一种通信感知一体化的无线光通信系统和方法

本发明属于无线光通信，具体涉及一种通信感知一体化的无线光通信系统和方法。

背景技术：

1、现有的无线光通信系统，包括：发射装置、光学天线和位于用户端的接收装置，发射装置具有多个led光源，通过调节发射装置和接收装置的姿态，使其对准，然后，led光源通过光学天线向接收装置发送光信号。其存在的主要问题为：发射装置只能将光信号发送到位置已知的用户端的接收装置，使用灵活性和适应性较低。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种通信感知一体化的无线光通信系统和方法，可有效解决上述问题。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、本发明提供一种通信感知一体化的无线光通信系统，包括光源、光学成像模块、感知模块、智能反射面ris模块和目标用户端；

4、所述光源的发射路径布置所述光学成像模块，所述光学成像模块的成像端布置所述智能反射面ris模块；所述智能反射面ris模块包括控制器和多个可独立工作的ris子单元；所述感知模块用于接收广播阶段所述ris子单元发出的出射光束到达各个用户端后的反射信号，进而识别到各个用户端的位置速度信息，从而获得目标用户端的位置速度信息，并将所述目标用户端的位置速度信息发送给所述控制器；所述控制器对各个ris子单元的出射光束方向进行控制，使所述ris子单元的出射光束方向对准目标用户端。

5、优选的，所述光源为单个光源，或者，所述光源为光源阵列；所述光源阵列包括多个子光源，所述子光源和所述ris子单元之间一一对应；每个所述子光源配置有微透镜。

6、优选的，所述光学成像模块为成像透镜。

7、优选的，所述ris子单元具有光束反射路径和/或光束透射路径。

8、优选的，所述感知模块为相机、非激光雷达或激光雷达。

9、本发明还提供一种所述的一种通信感知一体化的无线光通信系统的方法，包括以下步骤：

10、步骤1，光源发送光信号到光学成像模块，光学成像模块将接收到的光信号成像到智能反射面ris模块，智能反射面ris模块的控制器判断当前是否接收到感知模块发送的目标用户端的位置信息，如果没有，则执行步骤2；如果有，则执行步骤3；

11、步骤2，智能反射面ris模块执行广播工作模式：

12、此种情况，需要对被服务的空间区域进行全面信号覆盖，控制器对智能反射面ris模块的各个ris子单元进行控制，使各个所述ris子单元的出射光信号在被服务的空间区域叠加，并且，叠加后的光信号覆盖的超过阈值的面积最大化；

13、同时，各个所述ris子单元的出射光信号到达各个用户端后形成反射信号，该反射信号被所述感知模块接收，所述感知模块根据所述反射信号，识别到被服务的空间区域中每个用户端的位置速度信息，并将所述用户端的位置速度信息上传给所述控制器；

14、步骤3，智能反射面ris模块执行目标用户端对准工作模式：

15、此种情况，所述感知模块在广播模式时感知到被服务的空间区域中每个用户端的位置速度信息，从而在各个用户端中确定目标用户端，并将所述目标用户端的位置速度信息上传给所述控制器，所述控制器对ris子单元进行控制，使所述ris子单元对准目标用户端，从而使所述ris子单元将接收到的光信号精准传输给所述目标用户端。

16、优选的，当智能反射面ris模块的各个ris子单元为圆形分布时，步骤2具体为：

17、步骤2.1，建立目标函数：

18、

19、

20、

21、

22、ε≥0

23、0≤ξm<2π,m＝1,2,…,m

24、其中：

25、m代表ris子单元的数量；

26、m代表第m个ris子单元；

27、ε代表智能反射面ris模块的各个ris子单元的圆形分布半径；

28、ξm代表第m个ris子单元的设置角度；

29、代表第m个ris子单元到第k个目标用户端的光信号强度，上标r代表接收信号；

30、ρi代表预设定的满足可靠通信的光强阈值；

31、r(ψm)代表第m个ris子单元的辐射模式；

32、ψm代表第m个ris子单元发出的光线的出射角；

33、a代表第k个目标用户端的接收面积；

34、dm，k代表第m个ris子单元到第k个目标用户端的距离；

35、(xk，yk，0)代表第k个目标用户端的的三维位置坐标；其中，其布置高度为0；

36、代表智能反射面ris模块的布置平面与地面的相对高度差；

37、sgn(·)是符号函数；

38、步骤2.2，求解步骤2.1建立的所述目标函数，得到使各个ris子单元的出射光信号叠加后的光信号覆盖的超过光强阈值的面积最大化的各个ris子单元的幅射模式，即：得到每个ris子单元最佳辐射半径ε*和最佳设置角度

