基于可重构智能表面的信息调制与空分多址.pdf

收稿日期:修回日期:基金项目:国家自 然科学 基金资 助项 目()嵩 山 实 验 室 资 助 项 目()国 家 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目()军队某自主科研资助项目作者简介:操文政()男硕士生主要研究方向为移动通信与可重构智能表面:/基于可重构智能表面的信息调制与空分多址操文政 金 梁 肖帅芳 易 鸣(信息工程大学河南 郑州)摘要:为了减小当前大规模天线系统中高射频成本和高功耗带来的发展限制将可重构智能表面()技术引入新型发射机设计中提出了一种基于可重构智能表面的信息调制与空分多址方案 通过控制 反射系数实现信息的调制同时形成指向多个用户包含不同信息的空间波束实现多用户空分多址具有低硬件复杂度、低成本、低功耗、易集成等优点 以双用户双流发送为例基于二进制粒子群算法给出了方案的具体实现并进行了仿真评估 仿真结果表明该方案能完成面向双用户的双流信号同时同频的 幅移键控()调制并通过空分多址发送给两个用户关键词:可重构智能表面信息调制空分多址二进制粒子群算法中图分类号:.文献标识码:文章编号:().引言随着移动通信的不断发展为了解决复杂多样的业务需求和海量数据增长带来的通信困难与挑战各种新兴技术不断涌现如 时代的大规模多进多出()技第 卷第 期 年 月信 息 工 程 大 学 学 报 .术、毫米波通信技术等 近年来 技术逐渐成熟并进入产业化发展阶段 技术也正式被提出并被广泛研究 可重构智能表面()又称智能反射面技术是近几年发展的一项涉及材料学、电磁学、无线通信等多领域的跨学科新兴技术由于其可以灵活调控无线信道环境中的电磁特性引起业界的广泛关注 研究表明 具有可编程、低成本、低复杂度、低功耗、易集成等特点 技术被认为是 可能的使能技术之一 通常是由大量设计排列后的无源反射单元组成的人工平面阵列具有亚波长范围的尺寸和实时可动态调控的电磁特性 反射单元一般以光电二极管()、变容二极管、场效应晶体管等为核心器件通过金属贴片等与外部控制器连接 通过外部控制器可以独立调控每个反射单元的反射幅度、相位、极化等电磁属性从而实现对入射信号的电磁特性调控 技术应用于无线通信领域中时由于其具有对入射电磁波的电磁特性动态调控能力和反射单元状态的快速捷变能力可以产生快速重构信道和精细化感知信道的效果所以出现由“靠天吃饭”转变为“改造定制无线环境”的新范式 现有的 技术相关应用研究主要可以分为两个方向:一是作为反射/透射面布署在通信场景中起到类似中继的作用二是同射频链路一起部署在发射端或接收端构建新型的收发机架构具体应用场景包括信号补盲、提高物理层安全性、信道估计、波束赋形、信息调制等传统发射机通常具有较为复杂的结构包含调制器、变频器、放大器、滤波器等一系列射频器件存在较大的射频开销 毫米波通信、大规模 等技术的发展对高性能的射频链路产生极大的需求而传统的发射机架构的高复杂度和射频开销使得硬件的高成本和高功耗成为一大难题将 技术引入新型发射机机构的设计中可以简化其硬件架构降低发射系统的复杂度、成本及能耗 数字基带信号经过数模转换器后可以设计 反射信号的电磁特性从而对入射的电磁信号直接完成信息调制 文献提出了一个基于信息超表面的二进制频移键控调制方案的简化发射机架构引入时间编码概念利用两组在时间上有一定长度的编码序列来分别产生 阶谐波并映射到二进制的数字信号“”和“”实现了实时图像传输数据速率为.文献提出了一种实现正交相移键控调制的无线通信发射机并在实验中达到了.的高传输速率 文献进一步实现了 移相键控调制方案的发射机并在保证信噪比的情况下将信息传输比特速率进一步提高到了.