(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 112260975 A(43)申请公布日 2021.01.22
(21)申请号 202010991607.6(22)申请日 2020.09.18
(71)申请人 华南理工大学
地址 510640 广东省广州市天河区五山路
381号(72)发明人 温淼文 齐晓敏 林少娥 袁婧 (74)专利代理机构 广州市华学知识产权代理有
限公司 44245
代理人 詹丽红(51)Int.Cl.
H04L 27/26(2006.01)H04B 17/336(2015.01)
权利要求书2页 说明书6页 附图2页
(54)发明名称
智能反射表面辅助无线通信系统的正交反射索引调制方法(57)摘要
本发明公开了一种智能反射表面辅助无线通信系统的正交反射索引调制方法，包括下列步骤：S1、将智能反射表面的元素单元分组对信息进行正交反射调制；S2、建立以接收天线序号为索引资源的索引调制；S3、确定智能反射表面各组元素的最优反射相移；S4、选择正交反射索引调制后的两路信号的正交方案；S5、在接收端解调出发送的信息。本发明提出的将智能反射表面元素单元分组的操作，可以额外传输一定比特的信息；建立以接收天线序号为索引资源的索引调制并选择调制后的两路信号的正交方案，可在较低信噪比的情况下降低系统的误码率，提高通信系统的频谱效率。
CN 112260975 ACN 112260975 A
权 利 要 求 书
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1.一种智能反射表面辅助无线通信系统的正交反射索引调制方法，该无线通信系统包括至少一个基站、至少一个采用示例分组的智能反射表面和Nr个接收天线，智能反射表面具有N个元素单元，该N个元素单元被分为L组，其特征在于，所述的正交反射索引调制方法包括以下步骤：
S1、将智能反射表面的L组元素分成两组，分别记为L1和L2，L1中各组元素的相移分别被调制到各组元素相应的最优反射相移，L2中各组元素的相移分别被调制到各组元素相应的最优反射相移加π/2,L1和L2调制后的信号分别记为I路和Q路信号；
S2、根据接收天线的序号索引确定智能反射表面各组元素的特定接收天线；S3、根据无线通信系统的优化目标确定智能反射表面的各组元素的最优反射相移；S4、L1和L2中调制后的I路和Q路信号选择不同的正交方式，即I路超前Q路π/2或者Q路超前I路π/2；
S5、在接收端根据最大瞬时能量解调出调制信号。
2.根据权利要求1所述的智能反射表面辅助无线通信系统的正交反射索引调制方法，其特征在于，假设L1中包含数量P组元素，则L2中包含数量L-P组元素，智能反射表面的L组元素的分组方案总数通过全概率公式计算，为
即最多有log2S比特的信息通过智
能反射表面的元素单元分组额外传递。
3.根据权利要求2所述的智能反射表面辅助无线通信系统的正交反射索引调制方法，其特征在于，将最优反射相移记为θ在确定分组方案的前提下，第l，l＝1,2...L组智能l,r，反射表面元素的反射相移表示为：
4.根据权利要求1所述的智能反射表面辅助无线通信系统的正交反射索引调制方法，其特征在于，所述的接收天线的序号索引比特的位数B由表达式
表示向上取整操作。
5.根据权利要求1所述的智能反射表面辅助无线通信系统的正交反射索引调制方法，其特征在于，所述的步骤S3中以最大化特定接收天线的瞬时信噪比为优化目标计算最优反射相移，计算过程如下：
将第r个接收天线接收的信号表达式为：
计算，其中，
其中，Φl为第l，l＝1,2...L组智能反射表面元素的反射相移，ES为未调制载波的能量，
Hl,r为第l组智能反射表面元素与第r个接收天
线之间的信道，βl,r、由B位索引比特确定,
分别表示第l组智能反射表面元素与第r个接收天线之间的信道幅
为加性高斯白噪声，且服从均值为0，方差为N0的正态
度改变系数与相位改变系数，智能反射表面各分组元素的幅度系数记为1，特定接收天线r
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权 利 要 求 书
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分布，
将第r个接收天线接收的瞬时信噪比表示为：
根据第r个接收天线接收的瞬时信噪比的表达式可知，当以特定接收天线获得最大瞬时接收信噪比为目标时，最优反射相移应选择：6.根据权利要求5所述的智能反射表面辅助无线通信系统的正交反射索引调制方法，其特征在于，所述的步骤S4过程如下：
当l∈L1时，第r个接收天线的接收信号记为yrr，则yrr表达式为：
当l∈L2时，第r个接收天线的接收信号记为yri，则yri表达式为：
