主被动互惠传输方法、装置及系统

技术领域

本发明属于主被动共生通信领域，更具体地，涉及一种主被动互惠传输方法、装置及系统。

背景技术

智能反射面利用超材料单元的电磁特性，能够根据实时设定相位，动态地反射、透射入射电磁波信号或将其传输至特定方向，实现对电磁环境的智能调控，是实现高速率、低功耗无源通信的重要途径。智能反射面能够与传感器等外围设备相连，在调控入射信号的同时搭载传感器信息。这一过程中，主动传输为被动传输提供载体和能量，被动传输则通过调控主动信号相位、提供多径等方式增强主动通信性能，形成互惠共生关系。

现有技术中，通过调控智能反射面单元开关状态传输被动信号，利用不同反射系数对主动信号进行无源波束赋形，从而实现智能反射面使能的主被动互惠传输。然而，利用最大化条件互信息的交替优化算法不考虑智能反射面的调制方案，每个时隙被激活的天线单元数量不同，将导致主动信号传输速率不稳定；利用索引调制或空间调制只能激活单根天线，随着发射天线或智能反射面元件数量的提升，符号速率呈对数增长，而系统频谱效率受到限制。除此之外，空时编码辅助的智能反射面系统在引入分集增益的同时，降低了符号速率，采用这种编码模式，高阶调制中编码复杂度将增加。现有研究中，被动信号的调制方式受限，导致被动传输数据速率较低，针对智能反射面通信的高效调制方式有待进一步发掘。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种主被动互惠传输方法、装置及系统，其目的在于实现主动发射端与被动发射端的互惠通信，在增强主动链路可靠性的同时传输被动链路信息。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种主被动互惠传输方法，用于被动发射端，方法包括：S1，收集环境信号，并根据主动发射端天线数量和接收端天线数量确定调制方式；S2，根据所述调制方式，将所述环境信号划分为K组第一信息比特，以及将被动发射端天线单元划分为K组天线子单元，K＞1；S3，K组天线子单元利用所述调制方式，对K组第一信息比特以及每组第一信息比特的T-1种变式进行调制编码，所述天线子单元的反射系数由所述第一信息比特和所述调制方式确定，同时隙内各天线子单元的反射系数相等，T＞1；S4，接收主动发射端发送的第二信息比特，T个时隙内，每一天线子单元将其调制编码后的第一信息比特或第一信息比特变式与所述第二信息比特同步，并搭载在所述第二信息比特上，得到第三信息比特并反射传输至接收端。

更进一步地，所述S1中根据主动发射端天线数量和接收端天线数量确定调制方式包括：当主动发射端天线数量小于设定值且接收端天线数量为1时，将所述调制方式设置为第一调制方式；当主动发射端天线数量小于所述设定值且接收端天线数量大于1时，将所述调制方式设置为第二调制方式；当主动发射端天线数量不小于所述设定值时，将所述调制方式设置为第三调制方式。

更进一步地，所述第一调制方式为Alamouti-空间调制，所述第二调制方式为正交空时码-空间调制，所述第三调制方式为近正交空时码-空间调制。

更进一步地，所述S4中，当检测到所述第二信息比特的能量超过能量阈值时，T个时隙内，每一天线子单元将其调制编码后的第一信息比特或第一信息比特变式与所述第二信息比特同步，并使能控制信号，以将同步后的第一信息比特或第一信息比特变式搭载在所述第二信息比特上，得到第三信息比特并反射传输至接收端。

更进一步地，单一时隙内，所述S4中每一所述天线子单元传输的信息比特位数为：所述天线子单元反射系数的开方；所述S4中反射传输的总数据速率为：单一时隙内星座符号传输比特与每组索引比特之和。

更进一步地，所述第三信息比特反射至接收端后，所述接收端先解码所述第二信息比特，后解码所述第一信息比特。

更进一步地，所述S4中反射传输时的误码率性能为：

其中，P()为误码率，用于表征单一时隙内一组数据传输错误的概率；i为天线子单元索引；Θ为所述第一信息比特；

按照本发明的另一个方面，提供了一种主被动互惠传输装置，用于被动发射端，装置包括：收集模块，用于收集环境信号，并根据主动发射端天线数量和接收端天线数量确定调制方式；划分模块，用于根据所述调制方式，将所述环境信号划分为K组第一信息比特，以及将被动发射端天线单元划分为K组天线子单元，K＞1；调制编码模块，用于令K组天线子单元利用所述调制方式，对K组第一信息比特以及每组第一信息比特的T-1种变式进行调制编码，所述天线子单元的反射系数由所述第一信息比特和所述调制方式确定，同时隙内各天线子单元的反射系数相等，T＞1；被动传输模块，用于接收主动发射端发送的第二信息比特，T个时隙内，每一天线子单元将其调制编码后的第一信息比特或第一信息比特变式与所述第二信息比特同步，并搭载在所述第二信息比特上，得到第三信息比特并反射传输至接收端。

