基于可重构智能表面的时频混叠信号分离方法及系统与流程

1.本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于可重构智能表面的时频混叠信号分离方法及系统。


背景技术：

2.可重构智能超表面ris是在平面上集成大量低成本的反射元件，通过智能地调整、配置这些元器件，可以对无线传播环境进行调控，从而提高无线通信网络的性能。智能超表面最大的特点是可编程，智能超表面是由很多独立的由超材料组成的反射单元组成的，通过调整这些反射独立单元的工作状态，就可以影响电磁波的传输特性，包括相位控制、幅度控制等，从而对被反射的无线信号产生调控的效果。
3.作为一种极具竞争力和发展潜力的技术，可重构智能超表面ris辅助通信可以实现无线信道智能可控，改善传输信号的质量并提高通信系统的性能。目前国内外常用的多路混叠信号分离方法为时频分析和盲源分离。其中时频分析是将信号变换到时频域上，利用时域与频域的联合分布信息来对信号进行分析处理的方法；而盲源分离是指在没有源信号和传输信道的先验知识情况下，仅依据观测到的混合信号直接分离出源信号的方法，主要基于“两步法”的思路来完成，即首先根据观测信号估计得到混合矩阵，然后结合混合矩阵，通过优化算法实现源信号的分离。事实上，对于单通道的信号分离处理来说，不论是哪一种解决思路，都是需要更多的信号先验知识才能够解决单通道这一“极端欠定”的数学问题，只有合理挖掘并充分利用问题的先验信息才是处理这类问题的关键。因此，基于可重构智能超表面ris来对多路源信号进行分离处理成为多路信号混叠接收的一种途径。


