一种基于并联可重构超表面应急救灾通信系统及方法

技术领域

本发明属于无线通信网络技术领域，尤其涉及一种基于并联可重构超表面应急救灾通信系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在重大灾害如暴雨、地震、火山、海啸等发生时，可能造成通信设施破坏，基站倒塌、光电缆断裂等情况，面临固定电话、互联网等有线通信、4/5G手机公众移动通信网络失效等问题。可重构超表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)作为一种新兴技术，近年来受到广泛关注，可视为未来6G无线通信网络的关键使能技术。可重构超表面可以将不可控的无线信道转换为可控的实体，特别是当直接链路被阻塞时，产生额外的传输增益。与现有的中继技术不同，RIS是以双工模式工作，工作频率范围从微波到可见光，且近似无源。因此，RIS具有极高的成本效益和能源效率，在已经实现的基于可重构超表面无线通信中，被广泛应用于收发信机等节点，并表现出优异的性能，探索可重构超表面通信技术在应急救灾通信中极具前景和意义。

可重构超表面由大量微小反射单元构成，每个单元可以独立地调整入射电磁波的变化，这种变化可以是关于相位、振幅、频率甚至极化，到目前为止，在大多数关于可重构超表面的研究中，这种变化只被认为是对入射电磁波的相移。本质上，当直接链路通信质量不好时，可重构超表面可以智能地配置无线环境，以提升信号在发送方和接收方之间传输的可靠性和有效性。由于可重构超表面同时具有易于部署的特性，未来设想可以将其安置在屋内墙壁、建筑立面等，甚至是人穿着的衣服。

目前对于可重构超表面技术的研究重点是可重构超表面作为反射面，其作用类似于中继，但相较于传统中继技术，其可以有效地控制入射电磁波的相位、振幅、频率等特性，但摒弃了中继中复杂的编解码、混频、滤波等操作。同时，可重构超表面一般由现场可编程门阵列(FPGA)以软件编程方式控制，其能耗小很多，近似无缘。

然而，目前在应急救灾通信场景下，存在线路故障造成的通信中断的问题，导致无法快速锁定被困人员。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于并联可重构超表面应急救灾通信系统及方法，其结合可重构超表面的优点，研究其在应急救灾通信场景下的应用，进一步提升应急救灾通信的成本效益和能源效率，提高通信的可靠性和有效性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种基于并联可重构超表面应急救灾通信系统。

一种基于并联可重构超表面应急救灾通信系统，包括：若干个背负式RIS增强台、一个单天线受灾用户端和一个车载式基站，每个背负式RIS增强台包括单个可重构超表面，每个可重构超表面包括若干个反射单元；

所述单天线受灾用户端用于发射通信信号至若干个并联的背负式RIS增强台的可重构超表面；每个所述可重构超表面用于接收入射信号，并对入射信号附加的相移矢量附加相移后，反射至车载式基站；所述车载式基站用于接收反射信号。

本发明的第二个方面提供一种基于并联可重构超表面应急救灾通信方法。

一种基于并联可重构超表面应急救灾通信方法，运行于第一个方面所述的基于并联可重构超表面应急救灾通信系统上，包括：

单天线受灾用户端发射经调制后的通信信号；

根据单天线受灾用户端与若干个背负式RIS增强台之间的位置关系，分别建立信道矢量；所述通信信号在自由空间传输，经过信道矢量后入射至若干个并联的背负式RIS增强台；

建立各背负式RIS增强台中超表面对入射信号附加的相移矢量；所述入射信号经过可重构超表面对入射信号附加的相移矢量附加相移后将信号反射，形成反射信号；

根据若干个背负式RIS增强台与车载式基站之间的位置关系，分别建立信道矢量；所述反射信号在自由空间传输，经过信道矢量后在车载式基站被接收。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明将传统应急救灾通信中使用的中继技术替换为目前研究热点可重构超表面技术，其中受灾单天线用户利用环境中的L个并联背负式RIS增强台与车载式基站通信，车载式基站将信号处理后可分别发送给前方指挥部和后方指挥中心。

2、本发明使用到的L个可重构超表面可通过软件编程方式重新定义随机的无线通信环境，与传统中继技术对比，其不需要任何滤波器、混频器或功率放大器，大大降低了功耗和硬件成本。

3、本发明相比于现有的单个可重构超表面用于通信系统，构建了一个基于多个并联的可重构超表面通信系统，充分发挥可重构超表面的优点，避免通信中断，进一步降提升通信成本效益和能源效率，提高通信的可靠性和有效性。

4、本发明提出的并联通信系统，随着可重构超表面技术的发展成熟与落地实用，有望成为未来6G通信中的常见模型。

5、本发明采用了中心极限定理对随机信道特性进行近似，并进一步推导获得了易于分析的系统遍历容量上界和中断概率的闭式解。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明示出的多个并联的可重构超表面辅助通信场景示意图；

