基于余弦相似度的智能反射面相移设计方法

专利类型 发明授权 法律事件 公开; 实质审查; 授权;
专利有效性 有效专利 当前状态 授权
申请号 CN202211606844.1 申请日 2022-12-14
公开(公告)号 CN116016074B 公开(公告)日 2024-06-25
申请人 东华大学; 申请人类型 学校
发明人 李昂举; 吴贇; 蒋学芹; 白恩健; 海涵; 第一发明人 李昂举
权利人 东华大学 权利人类型 学校
当前权利人 东华大学 当前权利人类型 学校
省份 当前专利权人所在省份:上海市 城市 当前专利权人所在城市:上海市长宁区
具体地址 当前专利权人所在详细地址:上海市长宁区延安西路1882号 邮编 当前专利权人邮编:200051
主IPC国际分类 H04L27/18 所有IPC国际分类 H04L27/18H04L27/20H04B7/145
专利引用数量 0 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 4 专利文献类型 B
专利代理机构 北京力量专利代理事务所 专利代理人 刘一霖;
摘要 本 发明 提出了一种基于余弦相似度的智能反射面 相移 设计方法。在发射端进行空移键控调制时,以最大化不同发射向量对应理想接收 信号 之间的欧氏距离为目标来设计相移,降低发射天线索引检测错误的概率,改善通信系统的误码率性能。此外,本发明在发射端有多根天线时,针对提出的相移设计方法设计了一种基于余弦相似度的 算法 ,该算法可以最大化不同发射向量对应理想接收信号之间的欧氏距离,改善通信系统的误码率性能,同时以较低的复杂度计算出智能反射面反射单元的相移,保证了可靠通信。
权利要求

1.一种基于余弦相似度的智能反射面相移设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)建立智能反射面MISO无线通信系统模型:发射端与接收端的直接通信链路被障碍物阻碍,所以发射端只能在智能反射面的辅助下通过反射链路与接收端进行通信;发射端有Nt根天线,且进行SSK调制,从索引为l的发射天线向智能反射面发送未经调制的载波信号,带有N个反射单元的智能反射面以特定相移对入射的未调制信号进行反射,接收端有1根接收天线,接收从智能反射面反射来的信号;
(2)以最大化发射端SSK调制时不同发射向量对应理想接收信号之间的欧氏距离为目标来设计智能反射面反射单元的相移。
2.根据权利要求1所述的智能反射面相移设计方法,其特征在于,智能反射面的反射系数向量表示为 其中, βi和θi分别表示智能反射面
反射单元的反射振幅和反射相位,其中βi∈[0,1],θi∈[0,2π);i∈{1,2,…,N},表示智能反射面的第i个反射单元,在考虑智能反射面反射单元最大反射的情况下,令βi=1,因此那么反射系数向量进一步改写为 W是反射系数向量Φ
的对化矩阵,W=diag{Φ};
智能反射面与发射端之间的子信道 令gil表示第i个反射单元和第l个发射单
元之间的信道,接收端与智能反射面之间的子信道 令fi表示接收天线和第i个反射单元之间的信道,i∈{1,2,…,N},l∈{1,2,…,Nt};当发射端进行SSK调制并激活第l根天线时,接收端的接收信号表示如下:
y=FWGel+n=FWgl+n    (1)
其中,el是发射端SSK信号,gl表示信道G的第l列,即第l根发射天线和智能反射面之间的信道,n表示的是接收端的高斯白噪声,并且服从均值为0,方差为N0的分布;在信号接收端,使用基于穷举搜索的最大似然检测算法进行解调。
3.根据权利要求2所述的智能反射面相移设计方法,其特征在于,步骤(2)的具体过程为:根据接收信号公式(1),不同发射向量对应理想接收信号之间的欧式距离表示为:
是发射天线索引l的估计值, 表示信道G的第 列,即第 根发射天线和智能反射面之间的信道问题描述如下:
当发射端有多根天线时,dmin难以直接确定,通过尽可能的使不同发射向量对应理想接收信号之间的欧氏距离最大来设计相移;具体而言,最优的反射相位计算如下:
其中gil是第l根发射天线和第i个反射单元之间的信道,其中 是第 根发射天线和第i个反射单元之间的信道;由公式(5)得 一定存在一个
最优的反射相位θi使得该式等号成立,该反射相位的计算借助余弦相似度求得;具体的:
为使得不同发射向量对应理想接收信号之间的欧氏距离最大,令信道向量
令ui的幅值向量
根据 得到:当余弦相似度为1时,两信道向
量的夹角为0,此时两个向量ui和 是最相似的;计算信道向量ui和其幅值向量 之间的夹角vi,且
同理,若令μi=fi, 计算信道向量μi和其幅值向量 之间的夹角ωi,且
基于θi=‑(ωi+vi)设置反射单元的相移。
4.根据权利要求2所述的智能反射面相移设计方法,其特征在于最大似然检测算法表示如下:
其中,是发射天线索引l的估计值,信号接收端从 恢复bs比特的数据信息,bs=log2Nt,Nt为2的整数次幂。

