一种智能反射面辅助的空间调制系统反射系数优化方法

本发明涉及无线通信，特别涉及一种智能反射面辅助的空间调制系统反射系数优化方法。

背景技术：

1、在未来第六代(6g，sixth-generation)无线通信系统中，无线网络将使用太赫兹(thz，terahertz)甚至更高的频段，如何提高系统的频谱效率(se，spectral efficiency)和能量效率(ee，energy efficiency)变得越来越重要。索引调制(im，index modulation)技术是满足6g这些需求的使能技术之一。im通过空间、频率或极化的索引传输信息比特，能够提供更高的频谱效率和能量效率。空间调制作为im中的一种技术，受到了越来越多的关注。

2、空间调制是一种基于多天线架构的调制方式。在每次传输中，仅有一根或几根天线被激活发送信号，被激活的天线称为活跃天线，它们的索引被用来传输信息比特。相比于传统星座调制，空间调制技术引入空间域传输额外信息比特，极大提升了系统的频谱效率。同时，空间调制系统中的射频链路数目可以远少于发送天线数目，这有效降低了系统的硬件成本和功率损耗。此外，在空间调制系统中，一个传输时隙内只有一根或几根天线被激活发送信号，有效减少了相邻天线的电磁干扰，并降低了对发送信号严格同步的要求。在设计灵活性和实现更高传输速率的驱动下，空间调制方案层出不穷，典型的空间调制方案包括：空间调制(sm，space modulation)方案、空移键控(ssk，space shift keying)方案、正交空间调制(qsm，quadrature spatial modulation)方案和逐级编码空移键控(sc-ssk，successive coded-space shift keying)方案等。

3、智能反射面(ris，reconfigurable intelligent surface)是一种由大量低成本、低复杂度且无源的反射元件组成的超表面，其中反射元件的幅度和相位响应可以被外部的控制器实时控制，从而重构无线传输信道，提升传输质量。不同于中继协助的通信系统，ris不需要射频(rf，radio frequency)链路和功率放大器就可以重塑入射信号，不会放大环境噪声。目前，在ris协助空间调制系统中，ris反射系数优化成为研究的热点之一，学界已经提出了很多典型的算法，如：半正定松弛(sdr，semi-definite relaxation)算法和基于余弦相似定理的低复杂度算法。在已有算法中，ris上的反射系数都是以最大化接收信噪比为目标进行求解。但是，当系统的误码性能为主要需求指标且接收端采用最大似然检测时，不同接收信号间的欧式距离是影响系统误码性能的关键，这使得已有算法在系统误码性能上还有很大提升空间。基于此，本发明以最大化不同接收信号间的欧氏距离为目标，提出了一种智能反射面辅助的空间调制系统反射系数优化方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种智能反射面辅助的空间调制系统反射系数优化方法，利用ris辅助空间调制系统，优化ris上反射系数来最大化不同接收信号间的欧式距离，以解决传统优化算法中系统误码性能受限的技术问题。

2、本发明第一方面实施例提供一种智能反射面辅助的空间调制系统反射系数优化方法，所述空间调制系统包括发送端、智能反射面和接收端，所述反射系数优化方法包括以下步骤：

3、将所述发送端的待发送信息比特划分为多个长度相同的信息块，基于空间调制原理为每个信息块选择活跃天线发送调制符号，通过活跃天线索引和调制符号传输信息比特，进行发送端空间调制；

4、设计最优目标接收信号，使得所述目标接收信号间的欧氏距离最大化，以最小化实际接收信号和所述目标接收信号间的欧式距离为优化目标，所述智能反射面的所有反射系数为优化变量，建立优化问题，通过求解所述优化问题，得到所述智能反射面的最优反射系数，基于所述最优反射系数，利用智能反射面改变入射信号的相位，并将入射信号反射到所述接收端；

5、根据所述接收端的接收信号，采用最大似然检测算法，并基于发送端空间调制方案进行译码，得到所述待发送信息比特。

6、可选地，在本发明的一个实施例中，设计所述目标接收信号包括：

7、以基于余弦相似定理优化算法得到的接收信号平均功率作为所述目标接收信号平均功率，以最大化不同接收信号间的欧式距离为准则设计所述目标接收信号归一化的分布形式，得到所述目标接收信号。

8、可选地，在本发明的一个实施例中，以最小化实际接收信号和所述目标接收信号间的欧式距离为优化目标，所述智能反射面的所有反射系数为优化变量，建立优化问题包括：

9、第i个实际接收信号为：

10、yi＝g·θi·h·xi

11、其中，分别为发送端到智能反射面和智能反射面到接收端的信道矩阵，nt为发送端配备的天线数量，nr为接收端配备的天线数量，k为智能反射面的反射元素个数，θi＝diag(θi)为对应于xi的智能反射面的反射矩阵，是中第j个元素，为智能反射面上第j个反射元素的系数，且有xi为第i个发送信号，携带第i个信息块中的比特信息；

12、以最小化第i个实际接收信号与第i个目标接收信号间的欧氏距离为优化目标，智能反射面上所有反射系数为优化变量，建立的优化问题为：

13、

14、其中，(·)h为对矩阵做共轭转置，1表示维度为k×1的全1向量。

15、可选地，在本发明的一个实施例中，求解所述优化问题的方法为通过原对偶内点法求解。

16、可选地，在本发明的一个实施例中，根据所述接收端的接收信号，采用最大似然检测算法，并基于发送端空间调制方案进行译码，得到所述待发送信息比特，包括：

17、所述接收端接收到的含噪信号的接收信号为：

18、

19、其中，为接收端接收到的含噪信号的接收信号，x为发送端的发送信号，n是加性高斯白噪声；

20、最大似然检测算法为：

21、

22、其中，||·||2表示2-范数，是xi在最大似然检测下的估计。

23、本发明实施例的智能反射面辅助的空间调制系统反射系数优化方法，将发送端待发送的信息比特划分为长度相同的若干个信息块，根据每一个信息块选择相应的活跃天线发送特定信号；优化智能反射面上反射元素的系数，最大化不同接收信号间的欧式距离；在接收端采用最大似然检测译码，恢复原始信息比特。将智能反射面与空间调制方案结合，利用智能反射面重构无线信道，增加不同接收信号间的欧式距离，提升了系统的误码性能。

24、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种智能反射面辅助的空间调制系统反射系数优化方法，所述空间调制系统包括发送端、智能反射面和接收端，其特征在于，所述反射系数优化方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设计所述目标接收信号包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以最小化实际接收信号和所述目标接收信号间的欧式距离为优化目标，所述智能反射面的所有反射系数为优化变量，建立优化问题包括：

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，求解所述优化问题的方法为通过原对偶内点法求解。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述接收端的接收信号，采用最大似然检测算法，并基于发送端空间调制方案进行译码，得到所述待发送信息比特，包括：

技术总结
本发明公开了一种智能反射面辅助的空间调制系统反射系数优化方法，属于无线通信领域，将发送端待发送的信息比特划分为长度相同的若干个信息块，根据每一个信息块选择相应的活跃天线发送特定信号；优化智能反射面上反射元素的系数，最大化不同接收信号间的欧式距离；在接收端采用最大似然检测译码，恢复原始信息比特。本发明将智能反射面与空间调制方案结合，利用智能反射面重构无线信道，增加不同接收信号间的欧式距离，提升系统的误码性能，在相同条件下能够获得比已有算法更好的误码性能。

技术研发人员：吴亮,安博,张在琛,党建,朱秉诚
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14