CN116260502B - 一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及移动通信技术领域，公开了一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信方法，包括：在基站和移动终端之间部署可重构智能表面，构建矩形差分反射空间，将比特信息映射为矩形差分反射空间的发送信号，对矩形差分反射空间的接收信号进行译码，还原比特信息。本发明通过矩形色散矩阵联合映射激活的发射天线和可重构智能表面的反射模式，从而实现“反射和空间”的双域联合索引调制多输入多输出通信***。本发明提出的矩形差分反射空间调制通过矩形差分编码的方法，实现通信接收机的低复杂度非相干检测。本发明还通过数字波束形成的方法进一步提升了***的频谱效率和通信可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信方法。
背景技术
可重构的智能反射表面技术是新一代数字移动通信的关键技术。可重构智能表面由大量低成本近被动的反射元件组成，这些元件可以在智能控制器的帮助下控制入射电磁波被动反射的相移与幅度增益。最近，可重构智能表面辅助索引调制技术是学界研究的热点。可重构智能表面辅助的IM技术频谱效率高，功耗低，硬件实现简单，在多输入多输出无线通信的方案中具有显著的竞争。其中，在最近的研究中，可重构智能表面技术设计用于改善无线通信信道条件，同时也能通过可重构智能表面不同状态下的相位与幅度特性传递索引调制信息。其中，提出了接收端空间调制的方案， 可重构智能表面同相叠加了多径信道上的信号，从而显著增强了特定接收天线的接收信号能量。通过分组规划可重构智能表面同相与正交相移的方式携带了额外的比特，实现了更高的频谱效率。以上方案均建立在可重构智能表面能够实现连续相位调节的基础上，然而这在硬件实现上是很难的。提出的反射调制方案将可重构智能表面不同的离散相位反射状态作为一种新的索引调制的传输实体，基站和可重构智能表面控制器既可以协同传输信息，也可以单独传输各自的信息。事实上，实现上述方案均要通过发射大量的导频信号实现信道估计，特别是在可重构智能表面辅助的无线通信中，导频开销远大于传统的双域联合索引调制多输入多输出通信。对此，通过设计激活不同反射模式的排列矩阵在无信道状态信息的条件下传递额外的信息。然而，排列矩阵被设计为方形矩阵，随着反射模式的个数的增加，频谱效率的提升并不显著，却伴随着接收端的检测复杂度呈指数型增长。此外，在基站处仅部署一根发射天线，这与实际工程的基站部署中并不常见。
发明内容
本发明的目的在于克服上述一种或多种现有的技术问题，提供一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信方法。
为实现上述目的，本发明提供的一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信方法，包括：
在基站和移动终端之间部署可重构智能表面，构建矩形差分反射空间；
将比特信息映射为所述矩形差分反射空间的发送信号；
对所述矩形差分反射空间的接收信号进行译码，还原比特信息。
根据本发明的一个方面，构建基站和可重构智能表面之间的信道矩阵，得到第一信道矩阵并将其表示为，构建移动终端和可重构智能表面之间的信道矩阵，得到第二信道矩阵并将其表示为/>，构建移动终端和基站之间的信道矩阵，得到第三信道矩阵并将其表示为/>，整合所述第一信道矩阵、第二信道矩阵和第三信道矩阵得到等效信道矩阵并将其表示为/>，其中，/>表示基站激活第/>根天线并且在可重构智能表面处选择第/>个反射模式时的等效信道矢量，/>表示发射天线。
根据本发明的一个方面，构建所述等效信道矩阵的公式为，
；
；
；
；
；
其中，表示变换后的第二信道拓展矩阵；
表示反射模式聚合矩阵；
表示变换后的第一信道拓展矩阵；
表示变换后的第三信道拓展矩阵；
表示反射模式的相移矩阵；
表示维度为/>的单位阵；
表示维度为/>的单位阵；
表示/>展开后的第/>列。
根据本发明的一个方面，所述矩形差分反射空间的每个传输块信号包含个码字时隙，一帧信号共占用/>个所述码字时隙，一帧信号包含/>个参考传输块和/>个信息传输块。
