一种协同共生反向散射通信方法及系统

本发明涉及无线通信，尤其涉及一种协同共生反向散射通信方法及系统。

背景技术：

1、预估到2030年，全球连接设备的数量预计将达到1250亿个，每平方公里将有多达100万个节点连接。环境反向散射通信系统目前已成为解决频谱稀缺与能源消耗问题的关键技术，智能反射面(reconfigurable intelligent surface,ris)由于和反向散射通信具有相同的反射原理，将其应用于反向散射通信将使得大规模无线接入成为可能。

2、在ris使能的环境反向散射通信系统中，ris不仅可以用来增强反射链路，还可以用在射频(radio frequency,rf)域被动调制信息，实现主系统信号和反向散射信号的并发传输。ris作为反向散射设备(backscatter device,bd)可以显著提升环境反向散射通信速率和覆盖范围。2021年p.ramezani等人发表的论文“backscatter-assisted wirelesspowered communication networks empowered by intelligent reflecting surface”中，提出了ris使能的环境反向散射通信系统并分析了容量最大化问题。同年，y.chen发表的论文“performance of ambient backscatter systems using reconfigurableintelligent surface”中，研究了ris对环境反向散射通信中单个链路的影响，并给出中断率和系统容量随发射信噪比的变化趋势。

3、总结来看，在现有的研究中，ris使能的环境反向散射系统虽然在解决频谱资源稀缺与能量消耗方面展现了良好的势头，但存在严重的自干扰问题，导致系统的传输可靠性和有效性不高，无法适应5g甚至6g的密集型通信。具体来说，传统ris使能的共生环境反向散射系统在用户处采用串行干扰消除(successive interference cancellation,sic)解码框架依次解码主系统信号和反向散射信号，由此导致，大规模ris会增大反向散射信号对主系统信号的干扰，而小规模ris则限制了共生系统的通信速率。与此同时，传统的反射型ris阵面无法服务ris透射侧的用户，限制了系统的覆盖范围，导致ris阵面在共生系统中发挥作用受限。

技术实现思路

1、本发明提供一种协同共生反向散射通信方法及系统，用以克服上述已有技术的不足，基于全向ris面板实现反向散射通信过程中的减少自干扰问题，提升信号传输速率和覆盖范围，同时，在保证通信共生的基础上，提高传输可靠性和有效性。

2、第一方面，本发明提供一种协同共生反向散射通信方法，应用于反向散射通信系统，所述反向散射通信系统包括主导设备、全向可重构智能表面ris和从设备；所述从设备至少包括一个反射侧从设备和一个透射侧从设备；其特征在于，所述方法包括：

3、将ris分为第一单元区和第二单元区，所述第一单元区和所述第二单元区分别包含多个ris元件；

4、获取第一单元区的反射参数和第二单元区的反射参数，即第一反射参数和第二反射参数；

5、获取第一单元区的透射参数和第二单元区的透射参数，即第一透射参数和第二透射参数；

6、第一单元区接收主导设备发送的主系统信号，基于第一反射参数和第一透射参数对所述主系统信号进行信号增强，反射传播至所述反射侧从设备，并透射传播至所述透射侧从设备；

7、第二单元区对所述主系统信号进行调制生成复合信号，基于第二反射参数和第二透射参数对所述复合信号进行信号增强传播，发送至所述反射侧从设备和透射侧从设备。

8、进一步的，所述第一反射参数和第二反射参数的获取步骤包括：

9、根据第一预设系统共生条件计算获得第一反射参数和第二反射参数；

10、所述第一预设系统共生条件的表达式为：

11、

12、其中，τc为反向散射信号的信噪比解码阈值，τs为主系统信号的信噪比解码阈值，ps为发射功率，κr为第一单元区的第一反射系数，αr为第二单元区的第二反射系数，w为第二单元区的反射级联信道幅度，z为第二单元区的透射级联信道幅度，y为第一单元区的反射级联信道幅度，x为第一单元区的透射级联信道幅度。

