：SSK方案和SM方案等，而没有将RIS与具有更高频谱效率和更高可靠性能的空间调制方案相结合，如：QSM方案或SC-SM方案等。同时，在已有研究中，空间调制往往只是单独在发送端、RIS或接收端上进行，没有实现发送端、RIS和接收端的联合空间调制，这在一定程度上限制了***的传输速率。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足之处，本发明提供一种将RIS与逐级编码空间调制技术结合，并实现发送端、RIS和接收端联合空间调制的基于智能反射面的逐级编码空间调制方法,以解决传统空间调制中限制***传输速率的技术问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法的具体技术方案如下：

一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：发送端空间调制、RIS上空间调制、接收端空间调制和检测译码：

本方法要在发送端、RIS和接收端进行联合空间调制，从而提升***的传输速率。其中，在发送端和RIS上进行逐级编码空间调制，在接收端进行逐级编码空移键控。

所述发送端将待发送的信息比特划分为长度相同的若干个信息块，所述信息块包括若干个信息子块，所述信息子块至少包括第一信息子块、第二信息子块和第三信息子块；所述信息子块分别加载在发送端、RIS和接收端上发送；基于逐级编码空间调制原理，所述发送端根据第一信息子块选择活跃天线发送信号，实现发送端空间调制；

将所述RIS上所有的元素划分成不均匀的若干组，每一组均作为一根虚拟天线；基于空间调制原理，RIS根据所述第二信息子块选择活跃的虚拟天线，被所述第二信息子块选中的所述活跃的虚拟天线对应的反射元素称为活跃反射元素，将所述活跃反射元素打开反射入射信号；未被所述第二信息子块选中的虚拟天线对应的反射元素为非活跃反射元素，将所述非活跃反射元素关闭，实现RIS上的空间调制；

基于逐级编码空移键控原理，根据所述第三信息子块，确定所述接收端活跃天线的索引，所述RIS上每一根活跃的虚拟天线对应的一组反射元素分别服务接收端的每一根活跃天线；所述接收端根据收到的信号向量，采用最大似然检测法算法，并基于逐级编码空间调制的译码原理，恢复原始信息比特。

优选地，所述信息块的长度通过总的空间样式的维度获得；信息子块的长度分通过发送端、RIS和接收端上的空间样式维度获得；所述空间样式为选取的活跃天线和选取的发送星座点的组合。

优选地，将所述RIS上所有的元素划分成不均匀的若干组时，划分后每组中的元素数目互不相等。且最优划分方式要使得不同组中的反射元素数目差距尽可能大。

优选地，实现所述RIS上空间调制时，包括空间域调制和星座域调制；

在进行空间域调制时，根据第二信息子块中的空间信息比特，基于逐级编码空间调制原理，选择若干活跃虚拟天线，将对应的若干组活跃反射元素打开反射入射信号，所述非活跃反射元素关闭不反射信号；

在进行星座域调制时，根据第二信息子块中的星座信息比特，对每一根活跃虚拟天线对应的一组活跃反射元素选择调相系数进行星座域调制。

RIS上划分后的每一组元素作为一根虚拟天线，智能反射面可以等效成有多根虚拟天线的发送端的一部分。

优选地，所述RIS上活跃的虚拟天线数目与接收端上活跃的天线数目相同；RIS上拥有元素数目最多的一组活跃反射元素服务接收端第一根活跃天线，通过调节该组内所有反射元素的相位使得第一根活跃接收天线上的信号功率最大化，形成波束指向接收端第一根活跃天线；拥有元素数目第二多的一组活跃反射元素服务接收端第二根活跃天线，以此类推。接收端上第一根活跃天线上的功率最大，第二根次之，以此类推。接收端上非活跃天线上的功率均远小于活跃天线上的功率，从而方便后续的检测译码。