当选择I路超前Q路π/2时，将接收信号表示为：yr＝-yrr+jyri或者yr＝yrr-jyri当选择Q路超前I路π/2时，将接收信号表示为：yr＝yrr+jyri或者yr＝-yrr-jyri。
7.根据权利要求6所述的智能反射表面辅助无线通信系统的正交反射索引调制方法，其特征在于，所述的步骤S5中在接收端根据最大瞬时能量解调出调制信号，表达式为：
计算过程如下:对I路：
对Q路：
根据正交反射索引调制方案，判断I路和Q路的正交方式进行信号解调，解调信号为：
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说 明 书
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智能反射表面辅助无线通信系统的正交反射索引调制方法
技术领域
[0001]本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种智能反射表面辅助无线通信系统的正交反射索引调制方法。
背景技术
[0002]2020年以来，第一代商用第五代(5G)无线网络已经在某些国家部分或者整体部署，同时5G兼容相关设备也正在逐步走入市场，虽然2018年完成的最初的5G标准通过利用毫米波和多正交频分复用数字技术给物理层带来了更大的灵活性，但研究人员已经开始探索5G后续版本替代技术的潜力。
[0003]通过智能反射表面进行信息传输是未来无线通信系统的一个很有前途的备选方案。智能反射表面可以智能的控制入射波的反射或者散射特性，从而将传统意义上不可控的无线传播环境变为通信过程中的可控组成部分，进而提高接收机的信号质量。且智能反射表面本身也具有成本低、耗能低、干扰小、部署方便等诸多优点。在智能通信环境下，智能反射表面可通过自身传感装置感知无线传输环境的信息并且与基站通过控制链路进行信息交互。在此背景下，利用智能反射表面有限的的元素数传输尽可能多的信息成为无线通信系统中一个可以提高通信效率的方法。目前已公开的结合智能反射表面的调制方案有：控制智能反射表面单个元素使其具有开关两种状态从而对信息调制并发送。虽然这种方法可额外传输一定比特的信息，但从能量消耗的角度看，当智能反射表面单个元素单元处于关的状态时不可避免的会造成能量的损耗。
[0004]索引调制是一种通过选择不同的索引资源来传递信息的方案，将索引调制技术应用到智能反射表面辅助的通信系统中可以显著提高通信系统的频谱效率和能量效率。目前已有的结合索引调制的方案包括智能反射表面空间相移键控，即通过接收天线的索引信息控制智能反射表面元素单元激活不同的接收天线从而使特定天线的接收性能最佳。目前已有的结合索引调制的方案还包括智能反射表面空间调制方案，即在调制的过程中也考虑了普通的多进制调制方式。
发明内容
[0005]本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种智能反射表面辅助无线通信系统的正交反射索引调制方法。
[0006]本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0007]一种智能反射表面辅助无线通信系统的正交反射索引调制方法，该无线通信系统包括至少一个基站、至少一个采用示例分组的智能反射表面和Nr个接收天线，智能反射表面具有N个元素单元，该N个元素单元被分为L组，所述的正交反射索引调制方法包括以下步骤：
[0008]S1、将智能反射表面的L组元素分成两组，分别记为L1和L2，L1中各组元素的相移分别被调制到各组元素相应的最优反射相移，L2中各组元素的相移分别被调制到各组元素
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说 明 书
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相应的最优反射相移加π/2,L1和L2调制后的信号分别记为I路和Q路信号；[0009]S2、根据接收天线的序号索引确定智能反射表面各组元素的特定接收天线；[0010]S3、根据无线通信系统的优化目标确定智能反射表面的各组元素的最优反射相移；
[0011]S4、L1和L2中调制后的I路和Q路信号选择不同的正交方式，即I路超前Q路π/2或者Q路超前I路π/2；[0012]S5、在接收端根据最大瞬时能量解调出调制信号。[0013]进一步地，假设L1中包含数量P组元素，则L2中包含数量L-P组元素，智能反射表面的L组元素的分组方案总数通过全概率公式计算，为
即最多有log2S比特的信息通
过智能反射表面的元素单元分组额外传递。[0014]进一步地，将最优反射相移记为θ在确定分组方案的前提下，第l，l＝1,2...Ll,r，组智能反射表面元素的反射相移表示为：
