基于可重构智能表面的全双工通信方法
阅读说明：本技术 基于可重构智能表面的全双工通信方法 (Full-duplex communication method based on reconfigurable intelligent surface ) 是由 盛彬 胡丽蓉 季晨 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于可重构智能表面(RIS)的全双工(FD)通信技术,实现设备与设备(D2D)连接。本发明提出的基于RIS的全双工通信方法,可使通信双方在相同的物理资源上同时发送和接收信号,提高了系统频谱效率。通过RIS单元选择,可构造更适合全双工通信的传播环境,降低误码率。除了只反射的RIS,适用于下一代通信系统的RIS还包括可同时反射和透射的新型RIS,带有部分射频链路(RF)的混合RIS等,本发明的单元选择和虚拟星座图方法也可适用于这些RIS。(The invention discloses a Full Duplex (FD) communication technology based on a Reconfigurable Intelligent Surface (RIS), which realizes the connection between equipment and equipment (D2D). The full-duplex communication method based on the RIS can lead both communication sides to simultaneously send and receive signals on the same physical resource, thereby improving the frequency spectrum efficiency of the system. Through selection of the RIS unit, a propagation environment more suitable for full-duplex communication can be constructed, and the error rate is reduced. In addition to the reflection-only RIS, the RIS suitable for the next-generation communication system includes a novel RIS that can simultaneously reflect and transmit, a hybrid RIS with a partial radio frequency link (RF), and the like, and the cell selection and virtual constellation method of the present invention can also be applied to these RIS.)
技术领域
本发明涉及一种利用可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)实现全双工(Full Duplex，FD)通信的技术，可提高系统容量，属于移动通信系统中的信号处理领域。
背景技术
随着第五代移动通信系统(5G)进入商用阶段，第六代移动通信系统(6G)的研发拉开了序幕。6G将以全覆盖、全频谱、全应用、强安全的形式满足人们日益增长的各类通信需求，潜在的研究方向包括太赫兹通信、人工智能、超大规模MIMO技术以及可重构智能表面技术等。可重构智能表面由精心设计的电磁单元规则排列组成，这些电磁单元通常由金属、介质和可调元件构成。通过控制电磁单元中的可调元件，以可编程方式更改反射电磁波的电磁参数，例如相位和幅度。RIS通常放置于基站与用户之间，通过调整每个反射单元的参数改变入射信号的相位，使得经其反射后到达用户的信号同相叠加，增强接收信号的功率。与传统中继通信相比，RIS无需射频(RF)链路，不需要大规模供电，在功耗和部署成本上都将具有优势。