技术实现要素：

4.为此，本发明提供一种基于可重构智能表面的时频混叠信号分离方法及系统，解决现有技术中时频分析和盲源分离对多路混叠信号分离中的不足，围绕多路信号混叠接收的问题，从提高接收端天线单元空间自由度入手，通过实时重构ris上的亚波长单元，使单天线接收单元具备在同一空时维度上感知更多自由度的能力，从而实现多源信号的接收与分离。
5.按照本发明所提供的设计方案，提供一种基于可重构智能表面的时频混叠信号分离方法，包含：
6.基于可重构智能表面ris并通过调控可重构智能表面ris阵面上亚波长单元实时捷变来感知电磁波并产生线性无关的辐射方向图；
7.对反射信号进行快拍观测采样，通过时空联合处理来分离接收多路时频混叠信号。
8.作为本发明基于可重构智能表面的时频混叠信号分离方法，进一步地，基于可重构智能表面ris并通过调控可重构智能表面ris阵面上亚波长单元实时捷变来感知电磁波并产生线性无关的辐射方向图，包含：
9.首先，构建基于可重构智能表面ris反射协助的下行通信系统模型，在模型中设定g个单天线用户在同一时频资源单元下发射信号，并基于m
×
n维可重构智能表面ris反射后被接收用户接收；
10.接着，初始化ris辐射方向图，g个单天线用户分别将各自导频数据和业务数据合成一路数据并进行发射，且g个单天线用户的导频数据相互正交；
11.然后，利用ris超表面控制器调整ris亚波长单元在每个导频数据符号内的捷变来感知电磁波并产生线性无关的辐射方向图。
12.作为本发明基于可重构智能表面的时频混叠信号分离方法，进一步地，下行通信系统模型中，利用装备有g根发射天线用户来替换用于发射信号的g个单天线用户。
13.作为本发明基于可重构智能表面的时频混叠信号分离方法，进一步地，基于m
×
n维可重构智能表面ris反射后被接收用户接收，接收信号表示为：
14.其中，φ(θ)表示系统模型中接收阵元的辐射方向图，θ为来波方向，l为来波方向个数，a
1n
(θ
l
)为第n个无线信道对应的第l条来波方向信道。
15.作为本发明基于可重构智能表面的时频混叠信号分离方法，进一步地，利用ris超表面控制器调整ris亚波长单元在每个导频数据符号内的捷变来感知电磁波并产生线性无关的辐射方向图，还包含：设定在一个导频数据符号内的捷变次数为k，且k≥g，其中，g为发射信号路数。
16.作为本发明基于可重构智能表面的时频混叠信号分离方法，进一步地，对反射信号进行快拍观测采样，通过时空联合处理来分离接收多路时频混叠信号，包含：
17.首先，利用辐射方向图对发射端导频数据符号进行快拍观测采样；
18.然后，利用本地存储导频序列估计发射端g个单天线用户的辐射方向图等效信道参数，并对到达自身的反射信号数据进行快拍采样，根据辐射方向图等效信道参数并利用单天线对时频混叠信号进行分离接收。
19.作为本发明基于可重构智能表面的时频混叠信号分离方法，进一步地，根据辐射方向图等效信道参数并利用单天线对时频混叠信号进行分离接收，包含：利用空域滤波采样形成等效mimo信道，以通过等效mimo信道来对多路时频混叠信号进行分离接收。
20.进一步地，本发明还提供一种基于可重构智能表面的时频混叠信号分离系统，包含：ris捷变调控模块和信号分离接收模块，其中，
21.ris捷变调控模块，用于基于可重构智能表面ris并通过调控可重构智能表面ris阵面上亚波长单元实时捷变来感知电磁波并产生线性无关的辐射方向图；
22.信号分离接收模块，用于对反射信号进行快拍观测采样，通过时空联合处理来分离接收多路时频混叠信号。
23.本发明的有益效果：
24.本发明在信号接收过程中采用ris协助的单天线接收系统，ris作为反射平面可灵活部署在接收机附近，具有体积小、功耗低、隐蔽性好、可控性强等优势；当发射端与接收端
之间有不可逾越的障碍物时，它们之间就是非视距信道，如果信号传播环境单一，缺乏反射径的话，终端所能接收到的信号是非常微弱的，由于ris可以操控反射波束，可将其部署在某便于对准盲区终端的位置，这就相当于创建了虚拟的视距路径，扩展了小区的覆盖范围；通过实时快速重构ris上的亚波长单元，使单天线接收单元具备在同一空时维度上感知更多自由度的能力，进一步提高了接收用户对信道估计的精度，从而有效提升用户通信质量；且ris的部署使得原本复杂繁琐的多路盲信号分离算法得以简化，大大降低接收机处理复杂度，便于实际部署实施。
附图说明：
25.图1为实施例中基于可重构智能表面的时频混叠信号分离流程示意；
26.图2为实施例中基于ris的多路盲信号分离算法原理示意；
27.图3为实施例中多路混叠信号传播示意；
28.图4为实施例中反射型ris天线接收流程示意；
29.图5为实施例中接收型ris天线接收流程示意；
30.图6为实施例中基于ris辅助的两路信号接收数据帧格式示意。
具体实施方式：
31.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。
32.基于背景技术中所述的问题，本发明实施例，提供一种基于可重构智能表面的时频混叠信号分离方法，参见图1所示，包含如下步骤：
33.s1，基于可重构智能表面ris并通过调控可重构智能表面ris阵面上亚波长单元实时捷变来感知电磁波并产生线性无关的辐射方向图。
34.具体地，可设计为包含如下内容：
35.首先，构建基于可重构智能表面ris反射协助的下行通信系统模型，在模型中设定g个单天线用户在同一时频资源单元下发射信号，并基于m
×
n维可重构智能表面ris反射后被接收用户接收；
36.接着，初始化ris辐射方向图，g个单天线用户分别将各自导频数据和业务数据合成一路数据并进行发射，且g个单天线用户的导频数据相互正交；
