一种基于智能反射面的时间反演无线通信系统和方法

1.本发明属于无线通信与智能反射面领域，更具体地，涉及一种基于智能反射面的时间反演无线通信系统和方法。


背景技术：

2.传统无线通信系统研究中，将无线信道作为不可控因素，聚焦于对收发两端的信源编码解码、信道编码解码以及信号调制解调等信息处理过程。通过引入智能反射面，可使得被动、不可控的无线传输环境变为智能、可控的无线传输环境，为无线通信系统赋予了一个全新的设计自由度，大幅提升通信系统性能。智能反射面为信号提供了反射链路，通过波束赋形，将信号聚焦于目标点，用于提升系统容量、抵抗干扰、提升物理层安全性以及提升能量效率。
3.时间反演技术被广泛应用于无线通信系统中，基于时间反演技术的时空聚焦特性，研究人员构建了基于时间反演技术的无线通信系统，用以提升系统容量、抵抗干扰、提升物理层安全性以及提升能量效率。时间反演技术利用了无线信道环境信息，将无线信道视作一个匹配滤波器，由此实现了用户信号在目标点的时空聚焦。时间反演技术利用的是多径环境丰富的多径信息，当反射链路越充足、多径信息越丰富时，时间反演时空聚焦特性越明显，越可以获得更大的多径分集增益。
4.然而，在自由空间中，时间反演技术的时空聚焦特性不明显，降低了多径分集增益，影响时间反演无线通信系统容量、能量效率、服务质量等性能。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于智能反射面的时间反演无线通信系统和方法，其目的在于提高时间反演无线通信系统性能。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于智能反射面的时间反演无线通信系统，包括：发送模块、智能反射面和接收模块；
7.发射模块包括信号输入设备、上采样设备、时间反演镜和发送天线；
8.信号输入设备，用于生成待发送信号；
9.上采样设备，用于对待发送信号进行上采样；
10.时间反演镜，用于与智能反射面协调进行信道估计获取用户级联信道脉冲响应，并对用户级联信道脉冲响应进行时间反演；
11.发送天线，用于将上采样信号与时间反演信号卷积之后求和；
12.智能反射面，为发送天线输出的信号提供多条反射链路，反射给用户；
13.接收模块，用于接收来自智能反射面多条反射链路的反射信号。
14.进一步地，智能反射面包括控制器和多个反射单元；
15.控制器通过调控智能反射面的反射因子，控制每个反射单元所反射信号的幅度和相位，实现时空聚焦特性的智能调控。
16.进一步地，智能反射面具有两种工作模式：信道感知接收模式，用于信道估计；反射模式，用于反射来自发送模块的入射信号。
17.进一步地，智能反射面控制器与时间反演镜相互协调，实现信道估计与时间反演信号发送；
18.在信道估计阶段，发送模块发送控制信号给智能反射面控制器，使得智能反射面工作于信道感知接收模式，协调时间反演镜获取级联信道脉冲响应；在时间反演信号发送阶段，发送模块发送控制信号给智能反射面控制器，使得智能反射面切换于反射模式，对来自时间反演镜的时间反演信号进行反射，传输给终端用户。
19.进一步地，时间反演镜对用户级联信道脉冲响应进行时间反演，具体为，对用户级联信道脉冲响应进行时间反转、幅度归一化，以及取共轭。
20.进一步地，接收模块为单抽头接收机。
21.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
22.为弥补时间反演技术在自由空间中的劣势，提升时间反演技术的时空聚焦特性，本发明将智能反射面引入时间反演无线通信系统，利用智能反射面提供的众多反射链路，为时间反演技术提供多径分集增益，增强时空聚焦特性，并达到时空聚焦特性智能调控的效果，提升时间反演无线通信系统的能量效率、系统容量和服务质量。
附图说明
23.图1为本发明设计的一种基于智能反射面的时间反演无线通信系统工作流程图。