优选地，所述RIS上的反射元素，调幅系数为1，活跃反射元素的最终相位是RIS上星座域调制的相位和波束赋形相位的求和。

优选地，发送端配备N_t根天线，所述接收端配备N_r根天线，所述RIS上有K个反射元素，所述反射元素被划分成P_t组；

从发送端到RIS的信道矩阵为

从智能反射面到接收端的信道矩阵为

RIS对应的反射矩阵为Θ＝diag(θ)，其中

发送端到接收端的直达径被阻挡，RIS获得理想信道状态信息。

优选地，RIS对应了反射矩阵Θ，所述反射矩阵由三部分构成：

Θ＝Θ₁·Θ₂·Θ₃, (1)

其中，Θ₁＝diag(θ₁)，

θ₁由第二信息子块的空间信息比特决定：当RIS上某一组元素对应的虚拟天线为非活跃天线时，这一组元素在θ₁中的取值均为0；当RIS上某一组元素对应的虚拟天线为活跃天线时，这一组元素在θ₁中的取值均为1；

Θ₂＝diag(θ₂)，

θ₂由第二信息子块的星座域信息比特决定：当RIS上某一组元素对应的虚拟天线为非活跃天线时，这一组元素在θ₂中的取值均为0；当RIS上某一组元素对应的虚拟天线为活跃天线时，这一组元素在θ₂中的取值均为基于星座域信息比特为这一组选取的特定调相系数；

Θ₃＝diag(θ₃)，

θ₃由第三信息子块决定：当RIS上第i个反射元素为非活跃反射元素时，θ₃中第i个元素为0；当RIS上第j个反射元素为活跃反射元素时，θ₃中第j个元素取值由该元素所处的分组使接收端特定接收天线功率最大化计算得到的，其模值为1；

优选地，发送端将信号发送出去，由RIS反射到接收端，接收端收到含噪信号后对其进行检测、译码。所述接收端收到的信号向量为：

y＝G·Θ·H·x+n, (2)

其中：

y是接收端收到的信号向量，维度为N_r×1；x是发送端发送的信号向量，维度为N_t×1；n是加性高斯白噪声向量，维度为N_r×1，每个分量均服从均值为零，方差为σ_n ²的复高斯分布。

优选地，最大似然检算法为：

其中：||·||_F表示Frobenius范数；x_i表示第i个发送信号向量，携带着第一信息子块的比特信息；Θ_j表示RIS的第j个反射矩阵，携带第二信息子块和第三信息子块的比特信息；

分别是x_i和Θ_j在最大似然检测下的估计。

本发明的有益效果是：

1、本发明将RIS与逐级编码空间调制方案结合，充分利用二者技术优势。一方面，利用RIS进一步增强已有空间调制***的性能；另一方面，相比于传统的空间调制方案，逐级编码空间调制方案在相同条件下能够达到更高的传输速率并具有更好的误码性能，是一种更加高效且可靠的空间调制方案。

2、本发明在发送端、RIS和接收端上联合传输信息比特，实现了发送端、RIS和接收端的联合空间调制，有效利用三者各自的空间自由度，大大提高***的传输速率。

附图说明

图1是本发明的示意框图；

图2是本发明实施例的示意框图。

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。

一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法，包括发送端空间调制过程、RIS上空间调制过程、接收端空间调制过程以及检测译码过程。

首先，将要传输的信息比特分成多个信息块，一个信息块又分成三个信息子块，分别加载在发送端、智能反射面和接收端上发送，基于空间调制原理，发送端根据第一个信息子块选择活跃天线发送信号，实现发送端的空间调制；然后，将智能反射面上所有元素划分成不均匀的几组，每一组中所有的元素当成是一根虚拟天线，基于空间调制原理，智能反射面根据第二个信息子块选择活跃的虚拟天线，将选中的活跃虚拟天线对应的活跃反射元素打开反射入射信号，其余的虚拟天线对应的非活跃反射元素关闭不对外反射信号，实现智能反射面上的空间调制；接着，根据要发送的第三个信息子块确定接收端活跃天线的索引，基于先验的信道状态信息，利用智能反射面上所有活跃的反射元素调节入射信号的相位，形成定向波束指向接收端的活跃天线，实现接收端的空间调制；最后，接收端根据收到的信号向量，采用最大似然检测算法，对发射的样式进行估计，基于逐级编码空间调制的解调算法，根据估计出的参数，恢复原始信息比特。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，发送端配备N_t根天线，接收端配备N_r根天线，RIS上有K个反射元素，被不均匀划分成P_t组，每组中分别含有L₁,L₂,…,L_Pt个元素，其中，L₁＜L₂＜…＜L_Pt-1＜L_Pt。从发送端到RIS的信道矩阵为

