阅读说明：本技术 一种主动式智能反射表面设计方法 (Active intelligent reflection surface design method ) 是由 梁应敞 龙睿哲 于 2020-03-30 设计创作，主要内容包括：本发明属于无线通信设备技术领域,具体涉及一种主动式智能反射表面设计方法。本发明采用M个基于负阻抗电路的反射单元构成智能反射表面,每个反射单元通过有源电路具备负阻抗特性,每个反射单元包含K个可选的负阻抗电路,反射单元通过开关改变接入负阻抗Z<Sub>L</Sub>来改变入射信号的相位与幅度的大小,通过改变负阻抗电路负载的电抗值,即可实现反射单元到天线阻抗的匹配。本发明的方法可用于各类通信系统中,通过对入射信号进行相位调整与幅度放大,极大地增强了入射信号的强度,从而提升无线通信的传输效率。(The invention belongs to the technical field of wireless communication equipment, and particularly relates to a design method of an active intelligent reflection surface. The invention adopts M reflection units based on negative impedance circuit to form an intelligent reflection surface, each reflection unit has negative impedance characteristic through an active circuit, each reflection unit comprises K selectable negative impedance circuits, and the reflection units change access negative impedance Z through switches L The phase and amplitude of the incident signal are changed, and the impedance value of the load of the negative impedance circuit is changed, so that the impedance of the antenna can be matched by the reflection unit. The method can be used in various communication systems, and greatly enhances the strength of the incident signal by carrying out phase adjustment and amplitude amplification on the incident signal, thereby improving the transmission efficiency of wireless communication.)

一种主动式智能反射表面设计方法

技术领域

本发明属于无线通信设备技术领域，具体涉及一种主动式智能反射表面设计方法。

背景技术

随着移动互联网与物联网的爆炸式发展，未来通信网络面对着设备持续增长带来的巨流量，巨连接的重大挑战。特别地，在6G新愿景下，通信网络需要实现Tbps级的超巨流量通信，以及支撑每平方米数十终端的超巨连接通信。亟需实现高谱效、高能效的新型传输技术。

近年来，智能反射表面可以部署多个反射单元对无线信道进行智能重编程，从而改善信号的传输质量。因其布置简单，且不需要复杂的主动射频电路器件，如数模转换器，振荡器，上变频器以及功率放大器等，智能反射表面通信被视为下一代高谱效，高能效的通信技术。

传统智能反射表面通信系统需要配置大规模的被动反射单元以解决自身反射能力弱，路径损耗大等问题，导致电路成本，空间成本，以及能耗成本大幅提升。基于负阻抗设计的主动反射单元通过引入有源电路，使得其能够反射放大入射信号，大幅提升自身反射能力，提高信号传输效率。现有主动反射单元已广泛用于反射通信系统中，以增加系统传输范围。智能反射通信系统可以利用主动反射单元进一步改善信号传输性能，进而提高频谱利用效率。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于负阻抗的主动式智能反射表面通信设备设计方法，本发明的主动式智能反射表面设备可用于辅助无线通信信号传输，进一步提高无线通信系统的频谱效率与能量效率。具体而言，在主动式智能反射表面中，每一个独立的反射单元可利用有源电路实现负阻抗特性，对入射信号进行相位调整使得多路反射信号在接收机处相互增强或抵消，同时对入射信号进行幅度放大。

本发明采用的技术方案是：

一种主动式智能反射表面设计方法，采用M个基于负阻抗电路的反射单元构成智能反射表面，每个反射单元通过有源电路具备负阻抗特性，每个反射单元包含K个可选的负阻抗电路，反射单元通过开关改变接入负阻抗Z_L来改变入射信号的相位与幅度的大小，即反射系数Γ为：

其中，Z_A为天线阻抗；以往基于正阻抗设计的反射单元有|Γ|²≤1，本发明将负阻抗负载引入智能反射表面的反射单元中，可实现入射信号的反射放大。

对加载偏置电压为V_bias的负阻抗电路，对功率为P_in、频率为f_in的入射信号，负阻抗电路负载的阻抗值为：

Z_L(f_in,V_bias,P_in)＝-R_L+jX_L,R_L>0

其中，-R_L和X_L分别表示负阻抗电路负载的电阻值与电抗值，通过改变负阻抗电路负载的电抗值，使得X_L＝-X_A，X_A表示天线的等效电抗，即可实现反射单元到天线阻抗的匹配。

考虑天线电阻有Z_A＝R_A+jX_A，对于负阻抗的反射单元，其反射系数有

从上式可观察，反射系数的幅度大于1，故基于负阻抗的反射单元能够实现入射信号的放大。上述所提到的负阻抗负载可通过隧道二极管以及互补金属氧化物半导体(CMOS)等有源器件实现。