13、进一步的，所述第一透射参数和第二透射参数的获取步骤包括：

14、根据第二预设系统共生条件计算获得第一透射参数和第二透射参数；

15、所述第二预设系统共生条件的表达式为：

16、κt+kr＝1、αt+αr＝1

17、其中，κr为第一单元区的第一反射系数，αr为第二单元区的第二反射系数，κt为第一单元区的第一透射系数，αt为第二单元区的第二透射系数。

18、进一步的，还包括步骤：通过max-min算法获取最佳第一反射系数和最佳第二反射系数，以实现系统通信速率的动态平衡；

19、所述max-min算法的表达式包括：

20、

21、其中，cr(i,j)为反射侧从设备的瞬时和速率，ct(i,j)为透射侧从设备的瞬时和速率，τc为反向散射信号的信噪比解码阈值，τs为主系统信号的信噪比解码阈值，ps为发射功率，κr为第一单元区的第一反射系数，αr为第二单元区的第二反射系数，w为第二单元区的反射级联信道幅度，z为第二单元区的透射级联信道幅度，y为第一单元区的反射级联信道幅度，x为第一单元区的透射级联信道幅度。

22、进一步的，还包括步骤：

23、通过机会共生方式确定信道质量符合预设质量阈值的一组共生从设备建立通信；所述共生从设备包括一个透射侧从设备和一个反射侧从设备。

24、进一步的，所述机会共生方式包括步骤：

25、发送导频包至所述反射侧从设备和透射侧从设备，所述导频包包括执行定时器设置指令；

26、分别与透射侧从设备和反射侧从设备中定时器首先归零的从设备建立通讯。

27、进一步的，所述调制包括步骤：根据第二反射系数和第二透射系数通过反向散射信号对所述主系统信号进行乘性融合获得复合信号。

28、第二方面，本发明提供一种协同共生反向散射通信系统，包括：主导设备、全向可重构智能表面ris和从设备；其中，所述ris分为第一单元区和第二单元区；所述从设备至少包括一个反射侧从设备和一个透射侧从设备；

29、所述第一单元区用于接收所述主导设备发送的主系统信号，基于第一单元区的反射参数和透射参数对所述主系统信号进行信号增强，以反射至所述反射侧从设备，并透射至所述透射侧从设备；

30、所述第二单元区用于对所述主系统信号进行调制生成复合信号，并基于第二单元区的反射参数和透射参数对所述主系统信号进行信号增强，发送至所述反射侧从设备和透射侧从设备。

31、进一步的，所述第一单元区的反射参数和第二单元区反射参数的获取步骤包括：

32、根据第一预设系统共生条件计算获得第一单元区的反射参数和第二单元区的反射参数，即第一反射参数和第二反射参数；

33、所述第一预设系统共生条件的表达式为：

34、

35、其中，τc为反向散射信号的信噪比解码阈值，τs为主系统信号的信噪比解码阈值，ps为发射功率，κr为第一单元区的第一反射系数，αr为第二单元区的第二反射系数，w为第二单元区的反射级联信道幅度，z为第二单元区的透射级联信道幅度，y为第一单元区的反射级联信道幅度，x为第一单元区的透射级联信道幅度。

36、进一步的，所述第一单元区的透射参数和第二单元区的透射参数的获取步骤包括：

37、根据第二预设系统共生条件计算获得第一单元区的透射参数和第二单元区的透射参数，即第一透射参数和第二透射参数；

38、所述第二预设系统共生条件的表达式为：

39、κt+κr＝1、αt+αr＝1

40、其中，κr为第一单元区的第一反射系数，αr为第二单元区的第二反射系数，κt为第一单元区的第一透射系数，αt为第二单元区的第二透射系数。

41、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：

42、(1)本发明提供的基于全向ris面板的协同共生反向散射通信方法中提供的ris同时发挥两个作用，第一单元区用于作为主系统信号的增强器，第二单元区用于作为反向散射信号的被动调制器，可以通过灵活调整第一单元区和第二单元区中的ris元件单元数目，实现主系统信号和反向散射信号的协调传输，可以有效解决传统系统的大规模ris自干扰和小规模ris低速率问题。同时，本发明通过采用全向可重构智能表面ris，能够同时服务ris阵面两侧的用户，实现透反射空间全维共生。

43、(2)本发明根据ris阵面两侧的用户信道衰落的不同，灵活选取第一单元区和第二单元区的透射和反射系数，可以进一步实现主系统信号和反向散射信号的协调传输，进而可以进行入射信号能量的分配，实现ris阵面两侧用户接收信噪比的平衡，达到反向散射通信系统的协同共生状态，显著提升反向散射通信系统的覆盖范围与发射功率的利用率。

44、(3)本发明在服务多个从设备用户过程中，与传统时分复用方式不同，虽然各从设备用户距ris阵面距离差别不大，大尺度路径损耗基本相同，但小尺度阴影衰落等因素同样会造成较大的信道条件差异，本发明采用机会共生模式对反射侧用户和透射侧用户分别发送导频包，机会选择信道最优的一组共生从设备用户进行服务，可以显著提升系统整体传输性能。