更进一步地，所述调制编码模块包括：多位开关模块，用于根据所述第一信息比特和所述调制方式，选择各所述天线子单元的反射系数；反射系数调节模块，用于实现所述多位开关模块选择的反射系数。

按照本发明的另一个方面，提供了一种主被动互惠传输系统，包括主动发射端、被动发射端和接收端；所述主动发射端用于发送第二信息比特；所述被动发射端用于执行如上所述的主被动互惠传输方法，以将第一信息比特或第一信息比特变式搭载在所述第二信息比特上，得到第三信息比特并反射传输出去；所述接收端用于接收所述第三信息比特，并对接收到的第三信息比特进行解码。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)提供一种主被动互惠传输方法，将空间调制与空时编码相结合，信号经过空间调制后合并为一个空时码块传输，实现复用增益与分集增益的均衡，避免两者缺点的同时降低编码复杂度；此外，针对主动发射端与接收端天线数量改变的情况，给出不同调制方案，从而在不同场景下均能实现更低的误码率；

(2)被动发射端反射主动信息的同时发送自身被动信息，将被动信息搭载在主动信息上传输，实现主动发射端与被动发射端的互惠通信，有效提升数据速率，并降低误码率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的主被动互惠传输方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的主被动互惠传输方法中调制方案的示意图；

图3为本发明实施例提供的主被动互惠传输方法与传统主动通信方法的比较图；

图4为本发明实施例提供的主被动互惠传输方法的理论结果和仿真结果对照图；

图5为本发明实施例提供的主被动互惠传输装置的框图；

图6为本发明实施例提供的主被动互惠传输系统的场景示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

实施例一

图1为本发明实施例提供的主被动互惠传输方法的流程图。参阅图1，结合图2-图4、图6，对本实施例中主被动互惠传输方法进行详细说明，方法包括操作S1-操作S4。

操作S1，收集环境信号，并根据主动发射端天线数量和接收端天线数量确定调制方式。

环境信号例如为温度/压力传感器数据、信道状态信息等。被动发射端将收集的环境信号转换为1位数字信号并存储起来。

进一步地，被动发射端确定环境信号的调制方式。具体地，当主动发射端天线数量小于设定值且接收端天线数量为1时，将调制方式设置为第一调制方式；当主动发射端天线数量小于设定值且接收端天线数量大于1时，将调制方式设置为第二调制方式；当主动发射端天线数量不小于设定值时，将调制方式设置为第三调制方式。

优选地，第一调制方式为Alamouti-空间调制。第一调制方式下，当R＝1/2时，被动发射端天线单元划分为两部分并分别传输两组空间调制的信息比特，传输码字S

优选地，第二调制方式为正交空时码-空间调制。第二调制方法下，当R＝3/4时，被动发射端天线划分为四部分并分别传输三组空间调制的信息比特，传输码字S

优选地，第三调制方式为近正交空时码-空间调制。第三调制方法下，当R＝4/4时，被动发射端天线划分为四部分并分别传输四组空间调制的信息比特，传输码字S

操作S2，根据调制方式，将环境信号划分为K组第一信息比特，以及将被动发射端天线单元划分为K组天线子单元，K＞1。

根据所选调制方式将环境信号划分为K组，每组包含比特数B/K，其中，B为环境信号的比特数。

将B位的环境信号映射为K个空间调制符号(即第一信息比特)，第k个空间调制符号的长度为B

进一步地，操作S2中还包括：被动发射端根据收集的环境信号控制其天线单元的反射系数。被动发射端包含N

其中，

进一步地，操作S2中还包括：将被动发射端天线单元划分为K组天线子单元，每组天线子单元在同时隙内反射系数相同。

操作S3，K组天线子单元利用调制方式，对K组第一信息比特以及每组第一信息比特的T-1种变式进行调制编码，天线子单元的反射系数由第一信息比特和调制方式确定，同时隙内各天线子单元的反射系数相等，T＞1。

利用所选调制方式对每组第一信息比特进行空间调制和空时编码。具体的调制编码方式参见操作S1中三种不同调制方法下的调制编码。调制后的每组第一信息比特表示为：

其中，x

操作S4，接收主动发射端发送的第二信息比特，T个时隙内，每一天线子单元将其调制编码后的第一信息比特或第一信息比特变式与第二信息比特同步，并搭载在第二信息比特上，得到第三信息比特并反射传输至接收端。

根据本发明的实施例，操作S4中，当检测到第二信息比特的能量超过能量阈值时，T个时隙内，每一天线子单元将其调制编码后的第一信息比特或第一信息比特变式与第二信息比特同步，并使能控制信号，以将同步后的第一信息比特或第一信息比特变式搭载在第二信息比特上，得到第三信息比特并反射传输至接收端。

操作S4中，每一天线子单元传输的信息比特位数为：天线子单元反射系数的开方。反射传输的总数据速率为：单一时隙内星座符号传输比特与每组索引比特之和。其中，每组星座符号比特数M最高为：