从RIS到接收端的信道矩阵为

RIS对应的反射矩阵为Θ＝diag(θ)，其中

其中，发送端进行逐级编码空间调制共包括n_t个步骤：在第一步中，将发送端前N根天线看作第一组，其中,N为2的整数次幂，根据log₂(N)比特信息从第一组中选择一根天线作为活跃天线，并根据log₂(M)比特信息从Ψ₁中选择信号s₁，由选中的活跃天线发送s₁；在第二步中，将发送端前N+1根天线中的N根非活跃天线看作第二组，即将第一根活跃天线排除在外，根据log₂(N)比特信息从第二组中选择一根天线作为活跃天线，并根据log₂(M)比特信息从Ψ₂中选择信号s₂，由选中的活跃天线发送s₂。在第j+1步中，将发送端前N+j根天线中的N根非活跃天线看作第j+1组，即将j根活跃天线排除在外，根据log₂(N)比特信息从第j+1组中选择一根天线作为活跃天线，并根据log₂(M)比特信息从Ψ_j+1中选择信号s_j+1，由选中的活跃天线发送s_j+1，经过n_t次选择，最终发送端有n_t根活跃天线发送信号，且有N_t＝N+n_t-1。n_t根活跃天线上发送的信号分别为

它们分别从

中选取。其中，Ψ_i是一个包含M个星座点的信号集合，且

且i≠j。n_t根活跃天线在发送端的索引分别为

RIS上所有的元素划分成不均匀的若干组，每一组的元素数目互不相同，将每个分组当成一根虚拟天线，RIS可以等效为配备P_t根虚拟天线的发送端的一部分，RIS上进行逐级编码空间调制共包括p_t个步骤，调制过程与发送端一样，每一步中，从P根虚拟天线中选择一根虚拟天线作为活跃虚拟天线，其中，P为2的整数次幂，经过p_t次选择，最终选取p_t根活跃虚拟天线，且有P_t＝P+p_t-1，p_t根活跃虚拟天线对应p_t个反射元素分组，每一根活跃虚拟天线对应一个反射元素分组，每一个分组中的所有反射元素取值分别为

它们分别从

中选取。其中，Φ_i是一个包含Q个相移键控(PSK,Phase ShiftKeying)信号的集合，且

且i≠j。p_t根活跃虚拟天线在RIS上的索引分别为

接收端进行逐级编码空移键控时，可等效成仅进行逐级编码空间调制中的空间域调制，而不进行星座域调制，即只确定活跃天线的索引，但不进行信号的选择。接收端进行逐级编码空移键控共包括n_r个步骤，每一步都从R根天线中选择一根天线作为活跃天线，其中，R为2的整数次幂。经过n_r次选择，最终选取n_r根活跃天线，且有N_r＝R+n_r-1。n_r根活跃天线在接收端的索引分别为

且n_r＝p_t。

本实施例假设发送端到接收端的直达径被阻挡，RIS可以获得理想的信道状态信息本发明披露的一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法包括以下过程和步骤：