与此同时，随着电子元器件及信息技术的迅猛发展，无线通信中的自干扰消除能力得到显著提升，曾经被认为实现复杂度太高的全双工技术，正成为未来6G解决通信流量增长与频谱资源匮乏矛盾的重要途径之一。与传统的时分双工(TDD)和频分双工(FDD)不同，全双工技术可以在相同的时间和频率上同时收发信号。因此，FD的核心问题是如何消除自身的干扰。目前，通过在传输域、模拟域和数字域的算法，总体上可以消除上百分贝(dB)的自干扰，在一定程度上可以满足多数FD系统的实用需要。本发明提出一种基于可重构智能表面的全双工通信技术，使相互距离较远的用户能建立连接，并在相同的时频资源上同时收发信息。为了消除自干扰，通过设置参数γA和γB，对反射单元进行选择，构造更适合FD传输的无线信道环境，有效降低了接收端的误码率，提高了系统容量。本发明计算复杂度低，不需要增加任何额外的器件，可用于不同类型的RIS系统。
发明内容
技术问题：发明的目的是通过对RIS上的单元进行选择，可使通信双方在相同的物理资源上同时收发信号，提高系统容量，并据此进一步提供一种快速可靠、实现复杂度低的发送方法。
技术方案：为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
步骤1)、用户A发送导频，基站控制智能表面依次开启第1到M个单元，每次只开启1个，并将开启单元的反射系数设为1，用户B不发送也不接收信号；
步骤2)、根据发送的导频，用户A依次估计其与智能表面之间的信道其中m＝1,2,...,M，并将信道参数反馈给基站；
步骤3)、用户B发送导频，基站控制智能表面依次开启第1到M个单元，每次只开启1个，并将开启单元的反射系数设为1，用户A不发送也不接收信号；
步骤4)、根据发送的导频，用户B依次估计其与智能表面之间的信道其中m＝1,2,...,M，并将信道参数反馈给基站；
步骤5)、基站依次计算和并将满足或的单元序号m，存储为集合S；
步骤6)、基站控制智能表面，关闭集合S以外的单元，并将集合S内的单元的反射系数设为其中αm为的相角；
步骤7)、用户A和用户B同时发送和接收信号；
其中，|·|表示取模操作；j表示虚数单位。可重构智能表面共有M个单元，用户A和B都只有1根天线。γA和γB为系统设置参数，可离线计算。
有益效果：
1.本发明提出的基于RIS的全双工通信技术，可使通信双方在相同的物理资源上同时发送和接收信号，提高了系统频谱效率。
2.通过RIS单元选择，可构造更适合全双工通信的传播环境，降低误码率。
除了只反射的RIS，适用于下一代通信系统的RIS还包括可同时反射和透射的新型RIS，带有部分射频链路(RF)的混合RIS等，本发明的单元选择和虚拟星座图方法也可适用于这些RIS。
附图说明
图1基于RIS单元选择的全双工通信技术原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好的理解本发明。需要特别注意的是，在以下的描述中，由于对一些已知的技术和功能的详细描述可能会淡化本发明的内容，这些描述在这里将被忽略。
考虑一个RIS辅助的窄带(Narrow-band)通信系统，具有全双工通信能力的用户A和B各有一根天线。RIS由基站(BS)或其它的控制单元控制，且有M个单元，每个单元可反射到达的入射信号，反射系数为其中m＝1,2,...,M。由于每个单元都是无源的被动反射元件，所以假设用户A和B之间相隔距离较远，或有障碍物，如：大楼，遮挡，它们之间不存在直接连通的信道，相互发送的信号只能通过RIS的反射后到达对方，如图1所示。另外，用户A和B采用现有的通信协议及链路已经与RIS的控制单元建立联系，如：通过上行信道(Uplink)与BS连接，并已经配对完成，准备进行通信。
本发明提出的全双工通信方法分为两个阶段，分别为信道估计阶段和数据传输阶段。在信道估计阶段，用户A发送导频信号，基站控制RIS打开第1个单元，关闭其它单元，同时将反射系数设为1。用户B保持静默，及既不发送信号，也不接收信号。经过频率平坦性(Frequency-flat)衰落信道，用户A接收到的离散基带等效信号(Discrete-timeEquivalent Baseband Signal)为：
