CN116056118B - 基于主被动混合智能超表面的无线通信传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种基于主被动混合智能超表面的无线通信传输方法及系统，属于无线通信技术领域，该方法包括：各终端向基站与各主被动混合智能超表面发送上行导频信息；各主被动混合智能超表面挑选主动天线单元接收上行导频信息；基站采用信道估计算法得到所有上行信道信息；对各主被动混合智能超表面进行设置；终端发送上行信号；基站基于其上行信道信息和主动天线单元的上行信道信息对接收到的所有上行信号进行联合处理；基站根据目标准则、基站的上行信道信息对下行导频信息或下行数据进行联合编码，通过基站的天线阵列及各主被动混合智能超表面的主动天线单元进行联合发送；实现基于主被动混合智能超表面提高传输性能。

Description

基于主被动混合智能超表面的无线通信传输方法及系统

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于主被动混合智能超表面的无线通信传输方法及系统。

背景技术

目前，随着科技的快速变革与社会向万物互联的发展趋势，移动通信系统已经演进到以移动互联网与物联网业务为主题目标的第五代(5G)。随着移动通信的不断发展，移动通信技术惠及人类生活的方方面面。为了应对多种场景的业务需求，大规模输入输出(Multiple In Multiple Out，MIMO)技术通过在基站部署大规模天线阵列来同时服务多个用户终端，充分利用大规模天线阵列带来的高空间分辨率与丰富的空间自由度，有效提升了系统的频谱效率，从而作为5G的关键技术之一被广泛研究与商业应用。

5G的成功大规模商用促进了工业界与学术界对于下一代移动通信(6G)的研究与思考。特别地，为了达成6G从万物互联到万物智联的目标，除挖掘新颖无线空口技术外，还需对现有空口技术如大规模MIMO技术进行进一步地增强与升级，以满足和支撑未来6G网络的业务需求。另一方面，智能超表面得益于其出色的低功耗和易部署特性，可广泛部署于日常环境中，有效解决信号覆盖盲区等问题，近年来也受到了工业界与学术界的广泛关注。智能超表面同时也被称作Reconfigurable Intelligent Surface(RIS)、IntelligentReflecting Surface(IRS)、Large Intelligent Surface(LIS)等，在本申请中均用RIS表述。

目前所采用的RIS架构多为全被动架构，即采用亚波长二维超材料和PIN管等构建大量可编程的无源反射天线单元，并基于数字编码对入射的电磁波进行调控和反射，从而为通信系统提供重塑信号传播环境的能力，为通信系统设计增添信道设计这一额外自由度。通过优化设计RIS的反射系数，众多针对RIS的理论与实验验证了其在解决盲区覆盖、信道环境恶化等通信难题方面提供的巨大价值，能有效地提升现有通信系统的能量效率与频谱效率。

然而，现有的全被动RIS架构仍存在较多瓶颈问题。例如，众多理论研究与实验结果证明：为获得足够的波束赋形增益以帮助现有通信系统取得更好的信号区域覆盖和传输速率提升，通常需要在全被动的RIS侧配置大量的天线单元。但是，有效的波束赋形需要准确获取RIS侧的信道状态信息，而大量天线单元的部署为RIS辅助的通信系统的信道状态信息获取带来了严峻挑战。

事实上，现有基于导频信号的RIS级联信道状态信息估计算法所需导频开销一般随RIS侧天线单元数量的增加而线性增长，在RIS侧配置大量天线单元的情况下，RIS侧的信道状态信息获取将极大增加系统的计算复杂度与信号处理时延，进而限制RIS的应用潜力。另外，尽管通过优化RIS的反射系数实现波形赋形可以提升现有通信系统的性能，但仍有不少理论研究证明：在给定总发送功率的条件下，相较于前向解码中继通信系统，RIS至少需要几百个以上的天线单元数才能提供与前向解码中继通信系统的等效性能增益。

为此，多种不同的RIS架构被先后提出以进一步提升RIS辅助的系统性能。例如，半被动式RIS架构通过将少量的被动式反射天线单元替换成具备信号接收能力的天线单元并附加简单的信号处理模块，以实现在导频训练阶段在RIS侧进行导频信号的接收与信道估计，获取RIS侧的准确信道状态信息。该被动式RIS架构相比于全被动式RIS架构，可有效降低导频训练开销的同时有效提升RIS的波束赋形能力。中继-反射混合RIS架构则是通过进一步将全被动RIS架构上的少量的被动式反射天线单元换成具备信号放大能力的中继模块单元来提升系统性能。