39、

40、

41、步骤2.3，控制器根据得到的最佳辐射半径ε*和最佳设置角度对各个ris子单元进行独立控制；

42、步骤3具体为：

43、步骤3.1，建立目标函数：

44、

45、

46、

47、

48、其中：

49、(xk，yk，0)代表第k个目标用户端的三维位置坐标；其中，其布置高度为0；

50、r(ψm)代表第m个ris子单元的辐射模式；

51、代表对应的led的子光源到第m个ris子单元的出射角；

52、ψm代表第m个ris子单元发出的光线的出射角；

53、和分别代表第k个目标用户端需要覆盖信号区域的长度和宽度；

54、代表第m个ris子单元到第k个目标用户端的光信号强度，上标r代表接收信号；

55、a代表第k个目标用户端的接收面积；

56、dm，k代表第m个ris子单元到第k个目标用户端的距离；

57、λ代表波长；

58、x(λ)代表波长λ的分布；

59、代表智能反射面ris模块的布置平面与地面的相对高度差；

60、ε*和分别代表ris子单元最佳辐射半径和最佳设置角度；

61、步骤3.2，求解步骤3.1建立的所述目标函数，得到使ris子单元的出射光信号在目标用户端区域的信号光强最大化的ris子单元的最佳幅射模式

62、

63、其中：

64、λ0代表光束中的峰值波长；

65、n(λ)为ris子单元在波长λ下的折射系数；

66、步骤3.3，控制器根据得到的最佳幅射模式对所述ris子单元进行独立控制。

67、优选的，步骤3具体为：

68、对ris子单元增加准直透镜，准直透镜的法向量为：

69、

70、n(λ0)代表该准直透镜在波长λ0下的折射系数；

71、λ0代表光束中的峰值波长；

72、ψ代表对应的ris子单元发出的光线的出射角；

73、因此，控制器对准直透镜的法向量进行调节，使其法向量为从而使ris子单元对准目标用户端。

74、优选的，智能反射面ris模块的ris子单元在接收到来自于光学成像模块的光信号时，对所述光信号进行能量调整，使其光信号的能量乘以系数α，0<α<1，得到能量调整后的光信号，再透射或反射所述能量调整后的光信号。

75、优选的，智能反射面ris模块具有m个ris子单元；需要服务的目标用户端的数量为n个；

76、如果m≥n，则将m个ris子单元划分为n组，使每组ris子单元与一个目标用户端唯一对应，每组ris子单元采用发射分集方式，服务于对应的目标用户端；

77、如果m＜n，采用两种方式：

78、第一种方式，根据n个目标用户端的地理位置，将n个目标用户端划分为m组，使每组内的目标用户端的距离最近；然后，每组目标用户端与一个ris子单元唯一对应，ris子单元在对应组内的各个目标用户端之间，通过时分复用方式进行信号传输；

79、第二种方式，对各个ris子单元的出射光束方向进行调节，从而调节各个ris子单元的信号覆盖范围，使m个ris子单元覆盖n个目标用户端；每个ris子单元采用频分复用、码分复用方式进行信号传输。

80、本发明提供的一种通信感知一体化的无线光通信系统和方法具有以下优点：

81、本发明提供的一种通信感知一体化的无线光通信系统和方法，通过感知模块和智能反射面ris模块的配合使用，能精准感知到每个用户端的位置速度信息，从而使每个ris子单元与目标用户端进行精准通信，有效提高系统的灵活性和适应性。