其中，xp(n)表示用户A在第n个时刻发送的导频信号；PA表示用户A的发送功率；表示第n个时刻的加性白高斯噪声(AWGN)；β1(n)表示RIS第1个单元在第n个时刻设置的反射系数。gA(n)表示用户A发送天线和接收天线之间第n个时刻的自干扰信道，由于该信道可以在产品出厂前或开机时测量，所以在本发明中假设已知。表示用户A的发送天线与RIS第1个单元之间的信道；表示RIS第1个单元与用户A接收天线之间的信道。假设信道相干时间(Coherence Time)远大于信道估计和数据传输时间，可认为信道在此期间保持不变。为了简化表示，在下面的分析中可去除时间序号n。同时，由于用户A的发送天线和接收天线距离较近，根据信道互易(Reciprocal Channel)原理，我们得到和
由于接收端已知xp(n)和gA，可得到用户A的发送与接收天线之间经过RIS反射的复合信道的估计为：
假设在第n+1时刻，基站控制RIS打开第2个单元，关闭其它单元，同时将反射系数设为1。用户B保持静默，及既不发送信号，也不接收信号。此时，用户A接收到的离散基带等效信号为：
其中，表示用户A的发送天线(或接收天线)与RIS第2个单元之间的信道；表示AWGN噪声。由于接收端已知xp(n)，可得到基站与用户A之间经过RIS反射的复合信道的估计为：
使用相同的方法，用户A最终可以得到其与RIS所有单元之间的复合信道估计其中m＝1,2,...,M，并将它们反馈到基站。
接下来，用户B发送导频信号，基站控制RIS打开第1个单元，关闭其它单元，同时将反射系数设为1。此时，用户A保持静默，及既不发送信号，也不接收信号。通常，由于反射系数在相干时间内是保持不变的，所以可以忽略其时间序号n。假设用户A估计信道花了M个时间片，则用户B在第n+M时刻发送导频，其接收天线接收到的离散基带等效信号为：
其中，xp(n+M)表示用户B在第n+M个时刻发送的导频信号；PB表示用户B的发送功率；表示第n+M个时刻的AWGN。gB表示用户B发送天线和接收天线之间的自干扰信道，由于该信道可以在产品出厂前或开机时测量，所以在本发明中假设已知。表示用户B的发送天线与RIS第1个单元之间的信道；表示RIS第1个单元与用户B接收天线之间的信道。根据信道互易原理，我们得到和
由于接收端已知xp(n+M)和gB，可得到用户B的发送与接收天线之间经过RIS反射的复合信道的估计为：
使用相同的方法，用户B最终可以得到其与RIS所有单元之间的复合信道估计其中m＝1,2,...,M，并将它们反馈到基站。
基站从m＝1开始，依次分别计算和并将满足或的单元序号m，存储为集合S。γA和γB为系统设置参数，可离线计算，也可在线计算，比如： 接下来，基站还需计算集合S中复合信道的相角。假设为的相角，为的相角，得到：
在数据传输阶段，基站控制RIS关闭集合S以外的单元，并将集合S内的单元的反射系数设为假设第n个时刻，用户A和用户B在相同的时频资源上发送信号和此时，用户A接收到的信号为：
用户B接收到的信号为：
公式[十一]和[十二]右边第1项为有用信号，第2项为自干扰项，第3项为AWGN。接收信号的信干噪比(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio，SINR)分别为：
和
其中表示噪声方差。由公式[十三]和[十四]可以看到，本发明通过单元选择，选出了大于和的单元，因而增大了信干噪比，降低了误码率。由于接收算法可采用现有的技术，这里不再赘述。
据以上描述，可以得到一种基于可重构智能表面的全双工通信技术实现步骤如下：
步骤1)、用户A发送导频，基站控制智能表面依次开启第1到M个单元，每次只开启1个，并将开启单元的反射系数设为1，用户B不发送也不接收信号；
步骤2)、根据发送的导频，用户A依次估计其与智能表面之间的信道其中m＝1,2,...,M，并将信道参数反馈给基站；
步骤3)、用户B发送导频，基站控制智能表面依次开启第1到M个单元，每次只开启1个，并将开启单元的反射系数设为1，用户A不发送也不接收信号；
步骤4)、根据发送的导频，用户B依次估计其与智能表面之间的信道其中m＝1,2,...,M，并将信道参数反馈给基站；
步骤5)、基站依次计算和并将满足或的单元序号m，存储为集合S；
步骤6)、基站控制智能表面，关闭集合S以外的单元，并将集合S内的单元的反射系数设为其中αm为的相角；
步骤7)、用户A和用户B同时发送和接收信号。
其中，|·|表示取模操作；j表示虚数单位。可重构智能表面共有M个单元，用户A和B都只有1根天线。γA和γB为系统设置参数，可离线计算。