根据本发明的一个方面，每个传输块信号发送个比特信息，/>个比特用于映射矩形色散矩阵/>，/>个比特用于映射/>个/>阶相移键控符号，将/>阶相移键控符号在主对角线上堆叠为方阵/>，矩形色散矩阵/>的行表示联合选择激活天线和可重构智能表面反射模式，矩形色散矩阵/>的列表示时隙的索引，对矩形色散矩阵/>进行分块使得其每行和每列中有且仅有一个模为1的非零元素。
根据本发明的一个方面，所述矩形差分反射空间的信息传输矩阵为，对索引调制信号进行矩形差分调制，发射的第/>个的信息传输块为/>，其中，/>为前一个发送的信息传输块，/>为拓展运算函数，运用拓展运算函数将/>拓展为具有稀疏性的酉矩阵/>，其中，/>为右移矩阵，为维度为/>的单位阵，通过拓展运算函数实现矩形差分编码，其中公式为，
。
根据本发明的一个方面，接收到的第个传输块为/>，其中，表示加性高斯白噪声，基于拓展运算函数的逆运算通过最大似然检测公式遍历信息传输矩阵的合法码本/>进行译码，通过编码映射关系得到比特信息，其中公式为，
；
其中，表示发射的第/>个信息传输块；
表示使得整体为最小时的取值函数；
表示通过迭代计算的等效的第/>个接收信号；
表示Frobenius范数运算；
降低差分计算的噪声的影响，其中公式为，
；
其中，表示降低噪音后接收的第/>个信息传输块；
表示块对角矩阵的函数；
表示遗忘因子；
表示维度为/>的单位阵；
表示维度为/>的全0方阵。
为实现上述目的，本发明提供一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信***，包括：
矩形差分反射空间构建模块：在基站和移动终端之间部署可重构智能表面，构建矩形差分反射空间；
信号发送模块：将比特信息映射为所述矩形差分反射空间的发送信号；
信号接收模块：对所述矩形差分反射空间的接收信号进行译码，还原比特信息。
为实现上述目的，本发明提供一种电子设备，包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述针对一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信方法。
为实现上述目的，本发明提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述针对一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信方法。
基于此，本发明的有益效果在于：
对比同类的差分索引调制方案，提出的矩形差分反射空间的矩形色散矩阵是非方形的，这将有效提高频谱效率，简化射频链的空时映射关系，并且大大降低了接收端检测复杂度，矩形差分反射空间同时具有低检测译码复杂度和高通信可靠性的优势，矩形差分反射空间在实现相同或更高频谱效率的条件下，获得了同类差分调制方案更好的误比特率性能和更低的译码检测复杂度。
附图说明
图1示意性表示根据本发明的一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信方法的流程图；
图2示意性表示根据本发明的矩形差分反射空间与其他的可重构智能表面辅助的非相干双域联合索引调制多输入多输出通信方案的性能对比的对比图；
图3示意性表示根据本发明的矩形差分反射空间是与其他不同方案的接收端译码复杂度对比的对比图；
图4示意性表示根据本发明的一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信***的流程图。
具体实施方式
现在将参照示例性实施例来论述本发明的内容，应当理解，论述的实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本发明的内容，而不是暗示对本发明的范围的任何限制。
如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”，术语“一个实施例”和“一种实施例”要被解读为“至少一个实施例”。
图1示意性表示根据本发明的一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信方法的流程图，如图1所示，本发明的一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信方法，包括：