37.然后，利用ris超表面控制器调整ris亚波长单元在每个导频数据符号内的捷变来感知电磁波并产生线性无关的辐射方向图。
38.假设有g个单天线用户sg，g∈{1,2,...,g},向一个单天线用户u发射信号，其中g个单天线用户也可以被视为一个装备g根发射天线的用户，在同一时频资源单元下发射g路数据。g路数据经一m
×
n维ris反射后可以被用户u接收，ris具备在一个符号内多次捷变的能力。参见图2所示，首先，初始化ris方向图，待初始化完毕后，g个单天线用户分别将各自的导频数据和业务数据合成一路数据并发射，其中g路数据内的导频数据相互正交。接着，通过ris超表面控制器(mcu/fpga)控制ris上的亚波长单元在每个导频符号内捷变，利用生成的k个线性无关的方向图对导频符号进行k次快拍观测和采样。然后，接收方利用本地存储的导频序列，分别估计g个用户的k种方向图的等效信道参数，从而得到k*g个信道参数。
最后，信道参数估计完毕后，接收用户u对到达自身的数据信号进行k次快拍观测和采样，并根据得到的信道参数，实现利用单天线对k路数据信号的分离和解调。
39.下行通信系统模型中，利用装备有g根发射天线用户来替换用于发射信号的g个单天线用户。为获得收发节点之间的信道状态信息，可设置在一个导频符号内ris的捷变次数大于等于信号路数，即k≥g。
40.需要注意说明的是，本案方案中的发送方可为单个发送端配备多天线，也可以为多个发送端配备单天线，接收方可为单个接收端配备单天线。方向图包含天线对不同来向信号的幅度与相位响应。
41.在基于ris协助的单天线多路信号接收系统中，接收机所接收信号可以被表示为
[0042][0043]
其中，y1表示接收信号，[h
11
...h
1n
]表示无线信道，[x1...xn]
t
表示多路发送信号，n1表示噪声。由于各路信号发送为同时同频，因此，无法从时频域上实现多路信号的分离接收，而由于接收只有单天线，在空域上无法直接采用多维信号处理方式。
[0044]
可重构智能超表面ris通过改变粒子(亚波长单元)状态，能够快速构成多种方向图，实现空域滤波，从而提高空域信号处理性能。无线信号的广播特性导致信号到达接收阵元时信号经历多条路径，而接收方向图对不同角度来波将会产生不同影响。如说明书附图3所示。
[0045]
接收阵元的方向图由φ(θ)表示，其中θ为来波方向。假设所有各路信号由l个方向到达接收机，即{θ1,...,θ
l
}，经历的l条径信道分别为{a(θ1),...,a(θ
l
)}，则式(1)中的信道可由下式所示，即
[0046][0047]
接收信号为
[0048][0049]
s2、对反射信号进行快拍观测采样，通过时空联合处理来分离接收多路时频混叠信号。
[0050]
具体地，可设计为包含如下内容：
[0051]
首先，利用辐射方向图对发射端导频数据符号进行快拍观测采样；
[0052]
然后，利用本地存储导频序列估计发射端g个单天线用户的辐射方向图等效信道参数，并对到达自身的反射信号数据进行快拍采样，根据辐射方向图等效信道参数并利用单天线对时频混叠信号进行分离接收。
[0053]
其中，根据辐射方向图等效信道参数并利用单天线对时频混叠信号进行分离接收，包含：利用空域滤波采样形成等效mimo信道，以通过等效mimo信道来对多路时频混叠信号进行分离接收。
[0054]
本案实施例中，利用可重构智能表面ris的方向图捷变能力，在一个接收符号内改变k次方向图，方向图之间线性无关，则
[0055][0056]
利用空域滤波采样形成等效mimo信道完成多路信号分离接收。
[0057]
根据ris天线对信号调控处理方式的不同，可以分为反射性和接收型ris天线，对于上述两种天线，实现混叠信号接收的系统结构分别如附图4和附图5所示。以基于ris反射协助的单天线接收机接收2路信号为例。信号数据帧格式如附图6所示，分为导频符号部分与数据符号部分，每个符号的持续时间为t，采用不同方式进行处理。
[0058]
导频符号处理阶段，两部发射机分别发送导频信号s1、s2，导频序列长度均为n，s1、s2相互之间为正交关系。由发射机经ris反射面到达单天线接收机的多径信道分别为a
11
、a
12
。接收机的方向图为φ，假设ris在一个导频符号持续时间内变化k次，记第k次的方向图为φk。则在导频处理阶段，接收信号如下
[0059][0060]
利用s1、s2之间的正交性，计算数据符号接收方向图ψ，即
[0061][0062][0063]
其中为伪逆运算。由式(7)可以看出，ψ实际上是φ的线性组合，而组合系数由式(6)得到，又由于方向图与ris粒子状态之间存在傅里叶变换关系，因此φ对应的粒子状态采用该线性组合系数处理即可得到ψ对应的粒子状态。
[0064]
数据符号处理阶段，在数据符号处理阶段，假设ris反射面方向图在一个数据符号持续时间内捷变2次，即ψ1、ψ2，各持续t/2。此时接收机所接收信号可表示如下：
[0065][0066]
进一步地，基于上述的方法，本发明实施例还提供一种基于可重构智能表面的时频混叠信号分离系统，包含：ris捷变调控模块和信号分离接收模块，其中，
[0067]
ris捷变调控模块，用于基于可重构智能表面ris并通过调控可重构智能表面ris阵面上亚波长单元实时捷变来感知电磁波并产生线性无关的辐射方向图；
[0068]
信号分离接收模块，用于对反射信号进行快拍观测采样，通过时空联合处理来分离接收多路时频混叠信号。
[0069]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。