图2是本发明示出的可重构超表面数为1和2时(L＝1,2)的系统遍历容量上界结果示意图；

图3是本发明示出的可重构超表面数为1和2时(L＝1,2)的系统中断概率结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要注意的是，附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的方法和系统的可能实现的体系架构、功能和操作。应当注意，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分可以包括一个或多个用于实现各个实施例中所规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以按照不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，或者它们有时也可以按照相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。同样应当注意的是，流程图和/或框图中的每个方框、以及流程图和/或框图中的方框的组合，可以使用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以使用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

术语解释：

RIS，是指可重构超表面；

FPGA，是指现场可编程门阵列；

LOS，是指视距；

NLOS，是指非视距；

CLT，是指中心极限定理。

实施例一

本实施例考虑图1所示的应急救灾通信场景。一种基于并联可重构超表面应急救灾通信系统，包括L个背负式RIS增强台(并联形式)、一个受灾单天线用户和一个车载式基站接收端。

单天线受灾用户指的是携带应急通信终端的受灾用户，此终端只配备单条全向天线。

背负式RIS增强台配备有单个可重构超表面，每个超表面包括N个反射单元，将这N个基本单元分别编号为1,2,……,N。

车载式基站接收端配备单条全向天线，处理接收到的来自L个背负式RIS增强台的信号，将处理后的信号分别发射至前方指挥部和后方指挥中心。

实施例二

本实施例提供了一种基于并联可重构超表面应急救灾通信方法，运行于实施例一所述的基于并联可重构超表面应急救灾通信系统，包括以下步骤：

(1)首先单天线用户发射经调制后的通信信号；

(2)根据单天线用户与L个背负式RIS增强台之间的位置关系，分别建立信道矢量；步骤(1)通信信号在自由空间传输，经过信道矩阵后入射至L个并联的背负式RIS增强台；

(3)建立各背负式RIS增强台中超表面对入射信号附加的相移矢量；步骤(2)的入射信号经过可重构超表面对入射信号附加的相移矢量附加相移后将信号反射，形成反射信号；

(4)根据L个背负式RIS增强台与车载式基站之间的位置关系，分别建立信道矢量；步骤(3)形成的反射信号在自由空间传输，经过信道矢量后在车载式基站被接收。

(5)由车载式基站确定将接收信号发送给前方指挥部或者后方指挥中心，其方式与传统应急救灾一致，本实施例只研究此节点之前的通信。

首先，单天线用户发射经调制后的通信信号x，如式(1)所示：

式(1)中，A

由于L个背负式RIS增强台为各节点之间构建了虚拟的视距传输路径，在此使用莱斯信道模型为该场景的信道建模，则用户与第l个背负式RIS增强台相关的信道矢量如式(2)所示：

式(2)中，d表示两节点间距离，这里假设该场景中所有的背负式RIS增强台R

根据可重构超表面的特性，建立第l个可重构超表面对入射信号附加的相移矢量Θ

式(3)中，φ

接下来，第l个背负式RIS增强台与车载式基站相关的信道矢量如式(4)所示：

式(4)中，d表示两节点间距离，假设该环境中所有的背负式RIS增强台R

车载基站接收L个背负式RIS增强台转发的信号，其接收信号y如式(5)所示：

式(5)中,P表示发射功率,n表示信道中独立于输入信号的高斯白噪声，n～N(0,σ

车载式基站处接收信号y的最大信噪比γ表达式如式(6)所示：

该系统中L个背负式RIS增强台各由N个基本单元组成，则最大信噪比可进一步表示为式(7)：

为使接收信噪比值取最大，则RIS基本单元的相移

式(8)中，∠表示提取复数相位操作。当满足式(8)时，车载式基站取得最大信噪比，可如式(9)所示：

式(9)中，符号

无线通信系统中，信道容量和中断概率是评价通信有效性和可靠性的两个重要指标，因此，我们将详细分析该场景下的系统容量和中断概率。首先，遍历信道容量理论表达式定义如式(10)所示：

由上文对信噪比的分析可知，式(10)中γ

信道矢量元素|g

式(12)和(13)中，

由此，获得系统遍历容量的上界如式(14)所示：

无线通信系统中的中断概率理论定义为瞬时信噪比降至预定阈值ρ

根据本发明上述分析可知，A为服从高斯分布的随机变量，即

式(16)中，erf(·)表示误差函数。

本发明借助中心极限定理，提供了易于分析的遍历信道容量上界和中断概率的闭式解，以此清楚地表达背负式RIS增强台数量L和RIS中反射单元数N对上述两指标的影响。

本实施例设置路径损耗指数α

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。