在基站和移动终端之间部署可重构智能表面，构建矩形差分反射空间；
将比特信息映射为所述矩形差分反射空间的发送信号；
对所述矩形差分反射空间的接收信号进行译码，还原比特信息。
根据本发明的一个实施方式，构建基站和可重构智能表面之间的信道矩阵，得到第一信道矩阵并将其表示为，构建移动终端和可重构智能表面之间的信道矩阵，得到第二信道矩阵并将其表示为/>，构建移动终端和基站之间的信道矩阵，得到第三信道矩阵并将其表示为/>，整合所述第一信道矩阵、第二信道矩阵和第三信道矩阵得到等效信道矩阵并将其表示为/>，其中，/>表示基站激活第/>根天线并且在可重构智能表面处选择第/>个反射模式时的等效信道矢量，/>表示发射天线。
根据本发明的一个实施方式，构建所述等效信道矩阵的公式为，
；
；
；
；
；
其中，表示变换后的第二信道拓展矩阵；
表示反射模式聚合矩阵；
表示变换后的第一信道拓展矩阵；
表示变换后的第三信道拓展矩阵；
表示反射模式的相移矩阵；
表示维度为/>的单位阵；
表示维度为/>的单位阵；
表示/>展开后的第/>列。
根据本发明的一个实施方式，所述矩形差分反射空间的每个传输块信号包含个码字时隙，一帧信号共占用/>个所述码字时隙，一帧信号包含/>个参考传输块和个信息传输块。
根据本发明的一个实施方式，每个传输块信号发送个比特信息，/>个比特用于映射矩形色散矩阵/>，/>个比特用于映射/>个/>阶相移键控符号，将/>阶相移键控符号在主对角线上堆叠为方阵/>，矩形色散矩阵/>的行表示联合选择激活天线和可重构智能表面反射模式，矩形色散矩阵/>的列表示时隙的索引，对矩形色散矩阵/>进行分块使得其每行和每列中有且仅有一个模为1的非零元素。
根据本发明的一个实施方式，所述矩形差分反射空间的信息传输矩阵为，对索引调制信号进行矩形差分调制，发射的第/>个的信息传输块为，其中，/>为前一个发送的信息传输块，/>为拓展运算函数，运用拓展运算函数将/>拓展为具有稀疏性的酉矩阵/>，其中，为右移矩阵，/>为维度为/>的单位阵，通过拓展运算函数实现矩形差分编码，其中公式为，
。
根据本发明的一个实施方式，接收到的第个传输块为/>，其中，/>表示加性高斯白噪声，基于拓展运算函数的逆运算通过最大似然检测公式遍历信息传输矩阵的合法码本/>进行译码，通过编码映射关系得到比特信息，其中公式为，
；
其中，表示发射的第/>个信息传输块；
表示使得整体为最小时的取值函数；
表示通过迭代计算的等效的第/>个接收信号；
表示Frobenius范数运算；
降低差分计算的噪声的影响，其中公式为，
；
其中，表示降低噪音后接收的第/>个信息传输块；
表示块对角矩阵的函数；
表示遗忘因子；
表示维度为/>的单位阵；
表示维度为/>的全0方阵。
根据本发明的一个实施例，图2示意性表示根据本发明的矩形差分反射空间与其他的可重构智能表面辅助的非相干双域联合索引调制多输入多输出通信方案的性能对比的对比图，如图2所示，对比了不同差分索引调制双域联合索引调制多输入多输出通信方案在，/>仿真参数下的误比特性能，其中，可重构智能表面-RDSM和可重构智能表面-DSM的可重构智能表面仅用于增强信号而不传递任何信息。DRM-SM、RM-SM和本发明提出的R矩形色散矩阵SM方案同时通过发射天线和可重构智能表面反射模式传输比特信息。矩形差分反射空间的码字时隙数设定为/>。其中，在相同频谱效率/>bpcu下，矩形差分反射空间比可重构智能表面-RDSM的误比特性能提升了6.5dB。对比频谱效率仅为/>的可重构智能表面-DSM与DRM-SM方案，矩形差分反射空间仍然具有更优的误比特率性能，矩形差分反射空间对比相干解调的RM-SM方案的误比特率性能仅降低3dB。
根据本发明的一个实施例，图3示意性表示根据本发明的矩形差分反射空间是与其他不同方案的接收端译码复杂度对比的对比图，如图3所示，为了表现矩形差分反射空间在差分***中的检测复杂度的优越性，对比了相关方案的传输个比特的译码检测计算复杂度，通过实际仿真CPU译码程序运行时间与实数乘法次数同时进行表征，其中，所有方案均在/>，/>的条件下进行仿真并取10次结果平均值，其他的仿真参数分别表示发射天线、反射模式、调制阶数、码字时隙的仿真参数。