(1)发送端空间调制过程

步骤1)将待发送信息比特划分为若干个长度相同的信息块，所述信息块包括若干个信息子块，所述信息子块至少包括第一信息子块、第二信息子块和第三信息子块；

所述信息块的长度通过总的空间样式的维度获得；一个所述信息块表示当前通信***在一次传输中能够传输的总比特；

所述三个信息子块分别表示加载在发送端、RIS和接收端上的信息比特，信息子块的长度分别由发送端、RIS和接收端上的空间样式维度决定；

所述空间样式为选取的活跃天线和选取的发送星座点的组合：

基于逐级编码空间调制原理计算获得所述信息块与信息子块的长度为：

步骤2)基于逐级编码空间调制原理，发送端根据第一信息子块，选择n_t根相应的天线分别发送信号

发送信号的天线即为活跃天线；

发送信号向量

可表示为：

(2)RIS上空间调制过程

步骤3)将RIS上所有的元素划分成不均匀的P_t组，每一组当成一根虚拟天线，RIS可以等效为配备了P_t根虚拟天线的发送端的一部分。根据第二信息子块选择几根活跃虚拟天线，打开与之对应的几组活跃反射元素，并为活跃的每一组元素选择特定的调相系数；

RIS对应的反射矩阵Θ由三部分构成：

Θ＝Θ₁·Θ₂·Θ₃, (6)

其中，Θ₁＝diag(θ₁)，

θ₁由划分后的信息块中第二信息子块的空间域信息比特决定,其中每一个元素取值为0或1。当RIS上某一组元素对应的虚拟天线为非活跃天线时，这一组元素在θ₁中的取值均为0；当RIS上某一组元素对应的虚拟天线为活跃天线时，这一组元素在θ₁中的取值均为1。Θ₂＝diag(θ₂)，

θ₂由划分后的信息块中第二信息子块的星座域信息比特决定。当RIS上某一组元素对应的虚拟天线为非活跃天线时，这一组元素在θ₂中的取值均为0；当RIS上某一组元素对应的虚拟天线为活跃天线时，这一组元素在θ₂中的取值均为基于星座域信息比特为这一组选取的特定调相系数。注意，θ₂中属于同一组的反射元素取值是一样的。

Θ₃＝diag(θ₃)，

θ₃由划分后的信息块中第三信息子块决定。当RIS上第i个反射元素为非活跃反射元素时，θ₃中第i个元素为0；当RIS上第j个反射元素为活跃反射元素时，θ₃中第j个元素取值由该元素所处的分组使接收端特定接收天线功率最大化计算得到的，且其模值为1。

将RIS上所有的元素划分成不均匀的P_t组。根据分组结果，反射向量

可以表示为：

每一组反射元素当成一根虚拟天线，RIS可以等效为配备了P_t根虚拟天线的发送端的一部分。此时，反射向量可以改写为：

其中，

为等效后的发送端的发送信号向量，γ中第i个元素γ_i对应θ中的第i组。

基于逐级编码空间调制原理，根据划分后的信息块中第二信息子块选择活跃的虚拟天线，打开与之对应的几组活跃反射元素，并为活跃的每一组元素选择特定的调相系数。调制后的发送信号向量γ可表示为：

确定活跃虚拟天线的位置后，θ₁可表示为：

确定每一组的调相系数后，θ₂可表示为：

通过RIS上的空间调制过程，反射矩阵Θ₁、Θ₂可以被确定。

(3)接收端空间调制过程

步骤4)基于逐级编码空移键控方案，根据划分后的信息块中第三信息子块，确定接收端活跃天线的索引。RIS上活跃的每一根虚拟天线对应的一组反射元素分别服务接收端的每一根活跃天线，即：RIS上拥有元素数目最多的一组活跃反射元素服务接收端的第一根活跃天线，调节该组内所有反射元素的相位使得第一根活跃接收天线上的信号功率最大化，从而形成波束指向接收端第一根活跃天线；RIS上拥有元素数目第二多的一组活跃反射元素服务接收端第二根活跃天线，以此类推。

接收端活跃天线的索引确定后，RIS上活跃的反射元素分组分别服务接收端的每一根特定活跃天线，并以接收端每根活跃天线上的信号功率最大化为目标确定反射元素的取值。θ₃可以表示为：