24.图2为本发明设计的基于智能反射面的时间反演多用户无线通信系统模型图。
25.图3为本发明设计的一种基于智能反射面的时间反演无线通信系统原理图。
26.图4为本发明所取得的能效效率提升效果图。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
28.如图1所示，本发明设计了一种基于智能反射面的时间反演无线通信系统，系统工作流程为：
29.步骤一、发送模块时间反演镜与智能反射面协同估计信道，根据所述超宽带智能反射面信道模型，每个用户依次发送探测脉冲，完成信道估计。
30.发送模块通过专用的有线链路与智能反射面交换信息，通过智能反射面控制器来调控智能反射面的反射因子，改善信道的环境。所述智能反射面控制器使用可编程逻辑阵列实现。
31.通信系统中，智能反射面控制器需要与时间反演镜相互协调，以实现必要的信道估计与时间反演信号再发送。所述过程为：需要在以下两个阶段协同配合：1)在时间反演镜进行级联信道脉冲响应探测阶段，发送模块发送控制信号给智能反射面控制器，使得智能
反射面工作于信道感知接收模式，协调时间反演镜获取级联信道脉冲响应；2)在时间反演镜进行时间反演信号再发送阶段，发送模块发送控制信号给智能反射面控制器，使得智能反射面切换于反射模式，对来自时间反演镜的时间反演信号进行反射，传输给终端用户。
32.步骤二、根据步骤一估计到的信道信息，发送模块完成时间反演预滤波，将用户待发送信号与时间反演预滤波器卷积之后求和再发送出去，由智能反射面反射给用户
33.步骤三、终端用户利用单抽头接收机，完成智能反射面众多反射信号的接收、检测与判决。
34.如图2所示，所述基于智能反射面的时间反演多用户无线通信系统模型，其中有一个单天线发送模块服务u个单天线用户，智能反射面提供众多反射链路，其每行和每列分别有m、n个反射单元，反射单元总数为mn。在本发明中，考虑发送模块-智能反射面、智能反射面-用户链路的视距信道，忽略发送模块-用户直射链路。由于显著的路径损耗，被智能反射面反射两次或两次以上的信号功率非常小，因此也被忽略。将发送模块、智能反射面、用户放置于笛卡尔坐标系中，假设发送模块位于y-o-z平面，智能反射面位于x-o-z平面，u个用户分布于x-o-y平面内的一个圆中，其圆心记为c，圆心的笛卡尔坐标记为(c
x
,cy,0)。记发送模块几何中心点笛卡尔坐标为(0,ay,az)，第u(u∈{0,1,2,...,u-1})个用户笛卡尔坐标为(u
x
,uy,0)，智能反射面的第一个反射单元(最靠近原点的反射单元)笛卡尔坐标为(i
x
,0,iz)。在此坐标系中，设置单位长度为1米。智能反射面反射单元的尺寸大小与间隔通常设置为次载波波长数量级，本发明中载波波长记为λc，载波频率记为fc。在本发明中，设置反射单元的尺寸为λc/2，其间隔也设置为λc/2。于是，智能反射面的尺寸大小为
35.假定智能反射面行和列的增长方向为图2中笛卡尔坐标系的正方向，用i(m,n)表示智能反射面中第m(m∈{0,1,...,m-1})行、第n(n∈{0,1,...,n-1})列的反射单元，于是可以计算出反射单元i(m,n)几何中心的笛卡尔坐标为(i
x
+mλc,0,iz+nλc)。于是，通过简单的几何计算，ap到反射单元i(m,n)的距离为反射单元i(m,n)到用户u的距离为
36.在宽带衰落模型下，用户u的级联连续信道脉冲响应表示为：
[0037][0038]
其中，为经过第m行第n列反射单元路径的衰减系数，为级联信道相位变化其中，φ
(m,n)
为反射单元i(m,n)的相位变化。下面考虑将基带信道离散化。
[0039]
首先根据时延将智能反射面反射单元分簇，根据系统的码片周期将时延相近的反射单元分为一簇。分簇之后，用户u的超宽带智能反射面信道模型可以表示如下：