遗憾的是，上述RIS架构可为通信系统带来的性能增益仍较为有限。究其原因，发射信号经过RIS反射(或放大后)再到接收端，历经的是由每个RIS天线单元构建的级联信道，因此其信道增益是两个级联信道增益的乘积，带来的等效信道增益较小，使得仅通过调节RIS上的被动式反射天线单元与中继模块单元的相位、个数与信号放大功率等参数仍无法满足较高的数据传输需求。此外，虽然目前RIS的反射系数动态可调，但RIS的架构仍缺乏环境适应性，为了应对未来多样的通信需求，RIS架构也应具备可重构性，可以根据不同的环境或信道状态调整架构以实现其最大化增益。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种基于主被动混合智能超表面的无线通信传输方法及系统。

第一方面，本申请实施例提供了一种基于主被动混合智能超表面的无线通信传输方法，应用于基于主被动混合智能超表面的无线通信传输系统，所述系统包括基站、K个终端及M个主被动混合智能超表面，所述每个主被动混合智能超表面由被动反射天线单元、控制模块和可自定义使能的被动转主动单元电路构成；所述被动转主动单元电路在编程使能后可将所在位置的被动反射天线单元转化为主动天线单元；所述主动天线单元的数量及位置分别由使能的被动转主动单元电路的数量及位置决定；所述基站通过光纤或射频线缆分别与每个主被动混合智能超表面的控制模块和主动天线单元连接，所述方法包括：

上行导频训练阶段：各所述终端分别向所述基站与各所述主被动混合智能超表面发送上行导频信息；各所述主被动混合智能超表面按照挑选准则使能部分被动转主动单元电路挑选部分被动反射天线单元作为主动天线单元，以接收上行导频信息，并将接收到的上行导频信息通过线缆传送至所述基站；所述基站利用自身天线接收所述终端发送的上行导频信息及各所述主被动混合智能超表面通过线缆所传输过来的主动天线单元所接收所述终端所发送的上行导频信息，采用信道估计算法得到所有上行信道信息；各所述主被动混合智能超表面的控制模块依据所述上行信道信息及目标准则对各所述主被动混合智能超表面的被动转主动单元电路的使能和被动反射天线单元的反射系数进行设置；

上行数据传输阶段：所述终端分别向所述基站与各所述主被动混合智能超表面发送上行信号；所述基站通过自身天线接收到对应的上行信号；各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元将接收到的上行信号传送至所述基站；所述基站依据在上行导频训练阶段得到的所述基站的上行信道信息和各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元的上行信道信息对接收到的所有上行信号进行联合处理；

下行传输阶段：所述基站根据所述目标准则、在上行导频训练阶段得到的所述基站的上行信道信息，和各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元的上行信道信息，对所需发送的下行导频信息或下行数据进行联合编码，通过所述基站的天线阵列及各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元进行联合发送。

第二方面，本申请实施例提供了一种基于主被动混合智能超表面的无线通信传输系统，所述系统包括基站、K个终端及M个主被动混合智能超表面：所述每个主被动混合智能超表面由被动反射天线单元、控制模块和可自定义使能的被动转主动单元电路构成；所述被动转主动单元电路在编程使能后可将所在位置的被动反射天线单元转化为主动天线单元；所述主动天线单元的数量及位置分别由使能的被动转主动单元电路的数量及位置决定；所述基站通过光纤或射频线缆分别与每个主被动混合智能超表面的控制模块和主动天线单元连接；

上行导频训练阶段：所述终端分别向所述基站与各所述主被动混合智能超表面发送上行导频信息；各所述主被动混合智能超表面按照挑选准则使能部分被动转主动单元电路挑选部分被动反射天线单元作为主动天线单元，以接收上行导频信息，并将接收到的上行导频信息通过线缆传送至所述基站；所述基站利用自身天线接收所述终端发送的上行导频信息及各所述主被动混合智能超表面通过线缆所传输过来的主动天线单元所接收所述终端所发送的上行导频信息，采用信道估计算法得到所有上行信道信息；各所述主被动混合智能超表面的控制模块依据所述上行信道信息及目标准则对各所述主被动混合智能超表面的被动转主动单元电路的使能和被动反射天线单元的反射系数进行设置；