文献设计了 正交幅度调制()调制方案的概念样机并在室内环境下进行了实验验证在最终的测试中信息传输比特速率达到了 文献提出了采用周期方波作为基本函数的相位分别利用占空比和时延进行幅度和相位调制实现了基于信息超表面的 调制方案 以上研究均是针对单用户的信息调制在信息调制的同时实现多用户的空分多址尚缺少研究本文基于可重构智能表面进行信息调制的能力提出了一种基于可重构智能表面的信息调制与空分多址方案 通过控制单元对可重构智能表面的反射单元编码状态进行实时调控完成对多用户的多流信息调制和发送并验证了双用户时的方案实现和性能分析 相较于传统面向多用户的信息发送方案本方案具有发射系统架构简单、易部署、低功耗、易解调等优点 系统模型.可重构智能表面模型可重构智能表面模型如图 所示由 列相同的反射单元均匀排列组成每一列共 个反射单元均由同一信号控制 反射单元的相位响应为 比特共有 种状态单元间距为 图 可重构智能表面示意图文献介绍了一种 比特调相的 反射单元的主体由变容二极管、金属片、介质层构成对其加上不同的偏置电压时会产生不同的等效电容从而对入射电磁波产生连续可调的相位响应反射单元状态码字、偏置电压、等效电容、相位响应的具体对应关系如表 所示 信 息 工 程 大 学 学 报 年表 反射单元属性对应表状态码字偏置电压/等效电容/相位响应/().反射单元的状态码字集合为“”对入射电磁波的相位响应分别为“”不失一般性可以近似认为反射单元对入射波的幅度响应为 反射后的电磁波向各个方向上均匀辐射 假设第 列的反射单元的相位响应为 则单载波信号垂直入射 后的远场方向图可表示为式():()()()式中:表示水平角(发射方向和法线方向的夹角)表示第 列反射单元的反射幅度 表示载波波长.系统模型系统模型如图 所示发射机部分主要由单音馈源和可重构智能表面构成 单音馈源将产生的单载波信号通过喇叭天线空馈至 上通过后端 芯片控制 中每列反射单元的状态根据信源内容改变反射系数实现信息的调制单载波信号经 反射后形成多个包含不同信息的空间波束辐射向 个用户 个用户分别接收到 流已调信号实现多用户空分多址 本文调制方式采取 调制接收机采用传统的 解调接收机用户们即可分别恢复出 流原始信号图 系统模型示意图 基于 的信息调制与空分多址本节.中给出了本方案中信息调制的基本原理与实现流程.中进一步阐述了 反射系数的设计与实现完成空分多址方案.信息调制方案假定要向水平角分别为、的 个用户同时发送流信号则有“”共种信号发送情况 假设第 种情况时有 个 和 个 个用户按照 和 重新排序为“”由于调制方式为 调制对应的幅度方向图应满足式()条件 ()().()式中和 分别表示接收方判断为 或 的幅度阈值假设已经得到满足要求的 空间编码序列“、”分别对应向 个用户发送信号“”则信息发送流程如图 所示首先将待传输的 流信息转化为 流比特流然后将 流比特流映射为空间编码序列流 再通过 芯片控制相应的 反射单元状态按照空间编码序列流转换从而对入射的单载波完成信息调制并空分发送给个用户最后个用户接收信号并进行数据处理后可以分别恢复出 流原始信息图 信息发送流程图.空分多址方案通过设计满足信息调制方式的 单元状态组合(空间编码序列)并根据待传输的信息通过 芯片向 输入相应的空间编码序列流实现面向多个不同位置用户的多流信息调制与空分多址发送 空分多址方案完成的关键在于空间编码序列的设计 空间编码序列设计根据发送不同信号时远场方向图的特定约束条件优化完成理论上是一个有限空间的全局最优问题可以通过遍历找到最优解但由于编码空间庞大遍历算法复杂度过高一般采取智能算法来解决类似的全局最优问题如模拟退火算法、遗传算法、粒子群优化()算法、神经网络等 算法是由.和.