其中，σ_k表示RIS上第k个反射元素在θ₃中的取值，i,j,m,n分别表示第

组中第一个反射元素在RIS上的索引，且有i＜j＜m＜n。

下面以σ_i为例计算θ₃中反射元素的取值。发送端n_t根活跃天线分别发送n_t个信号到RIS上第i个反射元素，第i个反射元素上收到的信号可以表示为：

其中，

为H中第i行l_q列的元素，表示发送端第l_q根天线到RIS上第i个反射元素的信道系数。

假设RIS上第v₁组中所有反射元素服务接收端第w_j根天线，则该天线收到的信号为：

其中

表示接收端第w_j根天线收到的信号；

为G中第w_j行p列的元素，表示RIS上第p个反射元素到接收端第w_j根天线的信道系数；θ_p表示RIS上第p个元素的反射系数。

为了使得接收端第w_j根天线收到的信号功率最大化，

(4)检测译码过程

步骤5)接收端根据收到的信号向量，采用最大似然检测译码，恢复原始信息比特。

接收端收到的信号向量可以表示成：

y＝G·Θ·H·x+n, (15)

其中：y是接收端收到的信号向量，维度为N_r×1；x是发送端发送的信号向量，维度为N_t×1；n是加性高斯白噪声向量，维度为N_r×1，其中每个分量均服从均值为零，方差为

的复高斯分布。

最大似然检测算法可以表示如下：

在接收端进行最大似然检测后，基于逐级编码空间调制的译码原理，根据估计出的参数

恢复初始信息比特。

下面结合图2以一个具体的实施例进一步说明本发明一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法。

如图2所示，发送端配备3根天线，接收端配备3根天线，RIS上有24个反射元素，被分成三组，每组分别由4，8和12个反射元素组成。

表示发送端到RIS的信道矩阵，

表示RIS到接收端的信道矩阵，假设发送端到接收端的直达径被阻断。s_i是发送端第i根活跃天线发送的信号，从Ψ_i＝{s_i1,s_i2}中选择。

是RIS上第i个活跃分组在星座调制时确定的调相系数，从

中选择。

由上面可知，N_t＝3，N＝2，n_t＝2，M＝2；P_t＝3，P＝2，p_t＝2，Q＝2；N_r＝3，R＝2，和n_r＝2。由式(4)可知，一个信息块的长度为10bits，其中三个子信息块的长度分别为4bits,4bits和2bits。

一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法可通过如下四个过程来具体实施：

(1)发送端空间调制过程

根据信息块中第一信息子块，基于逐级编码空间调制原理，发送端选择两根活跃天线分别发送s₁,s₂，其中s₁,s₂分别是从Ψ₁,Ψ₂中选择的。发送端调制包含两个步骤，每一步中发送端都从两根天线中选择一根天线作为活跃天线，并从两个信号中选择一个信号，由该活跃天线发送。所以，总共有2×2×2×2＝16种发送端发送样式，每个样式与4比特信息映射，映射关系如表一所示。

表一：信息比特与发送端发送样式的映射关系

(2)RIS上空间调制

根据信息块中第二信息子块，基于逐级编码空间调制原理，RIS选择两根活跃虚拟天线，对应两组的活跃反射元素，打开它们反射信号，另一组元素关闭不反射信号。同时，每一组反射元素的调相系数为

分别从Φ₁,Φ₂中选择。因为RIS此时可等效为配备了3根虚拟天线的发送端的一部分，所以和发送端一样，总共有2×2×2×2＝16种RIS侧发送样式，每个样式与4比特信息映射，映射关系如表二所示。

表二：信息比特与RIS侧发送样式的映射关系

(3)接收端空间调制过程

根据信息块中第三信息子块，基于逐级编码空移键控原理，接收端选择两根天线作为活跃天线。RIS上的两组活跃反射元素分别服务这两根活跃天线，各自形成波束指向它们，从而使这两根接收天线上功率最大化。接收端调制包含两个步骤，每一步中接收端都从两根天线中选择一根天线作为活跃天线。所以，总共有2×2＝4种接收端发送样式，每个样式与2比特信息映射，映射关系如表三所示。