[0015][0016]
进一步地，所述的接收天线的序号索引比特的位数B由表达式表示向上取整操作。
计算，
其中，
[0017]
进一步地，所述的步骤S3中以最大化特定接收天线的瞬时信噪比为优化目标计算
最优反射相移，计算过程如下：
[0018]将第r个接收天线接收的信号表达式为：
[0019][0020]
其中，Φl为第l，l＝1,2...L组智能反射表面元素的反射相移，ES为未调制载波的
Hl,r为第l组智能反射表面元素与第r个
分别表示第l组智能反射表面元素与第r个接收天线之间的
为加性高斯白噪声，且服从均值为0，方差为N0的
能量，
接收天线之间的信道，βl,r、天线r由B位索引比特确定,
信道幅度改变系数与相位改变系数，智能反射表面各分组元素的幅度系数记为1，特定接收
正态分布，
[0021]将第r个接收天线接收的瞬时信噪比表示为：
[0022][0023]
根据第r个接收天线接收的瞬时信噪比的表达式可知，当以特定接收天线获得最
大瞬时接收信噪比为目标时，最优反射相移应选择：
进一步地，所述的步骤S4过程如下：
当l∈L1时，第r个接收天线的接收信号记为yrr，则yrr表达式为：
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[0024][0025][0026]
CN 112260975 A[0027][0028][0029][0030][0031][0032][0033][0034]
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当l∈L2时，第r个接收天线的接收信号记为yri，则yri表达式为：
当选择I路超前Q路π/2时，将接收信号表示为：yr＝-yrr+jyri或者yr＝yrr-jyri当选择Q路超前I路π/2时，将接收信号表示为：yr＝yrr+jyri或者yr＝-yrr-jyri。进一步地，所述的步骤S5中在接收端根据最大瞬时能量解调出调制信号，表达式
计算过程如下:对I路：
对Q路：
为：
[0035]
根据正交反射索引调制方案，判断I路和Q路的正交方式进行信号解调，解调信号
为：
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0037]1)在智能反射表面辅助的无线通信系统中，将智能反射表面的元素单元分组并进行正交反射调制可额外传输一定的信息，利用智能反射表面的元素单元激活不同的接收天线可提高无线通信系统的频谱效率，本发明通过将智能反射表面的元素单元分组并进行正交反射调制以及利用智能反射表面的元素单元激活不同的接收天线，在信噪比较低的情况下，实现无线通信系统更准确的信息传输。
[0038]2)本发明通过将智能反射表面的元素单元分组，并且采用不同的分组方案，可额外传输一定比特的信息。
[0039]3)本发明通过智能反射表面元素单元分组并激活不同的接收天线，在信噪比较低的情况下提升无线通信系统的信息传输效率。
附图说明
[0040]图1是本发明实施例中下行链路的智能反射表面辅助单输入多输出无线通信系统的模型图；
[0041]图2是本发明实施例中智能反射表面正交反射索引调制与空间相移键控调制方案误比特率性能对比仿真图；
[0042]图3是本发明实施例中智能反射表面辅助无线通信系统的正交反射索引调制方法的流程图。
具体实施方式
[0043]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。
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[0036]
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实施例
[0045]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多输出无线通信系统模型图。如图1所示，本发明的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多个接收天线，为了简要说明发明原理，假设基站和目的地之间的通信链路被阻塞，基站与目的地通过智能反射表面进行信息传输。[0046]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，智能反射表面可通过自身传感器感知信道信息并与基站通过控制链路进行信息交互和相位控制。智能反射表面具有N个元素单元，将智能反射表面的N个元素单元分为L组，每组包含N/L个元素单元，每组包含的元素单元数可选择目前研究中已知的方案。目的地有Nr个接收天线，接收天线部署在智能反射表面的远场，第l组智能反射表面元素与第r个接收天线之间的信道记为：