上行数据传输阶段：所述终端分别向所述基站与各所述主被动混合智能超表面发送上行信号；所述基站通过自身天线接收到对应的上行信号；各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元将接收到的上行信号传送至所述基站；所述基站依据在上行导频训练阶段得到的所述基站的上行信道信息和各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元的上行信道信息对接收到的所有上行信号进行联合处理；

下行传输阶段：所述基站根据所述目标准则、在上行导频训练阶段得到的所述基站的上行信道信息和各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元的上行信道信息，对所需发送的下行导频信息或下行数据进行联合编码，通过所述基站的天线阵列及各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元进行联合发送。

上述本申请提供的基于主被动混合智能超表面的无线通信传输方法及系统，能够根据环境与传输需求的不同，动态使能主动被混合智能超表面的被动转主动单元电路，实时调整智能超表面的架构和反射天线单元的反射系数，有效解决现有RIS架构等效信道增益较低、以及RIS侧难以获取准确的信道状态信息等问题；能充分结合现有无线通信系统与智能超表面的优势，利用主被动混合智能超表面带来的架构与反射系数两方面的设计自由度，解决传统通信系统在盲区覆盖、信道环境恶化等方面的难题，从而充分发挥分布式主被动混合智能超表面带来的性能增益，大幅增强现有无线通信的传输性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对本申请保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。

图1示出了本申请实施例提供的基于主被动混合智能超表面的无线通信传输系统的一结构示意图；

图2示出了本申请实施例提供的基于主被动混合智能超表面的无线通信传输方法的一流程示意图；

图3示出了本申请实施例提供的基于主被动混合智能超表面的无线通信传输方法的另一流程示意图。

主要图标：100-基站；200-主被动混合智能超表面；201-控制模块；202-主动天线单元；203-被动反射天线单元；300-终端。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下文中，可在本申请的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本申请的各种实施例中被清楚地限定。

实施例1

本申请实施例提供了一种基于主被动混合智能超表面的无线通信传输方法，该方法应用于基于主被动混合智能超表面的无线通信传输系统，以充分利用智能超表面的低成本部署以及灵活信号覆盖增强优势，进一步提升无线通信传输系统的上下行数据传输性能。

参见图1，该基于主被动混合智能超表面的无线通信传输系统包括基站100、K个终端300及多个主被动混合智能超表面200，M个主被动混合智能超表面200可以进行分布式部署，分散部署在基站或终端周围。所述每个主被动混合智能超表面200由被动反射天线单元203、控制模块201和可自定义使能的被动转主动单元电路(未示出)构成；所述被动转主动单元电路在编程使能后可将所在位置的被动反射天线单元转化为主动天线单元；所述主动天线单元的数量及位置分别由使能的被动转主动单元电路的数量及位置决定；所述基站通过光纤或射频线缆分别与每个主被动混合智能超表面的控制模块和主动天线单元连接。

其中，基站100的天线数量可以为N个，终端300可以采用单天线或多天线。每个主被动混合智能超表面200由被动反射天线单元203、控制模块201和可自定义使能的被动转主动单元电路(未示出)构成；被动转主动单元电路在编程使能后，可将所在位置的被动反射天线单元203转化为主动天线单元，如图1中的主动天线单元202后接射频链路即可实现对射频信号的收发、上下变频及模数/数模转换功能；主动天线单元202的数量及位置分别由使能的被动转主动单元电路的数量及位置决定。所述基站通过光纤或射频线缆分别与M个主被动混合智能超表面200的控制模块201和主动天线单元202相连接，实现对所有主被动混合智能超表面200的被动反射天线单元203的反射相位控制以及主动天线单元202的信号接收与发送。

示范性的，第i个主被动混合智能超表面200的被动反射天线单元电路的数量为A_i，第i个主被动混合智能超表面使能的被动转主动单元电路的数量为B_i，其中，1≤i≤M，且i为整数。B_i＜＜A_i，具体使能的被动转主动单元电路的位置可通过编程来快速配置，与使能的被动转主动单元电路连接的被动反射天线单元作为主动天线单元。

