[发明专利]可重构智能表面辅助的共生通信系统波束赋形设计方法

说明书

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种可重构智能表面辅助的共生通信系统波束赋形设计方法。本发明方案中，反向散射设备借助来自于基站和经过智能表面加强的主链路信号来发送自身需要发送的信息符号；主接收机接收到来自于基站的主链路信号和来自于反向散射设备的反射信号。本发明设计高效迭代算法联合优化基站端(主动式)波束赋形向量w和智能表面端被动式波束赋形向量φ，在满足反射信号的可靠性及主链路通信速率要求的情况下，实现基站发送功率最小化。通过仿真验证，本发明在不影响主用户正常通信、且不额外增加能量、频谱和成本开销的情况下，大幅节省基站发送功率和能量，具有很强的应用价值以及发展潜力。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种可重构智能表面辅助的共生通信系统主被动式联合波束赋形设计方法。

背景技术

共生无线电(Symbiotic Radio,SR)是一种基于协作式环境反向散射通信并且具有极高能量效率、高频谱效率和高成本效率的新型无线通信技术，被认为特别适合于物联网应用。反向散射设备(Backscatter Device,BD)通常是被动式无源设备，电路结构简单，可以完成数据的采集、存储、反向散射传输等有限功能，其成本大大低于主动式有源通信设备。具体而言，BD可将接收到射频信号的一部分用于收集能量，以满足自身电路的正常工作；将其余部分作为载波，并通过改变天线的负载阻抗来将自身信息调制到该载波信号上，以反向散射的方式发送给对应的接收机。

另一方面，可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)(后文中简称智能表面)辅助通信作为一种高频谱效率、高能量效率以及成本低廉的革新性通信技术，近年来引起了学术界和工业界的广泛关注。智能表面由大量的无源低成本反射单元组成，每个反射单元可以调整入射信号的幅度和相位并进行反射。因此，通过合理设计每个反射元件的反射系数(幅度和相移)，无线传播环境可被智能重构，以达到有用信号增强、干扰抑制以及安全传输等目的。

为解决共生通信中反射链路衰落严重、接收盲点等问题，引入智能表面辅助共生通信可大大改善共生通信的覆盖范围及可靠性能。在共生通信系统中加入智能表面，通过调整智能表面反射单元的反射系数来控制反射电磁波信号，对无线传播环境进行智能重构，以增强有用信号强度并抑制链路间干扰，从而提高共生通信质量。

发明内容

本发明的主要内容是提出一种智能表面辅助的共生通信系统,涉及到系统组成结构及工作原理、以及主被动式联合波束赋形设计方法。

本发明采用的技术方案为智能表面辅助的共生通信系统：组成结构如图1所示，由一个配置Q(Q1)根天线的基站(Base Station,BS)、K个单天线物联网反向散射设备BD、一个智能表面、以及一个单天线主接收机(Primary Receiver,PR)组成。其中，智能表面包含M个无源反射单元及一个与其连接的控制器；控制器可以动态调整每个反射单元的反射系数(幅度和相位偏移)，以智能地重构无线通信环境。

智能表面辅助的共生通信系统的基本工作原理是：BS通过主动式波束赋形，与PR保持正常通信，同时智能表面通过控制反射单元辅助BS与PR的主链路通信；另一方面，BD通过将BS发送的信号作为载波来传输自身信息，由于BS与BD间可能存在障碍物，BS与BD间信道较弱，因此BD收到直接来自于BS的信号强度较弱，此时智能表面通过控制反射单元改善BS与BD的信道质量，加强BD的入射信号强度；BD使用二进制相移键控(Binary Phase ShiftKeying,BPSK)将自身信息调制在入射信号上并反射至PR。因此，PR接收到两部分信号：来自于BS的主链路信号和来自于BD的反射信号，其中，主链路信号包含直接来自于BS和通过智能表面反射的主链路信号。

根据以上描述，PR处的接收信号可表示为