[0070]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0071]
结合本文中所公开的实施例描述的各实例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能是以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域普通技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不认为超出本发明的范围。
[0072]
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如：只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
[0073]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种基于可重构智能表面的时频混叠信号分离方法，其特征在于，包含：基于可重构智能表面ris并通过调控可重构智能表面ris阵面上亚波长单元实时捷变来感知电磁波并产生线性无关的辐射方向图；对反射信号进行快拍观测采样，通过时空联合处理来分离接收多路时频混叠信号。2.根据权利要求1所述的基于可重构智能表面的时频混叠信号分离方法，其特征在于，基于可重构智能表面ris并通过调控可重构智能表面ris阵面上亚波长单元实时捷变来感知电磁波并产生线性无关的辐射方向图，包含：首先，构建基于可重构智能表面ris反射协助的下行通信系统模型，在模型中设定g个单天线用户在同一时频资源单元下发射信号，并基于m
×
n维可重构智能表面ris反射后被接收用户接收；接着，初始化ris辐射方向图，g个单天线用户分别将各自导频数据和业务数据合成一路数据并进行发射，且g个单天线用户的导频数据相互正交；然后，利用ris超表面控制器调整ris亚波长单元在每个导频数据符号内的捷变来感知电磁波并产生线性无关的辐射方向图。3.根据权利要求2所述的基于可重构智能表面的时频混叠信号分离方法，其特征在于，下行通信系统模型中，利用装备有g根发射天线用户来替换用于发射信号的g个单天线用户。4.根据权利要求2所述的基于可重构智能表面的时频混叠信号分离方法，其特征在于，基于m
×
n维可重构智能表面ris反射后被接收用户接收，接收信号表示为：n维可重构智能表面ris反射后被接收用户接收，接收信号表示为：其中，φ(θ)表示系统模型中接收阵元的辐射方向图，θ为来波方向，l为来波方向个数，a
1n
(θ
l
)为第n个无线信道对应的第l条来波方向信道。5.根据权利要求2所述的基于可重构智能表面的时频混叠信号分离方法，其特征在于，利用ris超表面控制器调整ris亚波长单元在每个导频数据符号内的捷变来感知电磁波并产生线性无关的辐射方向图，还包含：设定在一个导频数据符号内的捷变次数为k，且k≥g，其中，g为发射信号路数。6.根据权利要求1所述的基于可重构智能表面的时频混叠信号分离方法，其特征在于，对反射信号进行快拍观测采样，通过时空联合处理来分离接收多路时频混叠信号，包含：首先，利用辐射方向图对发射端导频数据符号进行快拍观测采样；然后，利用本地存储导频序列估计发射端g个单天线用户的辐射方向图等效信道参数，并对到达自身的反射信号数据进行快拍采样，根据辐射方向图等效信道参数并利用单天线对时频混叠信号进行分离接收。7.根据权利要求6所述的基于可重构智能表面的时频混叠信号分离方法，其特征在于，根据辐射方向图等效信道参数并利用单天线对时频混叠信号进行分离接收，包含：利用空域滤波采样形成等效mimo信道，以通过等效mimo信道来对多路时频混叠信号进行分离接收。
8.一种基于可重构智能表面的时频混叠信号分离系统，其特征在于，包含：ris捷变调控模块和信号分离接收模块，其中，ris捷变调控模块，用于基于可重构智能表面ris并通过调控可重构智能表面ris阵面上亚波长单元实时捷变来感知电磁波并产生线性无关的辐射方向图；信号分离接收模块，用于对反射信号进行快拍观测采样，通过时空联合处理来分离接收多路时频混叠信号。9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1～7任一项所述的方法。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器之行时实现如权利要求1～7任一项所述的方法。

技术总结
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于可重构智能表面的时频混叠信号分离方法及系统，基于可重构智能表面RIS并通过调控可重构智能表面RIS阵面上亚波长单元实时捷变来感知电磁波并产生线性无关的辐射方向图；对反射信号进行快拍观测采样，通过时空联合处理来分离接收多路时频混叠信号。本发明能够解决现有技术中时频分析和盲源分离对多路混叠信号分离中的不足，围绕多路信号混叠接收的问题，从提高接收端天线单元空间自由度入手，通过实时重构RIS上的亚波长单元，使单天线接收单元具备在同一空时维度上感知更多自由度的能力，实现多源信号接收与分离，提高接收用户对信道估计的精度，提升用户通信质量，降低接收机处理复杂度，便于部署实施。便于部署实施。便于部署实施。


技术研发人员：金梁 楼洋明 钟州 马克明 周游 许晓明 黄开枝 周司易 高晓兵 申旻
受保护的技术使用者：网络通信与安全紫金山实验室
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/10/15