表三：信息比特与接收端发送样式的映射关系

通过上面三个过程，可以实现发送端、RIS和接收端的联合空间调制，总共有16×16×4＝1024种联合样式，每个联合样式与4+4+2＝10比特信息映射。

(4)检测译码过程

当信息块中的信息比特为0001110100时，第一信息子块的信息比特为0001，按照表一的映射关系，发送端选择第一根天线和第二根天线作为活跃天线分别发送s₁₁,s₂₂，发送信号向量

可以表示为：

x＝[s₁₁,s₂₂,0]^T. (17)

第二信息子块的信息比特为1101，按照表二的映射关系，RIS选择第二根虚拟天线和第三根虚拟天线作为活跃天线，对应RIS上第二组和第三组反射元素，且它们的调相系数分别为

反射向量

和

分别可以写为：

第三信息子块的信息比特为00，按照表三的映射关系，确定接收端第一根天线为第一根活跃天线，第二根天线为第二根活跃天线。因为RIS上第三组反射元素的数目大于第二组反射元素的数目，所以第三组反射元素服务第一根接收天线，第二组反射元素服务第二根接收天线。反射向量

可以写为：

其中，σ_k表示RIS上第k个反射元素在θ₃中的取值。

RIS上第k个反射元素收到来自发送端的信号为

其中h_k,i为H中第k行i列的元素，表示发送端第i根天线到RIS上第k个反射元素的信道系数。

为G中第j行k列的元素，表示RIS上第k个反射元素到接收端第j根天线的信道系数。假设RIS上第k个反射元素服务接收端第j根天线，为了使得第j根天线上的信号功率最大化，RIS上第k个反射元素的取值为：

此时，反射向量

可以改写为：

最终，接收端收到的信号向量y为：

y＝G·Θ·H·x+n, (22)

其中，反射矩阵Θ＝Θ₁·Θ₂·Θ₃，且Θ₁＝diag(θ₁),Θ₂＝diag(θ₂),Θ₃＝diag(θ₃)。

最大似然检测算法可以表示为：

在接收端进行最大似然检测后，基于逐级编码空间调制的译码原理，根据估计出的参数

恢复初始信息比特。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：发送端空间调制、RIS上空间调制、接收端空间调制和检测译码：

所述发送端将待发送的信息比特划分为长度相同的若干个信息块，所述信息块包括若干个信息子块，所述信息子块至少包括第一信息子块、第二信息子块和第三信息子块；所述信息子块分别加载在发送端、RIS和接收端上发送；基于逐级编码空间调制原理，所述发送端根据第一信息子块选择活跃天线发送信号，实现发送端空间调制；

将所述RIS上所有的元素划分成不均匀的若干组，每一组均作为一根虚拟天线；基于空间调制原理，RIS根据所述第二信息子块选择活跃的虚拟天线，被所述第二信息子块选中的所述活跃的虚拟天线对应的反射元素称为活跃反射元素，将所述活跃反射元素打开反射入射信号；未被所述第二信息子块选中的虚拟天线对应的反射元素为非活跃反射元素，将所述非活跃反射元素关闭，实现RIS上的空间调制；

基于逐级编码空移键控原理，根据所述第三信息子块，确定所述接收端活跃天线的索引，所述RIS上每一根活跃的虚拟天线对应的一组反射元素分别服务接收端的每一根活跃天线；所述接收端根据接收端收到的信号向量，采用最大似然检测法算法，并基于逐级编码空间调制的译码原理，恢复原始信息比特。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法，其特征在于，所述信息块的长度通过总的空间样式的维度获得；信息子块的长度分通过发送端、RIS和接收端上的空间样式维度获得。