βl,r、
分别表示第l组智能反射表面
元素与第r个接收天线之间的信道幅度改变系数与相位改变系数。Wr为加性高斯白噪声,服从
正态分布。信道模型为准静态衰落信道，信道系数为常数且在不同的衰落块内
独立同分布。下面结合图1，具体说明实施该调制方法的流程步骤。[0047]S1、将智能反射表面的L组元素根据传输需要分成两组，分别记为L1和L2；L1中各组元素的相移分别被调制到各组元素相应的最优反射相移，L2中各组元素的相移分别被调制到各组元素相应的最优反射相移加π/2,L1和L2调制后的信号分别记为I路和Q路信号；[0048]其中，智能反射表面的L组元素的分组方案总数可利用全概率公式计算。假设L1中包含数量P组元素，则L2中包含数量L-P组元素。分组方案总数为
最多有log2S比特
的信息可以通过智能反射表面的元素单元分组额外传递。在实际传输中，可根据需要选择其中的一组或多组分组方案。[0049]将最优反射相移记为θ在确定分组方案的前提下，第l组智能反射表面元素的l,r，反射相移表示为：
[0050]
S2、根据接收天线的序号索引确定智能反射表面各组元素的特定接收天线。序号
计算，其中，
表示向上取整操作。
索引比特的位数B由表达式
[0051]
S3、根据无线通信系统的优化目标确定智能反射表面的各组元素的最优反射相
移。
[0052]
下面以最大化特定接收天线的瞬时信噪比为优化目标为例计算最优反射相移，计算过程如下：[0053]S301、第r个接收天线接收的信号表达式为：
[0054][0055]
其中ES为未调制载波的能量，智能反射表面各分组元素的幅度系数记为1，特定接
为加性高斯白噪声，且服从均值为0，方差为N0
收天线r由B位索引比特确定,的正态分布。
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CN 112260975 A[0056][0057][0058]
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S302、第r个接收天线接收的瞬时信噪比表示为：
S303、根据第r个接收天线接收的瞬时信噪比的表达式可知，当以特定接收天线获
得最大瞬时接收信噪比为目标时，最优反射相移应选择：
[0059][0060]
S4、L1和L2中调制后的I路和Q路信号选择不同的正交方式，即I路超前Q路π/2或者Q路超前I路π/2；[0061]S401、当l∈L1时，第r个接收天线的接收信号记为yrr，则yrr表达式为：
[0062][0063][0064][0065][0066][0067][0068][0069]
当l∈L2时，第r个接收天线的接收信号记为yri，则yri表达式为：
S402、当选择I路超前Q路π/2时，接收信号表示为：
yr＝-yrr+jyri或者yr＝yrr-jyri当选择Q路超前I路π/2时，接收信号表示为：yr＝yrr+jyri或者yr＝-yrr-jyri；
S5、在接收端根据最大瞬时能量解调出调制信号，表达式为：
过
程如下
[0070][0071][0072]
S501、对I路：对Q路：
S502、根据正交反射索引调制方案，判断I路和Q路的正交方式进信号解调，解调信
号为：
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正交反射索
引调制方案与空间相移键控两种调制方式进行模拟仿真。智能反射表面元素单元数N分别为64和128，接收天线数Nr＝2，分组总数L＝2。具体地，图2为本发明调制方法和空间相移键控调制方案误比特率性能对比示意图。[0074]和现有的调制方法相比，本发明具有如下技术进步性。[0075]1)提升频谱效率，或者误比特率性能。如图2所示，通过对智能反射表面分组进行正交反射索引调制，在信噪比较低的情况下，具有较低的误比特率，可提升信息传输的准确性；
[0076]2)这种频谱效率的提升几乎不需要无线通信系统增加额外的能量。[0077]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作的改变、修饰、替代、组合、简化，
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[0073]
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均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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