说明书全文

基于余弦相似度的智能反射面相移设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于无线通信领域,尤其涉及一种发射端空移键控调制时多输入单输出无线通信系统的智能反射面相移设计方法。

背景技术

[0002] 智能反射面被认为是一种非常有潜的无线通信技术,它可以利用集成在平面上的大量低成本无源反射单元重新配置无线传播环境。具体地说,智能反射面上有大量小型、低成本的无源反射单元,反射单元仅通过可调相移反射入射信号,而无需使用专用的能量源进行射频处理、解码、编码等操作。智能反射面的反射元件只被动的反射信号,而不需要任何发射射频链,因此与传统的有源天线阵列或最近提出的有源表面相比,智能反射面可以用较低的硬件、能量成本来实现和操作。通过智能地调整所有反射单元的相移以适应动态无线信道,智能反射面反射的信号可以在用户接收器上和非反射信号叠加或抵消,以提高所需的信号功率或抑制信道干扰,从而大幅提升无线网络性能。
[0003] E.Basar等人研究了智能反射面辅助的空移键控(SSK)调制中的反射单元相移设计问题,文章通过最大化接收端处的瞬时接收信噪比(SNR)来优化智能反射面的相移。然而,由于发射端SSK调制的误码率(BER)性能高度依赖于发射端天线的索引检测,因此通过最大化接收端SNR来优化智能反射面的相移可能不会获得较好的误码率性能。QIANG LI等人提出了一种智能反射面相移设计的高性能方法,文章针对发射端SSK调制时的通信系统,以最大化不同发射向量对应理想接收信号之间的最小欧氏距离为目标来设计智能反射面相移,降低发射端天线索引的检测错误概率,从而提高通信系统的误码率性能。但是,QIANG LI等人在文章中提出的遍历反射单元相移集合来设计相移的方法仅在发射端天线个数较少时复杂度较低。具体而言,该相移集合的元素个数和发射端天线个数成正相关,所以该方法在发射端天线个数较少的时候复杂度较低,但是当发射端天线个数较多时,遍历相移集合的复杂度会很高。