[0040]
[0041]
其中，t
p
是第p(p∈{0,1,...,p-1})簇中第一条到达射线的到达时间，p为簇的个数，τ
p,r
代表第p簇中第r条射线相对于t
p
的时延，a
p,r
是第p簇中第r条射线的信道衰减系数。为简化表达，以上省去了关于用户u的下标。
[0042]
本发明中，一个簇以内的射线信号在一个码片周期内，不同的簇分属不同的码片周期，并且一个码片周期内的信号不可分辨，不同码片周期的信号可以分辨。于是可以获得离散化的基带信道系数其中，sn为簇的分集：sn＝{(p,r)|nt
chip
≤t
p
+τ
p,r
《(n+1)t
chip
}
。
用l表示系统可分辨的径数，l为所有用户信道抽头数(用户级联信道簇的数目)的最大值：其中，lu表示用户u的信道抽头数。于是，用户u的离散化级联信道脉冲响应可以表示为：
[0043][0044]
l表示第l簇。上式即为所述超宽带智能反射面无线通信系统的离散化信道模型，也就是需要估计的信道模型。
[0045]
如图3所示，为所设计的一种基于智能反射面的时间反演无线通信系统原理图，发送模块将经过时间反演技术处理后的信号发射出去，经由无线信道传输，被智能反射面反射给无线信道，由终端用户接收。
[0046]
系统由三部分组成：发射模块、智能反射面、接收模块。发射模块由信号输入设备、上采样设备、时间反演镜、发送天线组成。智能反射面由众多反射单元构成，每个反射单元可以独立的控制反射信号的相位和幅度，使得多路信号反射给用户。智能反射面包含一个智能控制器，可对反射单元进行幅度和相位的控制。反射模块与智能反射面通过专用有限控制链路交换控制信息，完成信道估计与信号发送。接收模块由接收天线、单抽头检测、下采样、信号判决设备构成。
[0047]
本实施例中，考虑一个下行链路无线通信系统，时间反演操作在发送模块侧进行处理，图3左侧展示了发送模块时间反演技术的具体处理过程，图3右侧为所设计的接收机原理。基于信道的互易性，本发明考虑的下行链路可以很容易地转变为上行链路通信。
[0048]
为了有效对抗系统符号间干扰，需要通过上采样降低系统传输速率，将传输速率降低到系统带宽的d倍，需要对待发送信号进行上采样，得到上采样序列当k/d∈z时，其他情况下，其中d表示采样系数，使用上标“d”标记信号被采样，z示整数集合，xu[k]表示发送给用户u的复基带信号，xu[k]为独立同分布的复随机变量，其均值为0，方差为e
x
。对于同一用户来说，xu[k]与xu[k
′
](k≠k
′
)相互独立。对于不同用户之间，xu[k]与xu′
[k](u≠u
′
)也相互独立，当u＝u
′
并且k＝k
′
时，请他情况下，
[0049]
本发明中，采用时间反演分路多址接入技术，发送模块将上采样序列与预滤波器卷积之后再求和，进而发射出去。wu[k](k∈{0,1,...,l-1})是为用户u所设计的预
滤波器，wu[k]的长度与用户u级联信道脉冲响应的长度相等，均为l。本发明中时间反演预滤波器wu[k]是用户u信道脉冲响应的幅度归一化共轭时间反转，以便获取更好地时空聚焦特性。
[0050]
本发明中时间反演预滤波器由时间反演镜来实现，时间反演镜由大量传感器阵列构成，可对接收信号进行采样、时间反演(对复信号进行共轭反转)以及信号再发射。发送模块在向终端用户传输信息之前，每个终端用户需要轮流给发送模块发送一个类似于冲激函数的导频脉冲，该导频脉冲通过级联信道传输到发送模块的时间反演镜，由时间反演镜对接收到的信号进行采样，保留接收到的波形信息，完成级联信道脉冲响应探测。然后，时间反演镜将保留的波形进行时间反转，并进行归一化处理，将处理后的波形作为时间反演预滤波器的波形。接着，时间反演镜将待发送的用户信号与时间反演预滤波器的波形信号进行卷积操作。最后，时间反演镜将所有终端用户待发送信号进行处理之后求和，发射给用户。本发明中，设计的时间反演镜记录了完美的信道脉冲响应。基于信道的互易性，便可获取每个终端用户的下行信道脉冲响应信息。