3.根据权利要求1所述的一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法，其特征在于，将所述RIS上所有的元素划分成不均匀的若干组时，划分后每组中的元素数目互不相等。

4.根据权利要求3所述的一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法，其特征在于，实现所述RIS上空间调制时，包括空间域调制和星座域调制；

在进行空间域调制时，根据第二信息子块中的空间信息比特，基于逐级编码空间调制原理，选择若干活跃虚拟天线，将对应的若干组活跃反射元素打开反射入射信号，所述非活跃反射元素关闭不反射信号；

在进行星座域调制时，根据第二信息子块中的星座信息比特，对每一根活跃虚拟天线对应的一组活跃反射元素选择调相系数进行星座域调制。

5.根据权利要求1所述的一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法，其特征在于，所述RIS上活跃的虚拟天线数目与接收端上活跃的天线数目相同；RIS上拥有元素数目最多的一组活跃反射元素服务接收端第一根活跃天线，通过调节该组内所有反射元素的相位使得第一根活跃接收天线上的信号功率最大化，形成波束指向接收端第一根活跃天线；其他组活跃反射元素依次服务接收端的活跃天线；接收端上非活跃天线上的功率均小于活跃天线上的功率。

6.根据权利要求1所述的一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法，其特征在于，所述RIS上的反射元素，调幅系数为1，活跃反射元素的最终相位是RIS上星座域调制的相位和波束赋形相位的求和。

7.根据权利要求1所述的一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法，其特征在于，所述发送端配备N_t根天线，所述接收端配备N_r根天线，所述RIS上有K个反射元素，所述反射元素被划分成P_t组；

从发送端到RIS的信道矩阵为

从RIS到接收端的信道矩阵为

RIS对应的反射矩阵为Θ＝diag(θ)，其中

发送端到接收端的直达径被阻挡，RIS获得理想信道状态信息。

8.根据权利要求7所述的一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法，其特征在于，所述RIS对应了反射矩阵Θ，所述反射矩阵由三部分构成：

Θ＝Θ₁·Θ₂·Θ₃, (1)

其中，Θ₁＝diag(θ₁)，

θ₁由第二信息子块的空间信息比特决定：当RIS上某一组元素对应的虚拟天线为非活跃天线时，这一组元素在θ₁中的取值均为0；当RIS上某一组元素对应的虚拟天线为活跃天线时，这一组元素在θ₁中的取值均为1；

Θ₂＝diag(θ₂)，

θ₂由第二信息子块的星座域信息比特决定：当RIS上某一组元素对应的虚拟天线为非活跃天线时，这一组元素在θ₂中的取值均为0；当RIS上某一组元素对应的虚拟天线为活跃天线时，这一组元素在θ₂中的取值均为基于星座域信息比特为这一组选取的特定调相系数；

Θ₃＝diag(θ₃)，

θ₃由第三信息子块决定：当RIS上第i个反射元素为非活跃反射元素时，θ₃中第i个元素为0；当RIS上第j个反射元素为活跃反射元素时，θ₃中第j个元素取值由该元素所处的分组使接收端特定接收天线功率最大化计算得到的，其模值为1。

9.根据权利要求7所述的一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法，其特征在于，所述接收端收到的信号向量为：

y＝G·Θ·H·x+n, (2)

其中：

y是接收端收到的信号向量，维度为N_r×1；x是发送端发送的信号向量，维度为N_t×1；

n是加性高斯白噪声向量，维度为N_r×1，每个分量均服从均值为零，方差为σ_n ²的复高斯分布。

10.根据权利要求8所述的一种基于智能反射面的逐级编码空间调制方法，其特征在于，所述最大似然检算法为：

其中：||·||_F表示Frobenius范数；x_i表示第i个发送信号向量，携带着第一信息子块的比特信息；Θ_j表示RIS的第j个反射矩阵，携带第二信息子块和第三信息子块的比特信息；

分别是x_i和Θ_j在最大似然检测下的估计。

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