基于层叠超表面的高能效语义通信方法、系统和设备

本发明涉及语义通信，特别是一种基于层叠超表面的高能效语义通信方法、系统和设备。

背景技术：

1、多输入多输出（mimo）通信系统已广泛应用于第五代（5g）无线网络，以提高频谱效率并支持大规模连接。然而，mimo系统是由在基站（bs）中使用数百个天线驱动的，由于每个天线需要大量射频（rf）链，这将导致过高的硬件成本和功耗。虽然模数混合mimo通信系统的发展大大减少了所需的射频链数量，但它仍然需要大量的移相器，从而导致低能量效率（ee）。

2、随着两种新兴的创新技术即可重构智能超表面（ris）和语义通信（semcom）的兴起，可以用来实现节能的全息mimo通信，具体的，智能超表面是由大量低成本的元原子组成的人造表面，它可以对电磁波施加相移，以一种节能的方式重新配置无线传播环境，从而促进了大规模阵列的使用。此外，语义通信消除了不相关信息，传输压缩后的关键信息，从而降低了系统功耗，提高了能量效率ee。大多数现有的智能超表面相关研究工作都依赖于单层架构，单层架构已被证明可以扩展服务覆盖范围，增强物理层安全性，提高可实现的速率/能源效率。然而，已有研究表明，单层智能超表面的波束形成设计自由度有限，无法抑制多用户干扰。为了克服上述缺点，业内提出了堆叠元表面（stacked metassurface，sm）技术，将多个元表面垂直堆叠形成多层结构的层叠超表面。然而，如何实现层叠超表面在通信应用中的语义能量效率最大化设计，成为了领域内待解决的重要技术问题之一。

技术实现思路

1、针对上述传统技术中存在的问题，提供一种基于层叠超表面的高能效语义通信方法、一种通信系统和一种计算机设备。

2、为了实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

3、一方面，提供一种基于层叠超表面的高能效语义通信方法，应用于一种通信系统，通信系统包括配置数字天线的基站、层叠超表面以及多个配置单天线的用户端设备；

4、高能效语义通信方法包含以下步骤：

5、设定通信系统的最小语义速率目标、最小语义相似度阈值以及最大发射功率；

6、以通信系统的语义能量效率最大化为目标函数，在无线信道非理想角度误差条件下，以最小语义速率目标、最小语义相似度阈值、最大发射功率和层叠超表面各反射单元幅度归一化为约束条件，构建以数字波束形成器和超表面相移矩阵为优化变量的待求解优化模型；

7、构建基于角度误差的非理想信道模型且将无线信道非理想角度误差进行参数离散化；

8、利用语义最大化最小化方法求解得到最优的数字波束形成器，以及利用循环坐标下降算法求解得到最优的超表面相移矩阵；

9、利用最优的数字波束形成器和最优的超表面相移矩阵对通信系统进行语义通信优化。

10、另一方面，还提供一种通信系统，包括配置数字天线的基站、层叠超表面以及多个配置单天线的用户端设备，通信系统利用最优的数字波束形成器和最优的超表面相移矩阵进行语义通信优化；其中，最优的数字波束形成器和最优的超表面相移矩阵的获取包括步骤：

11、设定通信系统的最小语义速率目标、最小语义相似度阈值以及最大发射功率；

12、以通信系统的语义能量效率最大化为目标函数，在无线信道非理想角度误差条件下，以最小语义速率目标、最小语义相似度阈值、最大发射功率和层叠超表面各反射单元幅度归一化为约束条件，构建以数字波束形成器和超表面相移矩阵为优化变量的待求解优化模型；

13、构建基于角度误差的非理想信道模型且将无线信道非理想角度误差进行参数离散化；

14、利用语义最大化最小化方法求解得到最优的数字波束形成器，以及利用循环坐标下降算法求解得到最优的超表面相移矩阵；

15、利用最优的数字波束形成器和最优的超表面相移矩阵对通信系统进行语义通信优化。

16、又一方面，还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述基于层叠超表面的高能效语义通信方法的步骤。

17、上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

18、上述基于层叠超表面的高能效语义通信方法、系统和设备，通过设定最小语义速率目标、最小语义相似度阈值以及最大发射功率，以语义能量效率最大化为目标函数，在无线信道非理想角度误差条件下，以最小语义速率目标、最小语义相似度阈值、最大发射功率和层叠超表面各反射单元幅度归一化为约束条件，构建了以数字波束形成器和超表面相移矩阵为优化变量的待求解优化模型，基于角度误差的非理想信道模型并将无线信道非理想角度误差参数离散化，最后利用语义最大化最小化方法求解最优的数字波束形成器以及利用循环坐标下降算法求解最优的超表面相移矩阵，用于通信系统的语义通信优化，从而实现了层叠超表面在通信应用中的语义能量效率最大化。

技术特征：

1.一种基于层叠超表面的高能效语义通信方法，其特征在于，应用于一种通信系统，所述通信系统包括配置数字天线的基站、层叠超表面以及多个配置单天线的用户端设备；

2.根据权利要求1所述的基于层叠超表面的高能效语义通信方法，其特征在于，利用语义最大化最小化方法求解得到最优的数字波束形成器的过程中，利用语义代理函数将数字优化子问题中不可处理的拟凸转化为可处理的拟凸。

3.一种通信系统，其特征在于，包括配置数字天线的基站、层叠超表面以及多个配置单天线的用户端设备，所述通信系统利用最优的数字波束形成器和最优的超表面相移矩阵进行语义通信优化；其中，最优的数字波束形成器和最优的超表面相移矩阵的获取包括步骤：

4.根据权利要求3所述的通信系统，其特征在于，利用语义最大化最小化方法求解得到最优的数字波束形成器的过程中，利用语义代理函数将数字优化子问题中不可处理的拟凸转化为可处理的拟凸。

5.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1或2所述高能效语义通信方法的步骤。

技术总结
本申请涉及基于层叠超表面的高能效语义通信方法、系统和设备，通过设定最小语义速率目标、最小语义相似度阈值以及最大发射功率，以语义能量效率最大化为目标函数，在无线信道非理想角度误差条件下，以最小语义速率目标、最小语义相似度阈值、最大发射功率和层叠超表面各反射单元幅度归一化为约束条件，构建了以数字波束形成器和超表面相移矩阵为优化变量的待求解优化模型，基于角度误差的非理想信道模型并将无线信道非理想角度误差参数离散化，最后利用语义最大化最小化方法求解最优的数字波束形成器以及利用循环坐标下降算法求解最优的超表面相移矩阵，用于通信系统的语义通信优化，从而实现了层叠超表面在通信应用中的语义能量效率最大化。

技术研发人员：孙艺夫,安康,朱勇刚,李程,宾凯,陈如翰
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/24