于 第 期操文政等:基于可重构智能表面的信息调制与空分多址 年开发的智能优化算法主要用于优化连续实值问题 二进制粒子群优化()算法是在 算法的基础上加以改进的用于解决离散优化问题并约定位置向量、速度向量均由、值构成 相比其它优化算法 算法具有规则简单、参数设置较少等优点被广泛应用到各领域的问题解决中也可以用于空间编码序列的设计实现 算法的具体流程如算法 所示 首先初始化粒子群并计算粒子群的个体及全局最优位置然后对粒子群中所有粒子的位置和速度进行更新并迭代一定次数在每次迭代过程中实时地更新粒子群的个体及全局最优位置迭代完成后得到粒子的最优位置 适应度函数是算法中用于衡量粒子位置好坏情况的特征函数在粒子位置更新后通过与更新前的粒子适应度函数值、全局最优适应度函数值比较判断是否更新粒子个体、全局最优位置算法 算法输入:优化目标输出:最优解.初始化粒子群.计算粒子个体最优位置、全局最优位置.更新粒子速度、位置.更新粒子个体最优位置、全局最优位置.判断是否所有粒子更新完毕“是”进入下一步“否”则进入步骤.判断迭代次数是否已达最大“是”进入下一步“否”则迭代次数加 并进入步骤.每次迭代过程中粒子的速度向量按照式()进行更新 ()()()式中:为惯性权重、为学习因子、为 的均匀随机数 表示粒子位置表示个体粒子最优位置表示全局粒子最优位置下标 表示第 个粒子然后采用式()所示的 函数将更新后的速度向量映射到 区间并根据映射得到的()按照式()更新粒子的位置向量()()()()()().()采用 算法设计空间编码序列时首先将空间编码序列转换为粒子的二进制位置向量然后根据对应的方向图约束条件设计适应度函数最后按照 算法流程优化得到 即可转换为所需的空间编码序列 方案实现与性能分析为了验证本文提出的方案可行性本节以面向双用户的空间双流信号发送为例完成方案的具体实现与仿真性能评估.参数设计考虑 比特调相的 的列控可重构智能表面反射单元间距为.工作频率为.双用户的位置分布考虑 种情况:对称分布在 法线两侧、不对称分布在法线两侧、分布在同一侧水平 角 具 体 设 置 为 、算法参数设计如表 所示表 算法参数粒子数量迭代次数初始位置初始速度.随机生成随机生成.空间编码序列求解假设发送信号“”对应的空间编码序列分别为 首先需要针对 设计相应的用于 算法中的适应度函数 适应度函数的设计原则是让发射方向图在需要发送“”的用户方向上对准零陷在需要发送“”的用户方向上对准主瓣并且零陷和主瓣的幅值要小于或大于接收方的判断阈值 发送不同信号时可重构智能表面的发射方向图需要满足的约束条件以及对应的适应度函数设计情况如表 所示表 空间编码序列对应方向图约束及适应度函数空间编码序列方向图约束条件适应度函数()()()()()()()()()()()()()()()()()表 中:、为权重系数、为用户、对应水平角、为当前编码序列对应的方向 信 息 工 程 大 学 学 报 年图的实际峰值位置然后按照.节中给出的各项参数以及表 中设计的适应度函数通过 算法计算出在 种用户位置分布下的空间编码序列 结果如表 所示表 不同用户位置下的空间编码序列用户位置.仿真分析根据表 中的空间编码序列由式()可以计算出双用户方向上的发射增益以及系统的发射方向图 假定每个 反射单元的反射信号功率为则经 反射后的已调信号在 方向上的总功率 可以表示为 ()()发射增益 可由式()计算得出()()最终得到的不同用户位置分布下用户、方向上的发射增益如表 所示表 不同位置分布下的用户发射增益用户位置空间编码序列用户 发射增益/用户 发射增益/.图 给出了表 中的 作为空间编码序列时发射系统的归一化幅值方向图及其对数显示 用户位置分布的 种情况下发射方向图均在双用户方向上对准零陷用户 方向上发射增益均值为.用户 方向上发射增益均值为.