发明内容

[0004] 本发明的目的是:解决传统的以最大化接收端信噪比为目标的智能反射面反射单元相移设计方法导致发射端SSK调制的MISO系统误码率较高的问题,并且在MISO系统发射端有多根天线时设计一种低复杂度的智能反射面反射单元相移设计方法。
[0005] 为了达到上述目的,一种基于余弦相似度的智能反射面相移设计方法,包括以下步骤:
[0006] (1)建立智能反射面MISO无线通信系统模型:发射端与接收端的直接通信链路被障碍物阻碍,所以发射端只能在智能反射面的辅助下通过反射链路与接收端进行通信;发射端有Nt根天线,且进行SSK调制,从索引为l的发射天线向智能反射面发送未经调制的载波信号,带有N个反射单元的智能反射面以特定相移对入射的未调制信号进行反射,接收端有1根接收天线,接收从智能反射面反射来的信号;
[0007] (2)以最大化发射端SSK调制时不同发射向量对应理想接收信号之间的欧氏距离为目标来设计智能反射面反射单元的相移。
[0008] 优 选 的 是 ,本 发 明 的 智 能 反 射 面 的 反 射 系 数 向 量 表 示 为其中, βi和θi分别表示智能反射面反射单元的反射振幅和反射相位,其中βi∈[0,1],θi∈[0,2π);i∈{1,2,…,N},表示智能反射面的第i个反射单元,j为虚数单位, 就是复数的指数形式,该公式为欧拉公
式,在考虑智能反射面反射单元最大反射的情况下,令βi=1,因此 那么反射系数向量进一步改写为 W是反射系数向量Φ的对化矩阵,W=diag
{Φ};
[0009] 智能反射面与发射端之间的子信道 令gil表示第i个反射单元和第l个发射单元之间的信道,接收端与智能反射面之间的子信道 令fi表示接收天线和第i个反射单元之间的信道,i∈{1,2,…,N},l∈{1,2,…,Nt};当发射端进行SSK调制并激活第l根天线时,接收端的接收信号表示如下:
[0010] y=FWGel+n=FWgl+n   (1)
[0011]
[0012] 其中,el是发射端SSK信号,gl表示信道G的第l列,即第l根发射天线和智能反射面之间的信道,n表示的是接收端的高斯白噪声,并且服从均值为0,方差为N0的分布;在信号接收端,使用基于穷举搜索的最大似然检测算法进行解调。
[0013] 优选的是,本发明步骤(2)的具体过程为:根据接收信号公式(1),不同发射向量对应理想接收信号之间的欧式距离表示为:
[0014]
[0015] 是发射天线索引l的估计值, 表示信道G的第 列,即第 根发射天线和智能反射面之间的信道,问题描述如下:
[0016]
[0017] s.t.θi∈[0,2π)   (4)
[0018] 当发射端有多根天线时,dmin难以直接确定,通过尽可能的使不同发射向量对应理想接收信号之间的欧氏距离最大来设计相移;具体而言,最优的反射相位计算如下:
[0019]
[0020] 其中gil是第l根发射天线和第i个反射单元之间的信道,其中 是第 根发射天线和第i个反射单元之间的信道;由公式(5)得 一定存在一个最优的反射相位θi使得该式等号成立,该反射相位的计算借助余弦相似度求得;具体的:
[0021] 为使得不同发射向量对应理想接收信号之间的欧氏距离最大,令信道向量令ui的幅值向量根据 得到:当余弦相似度为1时,两信道向
量的夹角为0,此时两个向量ui和 是最相似的;计算信道向量ui和其幅值向量 之间的夹角vi,且
[0022] 同理,若令 计算信道向量μi和其幅值向量 之间的夹角ωi,且基于θi=‑(ωi+vi)设置反射单元的相移。
[0023] 优选的是,本发明的最大似然检测算法表示如下:
[0024]
[0025] 其中,是发射天线索引l的估计值,信号接收端从 恢复bs比特的数据信息,bs=log2Nt,Nt为2的整数次幂。
[0026] 因此,本发明针对由智能反射面辅助的多输入单输出(Multiple‑Input Single‑Out,MISO)通信系统,发射端进行SSK调制,并且发射端有多根天线的情况以最大化不同发射向量对应理想接收信号之间的欧氏距离为目标设计了基于余弦相似度的相移设计方法,在提升通信系统误码率性能的同时降低系统的复杂度。附图说明
[0027] 图1为智能反射面辅助MISO通信系统示意图;
[0028] 图2为基于余弦相似度算法的流程图
[0029] 图3为Nt=2时本发明相移设计与传统相移设计的对比仿真图;
[0030] 图4为Nt=8时本发明相移设计与传统相移设计的对比仿真图。