为了在相同的频谱效率/>bpcu的条件下，RM、矩形差分反射空间，DRM，可重构智能表面-DSM，可重构智能表面-RDSM，矩形差分反射空间（双域联合索引调制多输入多输出）的仿真参数分别设定为（1，4，4，1），（1，4，4，1），（1，4，4，1），（1，4，8，4），（4，1，8，4），（4，1，4，1），（4，2，2，1），在参数下，对比矩形色散矩阵映射为方形矩阵的DRM和可重构智能表面-DSM方案，矩形差分反射空间的SIMO方案和双域联合索引调制多输入多输出方案的译码检测计算复杂度约为DRM和可重构智能表面-DSM方案的0.1%。这是由于可重构智能表面-DSM和DRM方案中的检测复杂度随/>或/>增加而呈指数增长，而矩形差分反射空间的/>越低，矩形差分反射空间的检测复杂度随/>或/>增加越趋近于线性增长。此外，矩形差分反射空间的实际译码检测时间为RM的两倍。计算的译码实数计算复杂度的理论值与实际译码时间基本呈正相关。
不仅如此，为实现上述发明目的，本发明还提供一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信***，图4示意性表示根据本发明的一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信***的流程图，如图4所示，根据本发明的一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信***，该***包括：
矩形差分反射空间构建模块：在基站和移动终端之间部署可重构智能表面，构建矩形差分反射空间；
信号发送模块：将比特信息映射为所述矩形差分反射空间的发送信号；
信号接收模块：对所述矩形差分反射空间的接收信号进行译码，还原比特信息。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种电子设备，该电子设备包括：处理器、存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信方法。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信方法。
基于此，本发明的有益效果在于，对比同类的差分索引调制方案，提出的矩形差分反射空间的矩形色散矩阵是非方形的，这将有效提高频谱效率，简化射频链的空时映射关系，并且大大降低了接收端检测复杂度，矩形差分反射空间同时具有低检测译码复杂度和高通信可靠性的优势，矩形差分反射空间在实现相同或更高频谱效率的条件下，获得了同类差分调制方案更好的误比特率性能和更低的译码检测复杂度。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的模块及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置和设备的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明实施例方案的目的。
另外，在本发明实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例节能信号发送/接收的方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
应理解，本发明的发明内容及实施例中各步骤的序号的大小并不绝对意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
Claims (8)
1.一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信方法，其特征在于，包括：
在基站和移动终端之间部署可重构智能表面，构建矩形差分反射空间；
构建基站和可重构智能表面之间的信道矩阵，得到第一信道矩阵并将其表示为，构建移动终端和可重构智能表面之间的信道矩阵，得到第二信道矩阵并将其表示为/>，构建移动终端和基站之间的信道矩阵，得到第三信道矩阵并将其表示为/>，整合所述第一信道矩阵、第二信道矩阵和第三信道矩阵得到等效信道矩阵并将其表示为，其中，/>表示基站激活第/>根天线并且在可重构智能表面处选择第/>个反射模式时的等效信道矢量，/>表示发射天线的个数；
构建所述等效信道矩阵的公式为，
；
；
；
；
；
其中，表示变换后的第二信道拓展矩阵；
表示反射模式聚合矩阵；
表示变换后的第一信道拓展矩阵；