不考虑噪声、干扰等影响用户、均能判决出信号“”同时从图 中可以看出除了双用户方向上存在零陷外其他方向上均有一定强度的信号相较于通过中断单音馈源使得所有方向均不辐射信号的方法使用空间编码序列 虽然造成了部分能量浪费但一是可以简化操作流程只需操纵 的控制单元无需操纵单音馈源的开关二是向其他方向辐射信号可以起到部分防窃听的作用增强系统的安全可靠性图 发送信号“”的方向图 第 期操文政等:基于可重构智能表面的信息调制与空分多址 图、图 展示了空间编码序列采用表 中、时发射系统的归一化幅值方向图及其对数显示 图 中发射方向图在用户 方向上对准零陷 种情况下发射增益的均值为.符合发送“”的条件在用户 方向上对准主瓣发射增益均值为.符合发送“”的条件 图 中发射方向图在用户 方向上对准主瓣 种情况下发射增益的均值为.符合发送“”的条件在用户 方向上对准零陷发射增益均值为.符合发送“”的条件 其他方向上的最大旁瓣峰值与主瓣峰值之间相差约 系统的发射效率约为 能量使用效率较高图 发送信号“”的方向图图 发送信号“”的方向图 信 息 工 程 大 学 学 报 年 空间编码序列为表 中的 时发射系统的归一化幅值方向图及其对数显示如图 所示 种不同的用户位置分布情况下发射方向图存在两个主瓣并且在用户 方向上对准一个主瓣在用户 方向上对准另一个主瓣 用户 方向上发射增益均值为.用户 方向上发射增益均值为.符合发送信号“”的条件 除两个主瓣外最大旁瓣的峰值大约为 系统发射效率约为 综上所述采用 算法优化出的空间编码序列“、”能够实现本文提出的信息调制与空分多址方案实现用 构成的新型发射架构完成两流信号的 信息调制并通过空分发送给两个不同位置的用户 信号发送过程中能量较为集中地分布在发送“”的用户方向上系统整体发射效率大约在 左右并且发送“”时“浪费”的能量可以起到部分干扰窃听、提高安全性的作用图 发送信号“”的方向图 结束语本文提出了一种基于可重构智能表面的信息调制与空分多址方案实现了单个 发射机模型向多用户同时发送多流信号同时极大地简化了发射系统的架构和硬件复杂度 仿真结果表明采用 比特调相的 的列控可重构智能表面可以实现本方案完成面向双用户的双流信号信息调制并同时同频地空分发送 发送“”时用户方向上接收到衰减至少 左右的信号发送“”时用户方向上接收到的信号衰减不大于 (单个“”时为.)且与旁瓣之间相差至少 (单个“”时为 )存在较低能量损耗的同时具备部分防窃听效果 本方案还具有易布署、低成本、低功耗的优点结合向多个用户同时发送多流信号的特点可以考虑应用于物联网场景给多个终端发送信号的同时可以节约系统的成本和能耗参考文献:尤肖虎潘志文高西奇等.移动通信发展趋势与若干关键技术.中国科学(信息科学)():.张平牛凯田辉等.移动通信技术展望.通信学报():.周儒雅唐万恺李潇等.基于可重构智能表面的移动通信简要综述.移动通信():.推进组.()推进组正式发布总体愿景与潜在关键技术白皮书.互联网天地():.李南希朱剑驰郭婧等.可重构智能表面技术:研究进展、原型机及挑战.无线电通信技术():.第 期操文政等:基于可重构智能表面的信息调制与空分多址 姚嘉铖许威黄永明等.基于可重构智能表面的 通信技术.信号处理():.:.():.金梁孙小丽钟州等.无线通信发展范式与 的赋能作用.中兴通讯技术():.():.卢汉成王亚正赵丹等.智能反射表面辅助的无线通信系统的物理层安全综述.通信学报():.():.:.():.:.:.():.():.():.():.():.():.():.朱颢东钟勇.一种改进的模拟退火算法.计算机技术与发展():.马永杰云文霞.遗传算法研究进展.计算机应用研究():.杨维李歧强.粒子群优化算法综述.中国工程科学():.周飞燕金林鹏董军.卷积神经网络研究综述.计算机学报():.():.():.:.():.(编辑:冯 春)信 息 工 程 大 学 学 报 年