[0051]
发送模块通过专用的有线链路与智能反射面交换信息，通过智能反射面控制器来调控智能反射面的反射因子，改善信道的环境。在本发明中，智能反射面控制器通过可编程逻辑阵列控制器实现，通过专用的有线链路与其他网络设备(发送模块、终端用户)进行通信和协调，交换少量控制信息。本发明中，智能反射面控制器可以控制智能反射面工作于两种工作模式：1)信道感知接收模式(用于信道估计)；2)反射模式(反射来自发送模块的入射信号)。在本发明提出的时间反演-智能反射面系统中，智能反射面控制器需要与时间反演镜相互协调，以实现必要的信道估计与时间反演信号再发送。具体的说，需要在以下两个阶段协同配合：1)在时间反演镜进行级联信道脉冲响应探测阶段，发送模块发送控制信号给智能反射面控制器，使得智能反射面工作于信道感知接收模式，协调时间反演镜获取级联信道脉冲响应；2)在时间反演镜进行时间反演信号再发送阶段，发送模块发送控制信号给智能反射面控制器，使得智能反射面切换于反射模式，对来自时间反演镜的时间反演信号进行反射，传输给终端用户。
[0052]
系统中，只需一个简单的单抽头接收机就可检测出发射信号，接收机结构如图3右侧所示。接收机抽头系数au的取值不影响系统性能，本发明中，设置au＝1。在用户端，接收机抽头接收到的信号是发送模块发射信号与级联信道脉冲响应的卷积。于是，可得到接收机抽头检测到的接收信号yu[k]为：
[0053][0054]
其中，nu[k]为加性高斯白噪声。对所有用户，nu[k]为独立同分布的随机变量，其均值为0，方差为σ2。经接收机抽头检测后的信号需要进行下采样，下采样的采样系数与上采样相同，均为d。本发明中，设置l-1是d的倍数，同时，本发明设定一个簇内的反射单元共享反射因子。接收信号yu[k]进行下采样后得到下采样信号
[0055]
下采样信号满足nu[k]经过下采样之后变为了n
′u[k]，满足n
′u[k]＝nu[dk]，为nu[k]经过下采样后的加性高斯白噪声，下采样不改变其均值与方差，因此n
′u[k]均值为0，方差为σ2。本发明中(hu*wi)[k]为信道脉冲响应与时间反演预滤波器
的卷积，当u＝i时，(hu*wu)[k]为级联信道脉冲响应的自相关函数，代表终端用户的等效脉冲信道响应。u≠i时，(hu*wi)[k]表明用户信道响应与预滤波器不匹配，这是造成时间反演多用户无线通信系统用户间干扰的原因，表现为在接收信号中产生用户间干扰信号。从物理原理上来说，wu[k]是hu[k]的匹配滤波器，当k＝l-1时，匹配滤波器输出达到最大值。对接收机来说，该最大值即为需要探测的期望信号，对应于用户u期望信号
[0056]
如图4所示，为本发明所取得的能效效率提升效果图。图中能量效率定义为系统和速率与发射功率的比值，采用了10000次蒙特卡洛仿真。由于本发明中，直射链路被阻挡，为便于分析，使用随机的反射因子模拟不使用智能反射面的情况。使用智能反射面的曲线代表设置了优化的反射因子。仿真结果显示，本发明对于时间反演无线通信系统能量效率性能有着显著的提升。在发射功率为30dbm时，与不使用智能反射面相比，本发明将系统能量效率提升了307％。在发射功率为40dbm时，与不使用智能反射面相比，本发明将系统能量效率提升了302％。
[0057]
本发明基于智能反射面技术，设计了一种增强时间反演时空聚焦特性的无线通信系统，利用智能反射面提供的众多反射链路增强时间反演技术的时空聚焦特性，为时间反演无线通信系统提供多径分集增益，达到时空聚焦特性智能调控的效果，提升时间反演无线通信系统的能量效率、系统容量和服务质量。
[0058]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。