[发明专利]基于可编程超表面的无线中继系统及其一种信道估计方法

说明书

本发明公开了一种基于可编程超表面的无线中继系统及其一种信道估计方法，该系统通过基于可编程超表面的无线中继端反射用户端入射的电磁波至基站端的形式为系统提供补充链路，以提高系统的吞吐率。在上行链路中，设计一种帧结构，在不同时隙和位置插入导频分段做信道估计以获取信道信息。时隙1将单音载波信号打向超表面，根据第一段导频产生的时域控制序列改变超表面反射系数，反射出已调射频信号，在基站端估计出中继端至基站端的信道值；时隙2超表面相位置为全通，基站端根据用户端发出的第二段导频估计出级联信道，在基站端求得两段信道值，反馈链路可实现基站至超表面信息回传和时序同步；时隙3基于超表面中继完成波束赋形，提高通信传输质量。

技术领域

本发明涉及一种基于可编程超表面的无线中继系统及其一种信道估计方法，属于通信技术领域。

背景技术

进入21世纪以来，人们对移动通信数据量的需求有了爆炸式的增长，同时对移动通信数据量的需求反过来也推动着整个无线通信体系的发展。近十年来，新型材料技术与移动通信技术高速发展，例如人工电磁超表面(Metasurfaces)，因其独特的物理特性不断受到研究者的关注。目前在数字成像、电磁学、雷达等多个领域已有许多超表面的应用实例。同时也有研究表明，数字可编程超表面通过编码调控能够携带信息，给出了电磁超表面与无线通信之间结合的可能性。另一方面，在传统通信领域，科学家们一直在不断努力的追求在无线信道之间提供更高的服务质量(QoS)。并且人们也越来越关注无线通信中的能源效率。解决 QoS和能量问题的一种方法是通过增强对传播环境的控制，以减轻或消除不良的散射条件。

在此背景下，可编程超表面引起了学术界和工业界的广泛关注。可编程超表面是一种人工复合材料，由一系列亚波长尺寸的人造单元结构组合而成。这些单元以特定的方式与电磁波相互作用，具有不同于天然材料的独特性质，可以产生诸如负折射、完美透镜以及电磁隐身等非常规物理现象。由于可编程超表面接近无源、成本低廉以及可智能调节反射性能的特性，可以为解决QoS和能效问题提供一种经济简单的方案，越来越多的科学家正尝试将其用于无线通信系统中。

在传统的解决方案中，无线通信系统中广泛应用中继设备增强信号的覆盖范围及减小中断概率，以提供可靠地通信服务。常见的中继设备包括放大转发中继、解码转发中继等。然而因其价格高昂、架构复杂、能耗高等缺点，无法适应未来无线通信系统的需求，工业界亟需更为高效、灵活的替代方案。可编程超表面由于成本低廉、调制机制简易且部署方便等优点，很有希望在特定场景取代繁杂的中继设备，从而大大缩减系统能耗与设备成本，为未来无线通信的发展提供巨大可能性。

然而，部署可编程超表面也面临着一定的困难。例如，由于可编程超表面结构简单、接近无源的硬件限制，其对信号只能被动反射，而不能主动接收，导致其数据处理能力远不及已广泛应用的放大转发中继器，从而无法完成复杂的信道估计的任务。然而在可编程超表面中继系统中，分别估计出用户端至可编程超表面，超表面至基站端的信道值尤为重要。具体而言，可编程超表面可以通过改变其表面单元的反射系数，改变发射而来的电磁波的反射方向，从而实现有效的波束成形。这需要分别获得用户端-可编程超表面，可编程超表面-基站端之间的信道值，供可编程超表面生成单元反射系数的控制信号以调节自身表面的反射系数，因此需要一种可行的方案去解决以上问题。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出基于可编程超表面的无线中继系统，避免使用硬件复杂、成本昂贵的传统中继设备的同时，给无线通信提供一种利用可编程超表面进行中继传输的新架构。同时，由于可编程超表面结构简单、接近无源而导致其只能反射、无法接收电磁波，致使信道状态信息(Channel State Information,CSI)获取困难，无法有效利用可编程超表面实现波束成形来提高系统传输质量，降低能耗，本发明还提出一种基于可编程超表面的无线中继系统下的信道估计方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于可编程超表面的无线中继系统，该系统由用户端、基站端和基于可编程超表面的无线中继端组成。