具体实施方式

[0031] 下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0032] 本发明针对智能反射面辅助的发射端SSK调制MISO系统提出了一种基于余弦相似度的反射单元相移设计方法。具体来说,通过建立起的MISO系统模型,在发射端进行SSK调制的基础上进行智能反射面反射单元的相移设计。通过仿真结果分析,证明了本发明提出的智能反射面相移设计方法和的性能优势,具体包括以下步骤:
[0033] 步骤一:建立如图1所示的智能反射面MISO系统模型,发射端与接收端的直接通信链路被障碍物阻碍,所以发射端只能在智能反射面的辅助下通过反射链路与接收端进行通信。发射端有Nt根天线,且进行SSK调制,从索引为l的发射天线向智能反射面发送未经调制的载波信号,带有N个反射单元的智能反射面以特定相移对入射的未调制信号进行反射,接收端有1根接收天线,接收从智能反射面反射来的信号。
[0034] 智能反射面的反射系数向量表示为 其中,并且βi和θi分别表示智能反射面反射单元的反射振幅和反射相位,其中βi∈[0,1],θi∈[0,2π)。i∈{1,2,…,N},表示智能反射面的第i个反射单元,在考虑智能反射面反射单元最大反射的情况下,本发明令βi=1,因此 那么反射系数向量可以进一步改写为 W是反射系数向量Φ的对角化矩阵,W=diag{Φ}。
[0035] 智能反射面与发射端之间的子信道 令gil表示第i个反射单元和第l个发射单元之间的信道,接收端与智能反射面之间的子信道 令fi表示接收天线和第i个反射单元之间的信道,i∈{1,2,…,N},l∈{1,2,…,Nt}。当发射端进行SSK调制并激活第l根天线时,接收端的接收信号表示如下:
[0036] y=FWGel+n=FWgl+n   (1)
[0037] 其中,gl表示信道G的第l列,即第l根发射天线和智能反射面之间的信道,发射端SSK信号可以表示为 n表示的是接收端的高斯白噪声,并且服从均值为0,方差为N0的分布。在信号接收端,使用基于穷举搜索的最大似然检测算法进行解调,具体表示如下:
[0038]
[0039] 其中,是l的估计值,信号接收端从 恢复bs比特的数据信息。bs=log2Nt,且Nt假定为2的整数次幂。
[0040] 步骤二:以最大化发射端SSK调制时不同发射向量对应理想接收信号之间的欧氏距离为目标来设计智能反射面反射单元的相移。根据接收信号公式(1),不同发射向量对应理想接收信号之间的欧式距离可表示为:
[0041]
[0042] 本发明的优化问题是通过最大化dmin来设计反射单元相移,以降低将发射天线索引l错误的检测为索引的概率,提高MISO系统的性能,问题可以描述如下:
[0043]
[0044] s.t.θi∈[0,2π)   (4)
[0045] 当发射端有多根天线时,dmin难以直接确定,如果采用遍历反射单元相移集合的算法又会有较高的复杂度。因此本发明提出了一种高性能的低复杂度算法解决该问题。
[0046] 步骤二:基于余弦相似度来解决反射相移设计问题。本发明通过使不同发射向量对应理想接收信号之间欧氏距离最大来设计反射单元相移。具体而言,最优相移的计算如下:
[0047]
[0048] 其中gil是第l根发射天线和第i个反射单元之间的信道,其中 是第 根发射天线和第i个反射单元之间的信道;由公式(5)可得 综上所述,一定存在一个最优的反射相位θi使得该式等号成立,该反射相位的计算可以借助余弦相似度求得,下面简单介绍下余弦相似度,余弦相似定理可以利用两个向量的内积和幅度计算两个向量之间的角度,并通过角度的余弦值表示出来,这就是余弦相似度。具体介绍如下:
[0049]
[0050] 在本发明中,为了使不同发射向量对应理想接收信号之间的欧氏距离最大,令信道向 量 令 ui 的幅值 向量根据公式(6),可以很容易得到:当余弦相似度为1时,
两信道向量的夹角为0,此时两个向量ui和 是最相似的。基于上述余弦相似度的介绍,可以计算信道向量ui和其幅值向量 之间的夹角vi,且
[0051] 同理,若令μi=fi, 可以计算信道向量μi和其幅值向量 之间的夹角ωi,且 因此可以设置反射单元的相移如下:
[0052] θi=‑(ωi+vi)   (7)
[0053] 具体的基于余弦相似度的算法流程如算法1和图2所示:
[0054]
[0055]
[0056] 图3和图4仿真了本发明的误码率性能。其中SSK‑Phase曲线表示的是本发明相移设计方法的误码率性能,该方法基于余弦相似度,针对发射端SSK调制的MISO系统进行智能反射面反射单元的相移设计;SNR‑Phase曲线表示的是以最大化接收端SNR为目标的相移设计方法的误码率性能。图3和图4分别对发射端有2根天线和8根天线的情况进行了仿真,并且智能反射面的反射单元个数被设置为32个和64个两种情况。从仿真图可以明显看出,本发明提出的相移设计方法较传统的最大化接收端信噪比的相移设计方法误码率更低。此外,本发明提出的基于余弦相似度的算法,在发射端天线个数较多时能够以较低复杂度设计反射单元相移,因此本发明在提升通信系统误码率性能的同时降低系统的复杂度,显示了本发明设计方法在保证可靠通信方面的优势。
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