其中，L为被动发射端天线单元反射系数个数。

参阅图6，主动发射端对第二信息比特进行编码并发送第二信息比特，第二信息比特可通过直接链路和反射链路传输，直接链路为主动发射端到接收端链路，反射链路为主动发射端到被动发射端到接收端链路。被动发射端检测第二信息比特，存在一能量阈值，使得被动发射端使能控制信号，并将第一信息比特或第一信息比特变式与第二信息比特进行同步。被动发射端将第一信息比特或第一信息比特变式搭载在第二信息比特上，并传输至接收端。接收端接收耦合信号，根据第一信息比特导频解码第一信息比特或第一信息比特变式，根据已知的第一信息比特解码第二信息比特。主动发射端、被动发射端和接收端的整体互惠传输过程如图2所示。第三信息比特反射至接收端后，接收端先解码第二信息比特，后解码第一信息比特。

优选地，被动发射端选择第一调制方式时，第l根接收天线上的接收信号y

其中，

优选地，被动发射端选择第二调制方式时，第l根接收天线上的接收信号表示为：

其中，

优选地，被动发射端选择第三调制方式时，第l根接收天线上的接收信号表示为：

其中，

随着被动发射端天线单元数、天线数、调制阶数和码率的增加，高复杂度ML检测器的计算成本将变得无法接受，故采用平均误码率(Average Bit Error Probability，ABEP)上限的理论值结果作为低复杂度检测器设计的基准。操作S4中反射传输时的误码率性能为：

/>

其中，P()为误码率，用于表征单一时隙内一组数据传输错误的概率；i为天线子单元索引；Θ为第一信息比特；

实施例二

本发明实施例还提供一种主被动互惠传输方法，用于主动发射端、被动发射端和接收端所组成的系统，方法包括操作S1′-操作S2′。

操作S1′：被动发射端收集环境信号，并根据环境信号调节天线单元反射系数。优选地，被动发射端选择第一调制方式时，环境信号码字至反射系数的映射如表1所示。

表1

本实施例中，令θ

操作S2′：被动发射端检测第二信息比特，并将第一信息比特或第一信息比特变式搭载在第二信息比特上传输至接收端。

考虑具有N

接收端利用最大似然检测器分别检测第一信息比特(或第一信息比特变式)和第二信息比特。最终，被动发射端、主动发射端和接收端所组成的系统的平均成对差错概率为：

/>

其中，

图3为本发明实施例提供的主被动互惠传输方法与传统主动通信方法的比较图。被动发射端天线单元数目为64，主动发射端发射天线数为8。被动发射端天线单元被分组以传输符号。采用Alamouti-空间调制、正交空时编码-空间调制和近正交空时编码-空间调制方案的码率分别为1/2、3/4、4/4。与传统主动通信方法相比，本实施例中主被动互惠传输方法在ABER达到10

图4为本发明实施例提供的主被动互惠传输方法的理论结果和仿真结果对照图，比较了仿真结果与平均成对差错概率描述的理论上限。码率设置为3/4，被动发射端天线单元数目为64，接收端天线数目为1。在高信噪比下，仿真结果与理论上限趋势一致，为未来低复杂度检测器的设计提供了有效的参考依据。

图5为本发明实施例提供的主被动互惠传输装置的框图。主被动互惠传输装置500用于被动发射端，参阅图5，主被动互惠传输装置500包括收集模块510、划分模块520、调制编码模块530以及被动传输模块540。

收集模块510例如执行操作S1，用于收集环境信号，并根据主动发射端天线数量和接收端天线数量确定调制方式。

划分模块520例如执行操作S2，用于根据调制方式，将环境信号划分为K组第一信息比特，以及将被动发射端天线单元划分为K组天线子单元，K＞1。

调制编码模块530例如执行操作S3，用于令K组天线子单元利用调制方式，对K组第一信息比特以及每组第一信息比特的T-1种变式进行调制编码，天线子单元的反射系数由第一信息比特和调制方式确定，同时隙内各天线子单元的反射系数相等，T＞1。

被动传输模块540例如执行操作S4，用于接收主动发射端发送的第二信息比特，T个时隙内，每一天线子单元将其调制编码后的第一信息比特或第一信息比特变式与第二信息比特同步，并搭载在第二信息比特上，得到第三信息比特并反射传输至接收端。

调制编码模块530包括：多位开关模块，用于根据第一信息比特和调制方式，选择各天线子单元的反射系数；反射系数调节模块，用于实现多位开关模块选择的反射系数。

主被动互惠传输装置500用于执行上述实施例中的主被动互惠传输方法。本实施例未尽之细节，请参阅前述实施例中的主被动互惠传输方法，此处不再赘述。

图6为本发明实施例提供的主被动互惠传输系统的场景示意图。参阅图6，主被动互惠传输系统包括主动发射端、被动发射端和接收端。

主动发射端用于发送第二信息比特。被动发射端用于执行上述实施例中的主被动互惠传输方法，以将第一信息比特或第一信息比特变式搭载在第二信息比特上，得到第三信息比特并反射传输出去。接收端用于接收第三信息比特，并对接收到的第三信息比特进行解码。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。