表示变换后的第三信道拓展矩阵；
表示反射模式的相移矩阵；
表示维度为/>的单位阵；
表示维度为/>的单位阵；
表示/>展开后的第/>列；
将比特信息映射为所述矩形差分反射空间的发送信号；
通过矩形色散矩阵联合选择激活天线和可重构智能表面反射模式；
对所述矩形差分反射空间的接收信号进行译码，还原比特信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信方法，其特征在于，所述矩形差分反射空间的每个传输块信号包含个码字时隙，一帧信号共占用/>个所述码字时隙，一帧信号包含/>个参考传输块和/>个信息传输块。
3.根据权利要求2所述的一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信方法，其特征在于，每个传输块信号发送个比特信息，/>个比特用于映射矩形色散矩阵/>，/>个比特用于映射/>个/>阶相移键控符号，将/>阶相移键控符号在主对角线上堆叠为方阵/>，矩形色散矩阵/>的行表示联合选择激活天线和可重构智能表面反射模式，矩形色散矩阵的列表示时隙的索引，对矩形色散矩阵/>进行分块使得其每行和每列中有且仅有一个模为1的非零元素。
4.根据权利要求3所述的一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信方法，其特征在于，所述矩形差分反射空间的信息传输矩阵为，对索引调制信号进行矩形差分调制，发射的第/>个的信息传输块为/>，其中，/>为前一个发送的信息传输块，/>为拓展运算函数，运用拓展运算函数将/>拓展为具有稀疏性的酉矩阵，其中，/>为右移矩阵，/>为维度为的单位阵，通过拓展运算函数实现矩形差分编码，其中公式为，
。
5.根据权利要求4所述的一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信方法，其特征在于，接收到的第个传输块为/>，其中，/>表示加性高斯白噪声，基于拓展运算函数的逆运算通过最大似然检测公式遍历信息传输矩阵的合法码本/>进行译码，通过编码映射关系得到比特信息，其中公式为，
；
其中，表示发射的第/>个信息传输块；
表示使得整体为最小时的取值函数；
表示通过迭代计算的等效的第/>个接收信号；
表示Frobenius范数运算；
降低差分计算的噪声的影响，其中公式为，
；
其中，表示降低噪音后接收的第/>个信息传输块；
表示块对角矩阵的函数；
表示遗忘因子；
表示维度为/>的单位阵；
表示维度为/>的全0方阵。
6.一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信***，其特征在于，包括：
矩形差分反射空间构建模块：在基站和移动终端之间部署可重构智能表面，构建矩形差分反射空间；
构建基站和可重构智能表面之间的信道矩阵，得到第一信道矩阵并将其表示为，构建移动终端和可重构智能表面之间的信道矩阵，得到第二信道矩阵并将其表示为/>，构建移动终端和基站之间的信道矩阵，得到第三信道矩阵并将其表示为/>，整合所述第一信道矩阵、第二信道矩阵和第三信道矩阵得到等效信道矩阵并将其表示为，其中，/>表示基站激活第/>根天线并且在可重构智能表面处选择第/>个反射模式时的等效信道矢量，/>表示发射天线的个数；
构建所述等效信道矩阵的公式为，
；
；
；
；
；
其中，表示变换后的第二信道拓展矩阵；
表示反射模式聚合矩阵；
表示变换后的第一信道拓展矩阵；
表示变换后的第三信道拓展矩阵；
表示反射模式的相移矩阵；
表示维度为/>的单位阵；
表示维度为/>的单位阵；
表示/>展开后的第/>列；
信号发送模块：将比特信息映射为所述矩形差分反射空间的发送信号；
通过矩形色散矩阵联合选择激活天线和可重构智能表面反射模式；
信号接收模块：对所述矩形差分反射空间的接收信号进行译码，还原比特信息。
7.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至5中任一项所述的一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5中任一项所述的一种基于可重构智能表面的双域索引调制通信方法。
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