作为一种优选方式，本发明方案中负阻抗电路为基于隧道二极管构建的，负阻抗电路包括隧道二极管、偏置电压、偏置电容、偏置电感、直流过滤电容、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6，第一电阻R1的一端接开关，另一端通过直流过滤电容后接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端依次通过第三电阻R3和偏置电感后接偏置电压，第二电阻R2和第三电阻R3的连接点依次通过第四电阻R4和第五电阻R6后接隧道二极管的阳极，隧道二极管的阴极接地，第四电阻R4和第五电阻R5的连接点依次通过第六电阻R6和偏置电容后接地。

本发明的有益效果为，本发明提出一种主动式智能反射表面设备设计方案，该主动式智能反射表面可用于各类通信系统中，该设备通过对入射信号进行相位调整与幅度放大，极大地增强了入射信号的强度，从而提升无线通信的传输效率。方案实施简单，且可证明能实现高于为无主动式智能表面辅助的通信系统的传输效率，具有很强的应用价值。

附图说明

图1示出了本发明的主动式智能反射表面设备构成；

图2示出了本发明提出的一种负阻抗实现电路框图；

图3示出了本发明所考虑的一种主动式智能反射表面辅助的无线通信系统；

图4示出了本发明所考虑的一种主动式智能反射表面辅助的无线通信系统信噪比与反射单元幅度的性能曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述：

以一基于负阻抗的主动式智能反射表面为例。如图1所示，本发明考虑在主动式智能反射表面设备部署M(M≥1)个基于负阻抗的反射单元；每个反射单元有K(K≥1)个负载阻抗(包括负阻抗)可选；负阻抗可通过图2所示基于隧道二极管的电路所实现(负阻抗实现电路的方式多种多样，采用隧道二极管电路实现只是其中一种方式)。在图2电路中，C_dc为直流过滤电容，C_bias为偏置电容，L_bias为偏置电感，V_bias为偏置电压，R_i,i＝1,...,6为电阻，可通过设计具体电阻值使得整体电路阻抗Z_L与天线电阻匹配。

基于图1设计的主动式智能反射表面设备，本发明以如下主动式智能反射表面辅助的通信系统为例，进一步详细描述主动式智能反射表面的性能以及可使用方法。

如图3所示，本发明考虑主动式智能反射表面辅助的通信系统如下所示，主动式智能反射表面设备部署M(M≥1)个基于负阻抗的反射单元，发送机与接收机均为单天线。假定发送机传输信号s(n)为零均值方差为1的信号，发射功率为p_t。接受机信号y(n)可表示如下

其中，表示发送机到接收机的直接链路信道，表示发送机到智能反射表面设备的信道，表示智能反射表面设备到接收机的信道，上述两者一起构成智能反射表面辅助信道；为智能反射表面的反射系数对角矩阵，其中φ_m∈{Γ₁,Γ₂,...,Γ_K},m＝1,...,M表示第m反射单元的反射系数，反射系数Γ_k的选取可以通过反射单元将其开关接通阻抗负载实现。为方便起见，每个反射系数又可表示为a_m与θ_m表示第m个反射系数的幅度与相位，对于主动式智能反射表面设备而言，其反射系数幅度能够大于1；和分别表示在接收机与智能反射表面设备引入的高斯白噪声向量，其协方差矩阵分别为和 和分别代表接收信号在接收机和主动式智能反射表面的噪声功率，(I代表单位矩阵)。

故在接收机处接收到的信噪比为：

如下将给出仿真结果验证上述主动式智能反射表面设计的有效性。我们考虑如下仿真设计，主动式智能反射表面有M＝1，信道增益有设置有|h₁|²＝0.2|h₂|²＝0.5，|g|²＝0.8，并且智能反射表面的反射单元相位有θ＝arg(h₁)-arg(h₂)-arg(g)其中arg()表示取相角操作。该相位选取可使得智能反射辅助链路的信号与直接链路的信号同相相加。考虑发送信噪比有

图4比较了改变反射单元幅度的情况下，本发明所提出主动式智能反射表面设计对该无线通信信噪比的影响曲线。可以看出，相比较没有主动式智能反射表面(a＝0)以及只有被动式智能反射表面(a＝1)的情况，在最优幅度设计(a＝a^*)下,本发明所提出的主动式智能反射表面能够提供更好的信噪比提升。因此本发明提出的主动式智能反射表面设计具有很强的实用价值，提高其辅助的通信系统传输性能。