下面结合图1至图3对本实施例提供的基于主被动混合智能超表面的无线通信传输方法进行说明。

参见图2，基于主被动混合智能超表面的无线通信传输方法包括：

步骤S201，上行导频训练阶段：各所述终端分别向所述基站与各所述主被动混合智能超表面发送上行导频信息；各所述主被动混合智能超表面按照挑选准则使能部分被动转主动单元电路挑选部分被动反射天线单元作为主动天线单元，以接收上行导频信息，并将接收到的上行导频信息通过线缆传送至所述基站；所述基站利用自身天线接收所述终端发送的上行导频信息及各所述主被动混合智能超表面通过线缆所传输过来的主动天线单元所接收所述终端所发送的上行导频信息，采用信道估计算法得到所有上行信道信息；各所述主被动混合智能超表面的控制模块依据所述上行信道信息及目标准则对各所述主被动混合智能超表面的被动转主动单元电路的使能和被动反射天线单元的反射系数进行设置。

在本实施例中，各所述主被动混合智能超表面包括多个所述被动反射天线单元，各所述被动反射天线单元对应配置一个所述被动转主动单元电路，各所述主被动混合智能超表面使能的被动转主动单元电路的数量小于或等于各所述主被动混合智能超表面的被动转主动单元电路的数量。

示范性的，在图1中，第i个主被动混合智能超表面的被动反射天线单元电路的数量为A_i，对应的，第i个主被动混合智能超表面的被动反射天线单元也为A_i，一个被动反射天线单元电路与一个被动反射天线单元对应。

在本实施例中，所述挑选准则为以下任一个：随机挑选、等间隔挑选、各所述主被动混合智能超表面的多个被动反射天线单元的上行信道信息补全误差最小、或基站与各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元的联合可达上行接收速率最大化。

示范性的，可以随机挑选部分被动转主动单元电路，将随机挑选的部分被动转主动单元电路使能。

在一实施方式中，所述基站依据自身天线接收到的上行导频信息以及各所述主被动混合智能超表面传送的上行导频信息，对所述基站的上行信道信息及各所述主被动混合智能超表面的全部单元的上行信道信息进行联合估计；或者，

所述基站依据自身天线接收到的上行导频信息估计所述基站的上行信道信息，基于各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元的上行信道信息估计，利用矩阵补全算法，得到各所述主被动混合智能超表面的全部单元的上行信道信息；

其中，各所述主被动混合智能超表面的全部单元包括各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元及被动天线单元。

在一实施方式中，在上行导频训练阶段，所述目标准则为：使得所述终端发送的信号经由各所述主被动混合智能超表面所构造的反射路径以及其他传播路径到达所述基站的可达数据传输速率最大化；或者，

使得所述终端发送的信号经由各所述主被动混合智能超表面所构造出的反射路径以及其他传播路径到达所述基站的信噪比最大化。

示范性的，结合图1，以第i个主被动混合智能超表面200辅助第k个终端300进行上行信道估计为例：

当第k个终端300分别向基站100与各个主被动混合智能超表面200发送上行导频信息后，基站100自身天线接收到的上行导频信息y与各个主被动混合智能超表面200的主动天线单元接收到的上行导频信息u_i的接收信号模型分别由以下公式表示：

其中，h_UB，k为第k个终端300与基站100的上行信道，h_UI，k为第k个终端300与第i个主被动混合智能超表面200的上行信道，H_IB，i为第i个主被动混合智能超表面200与基站100的上行信道。h_k为终端300与基站100的等效上行信道，g_k为终端300与主被动混合智能超表面200的主动天线单元的上行信道。I为对角矩阵，n_BS与A_in_I,i分别为基站与第i个主被动混合智能超表面主动天线单元的信号接收噪声向量。A_i为主被动混合智能超表面200按相关挑选准则进行被动转主动单元电路使能后的主动天线单元指示矩阵以及V_i为被动反射天线单元的反射系数向量。

具体而言，A_i为(A_i+B_i)*(A_i+B_i)维度的对角矩阵，A_i(j，j)＝1代表第i块主被动混合智能超表面200的第j个元素为经过被动转主动单元电路使能后的主动天线单元(最多有B_i个)，A_i(j，j)＝0代表第i块主被动混合智能超表面的第j个元素为被动反射单元(共有A_i-B_i个)。V_i＝[v_i，1，v_i，2，…，v_i，M]为反射系数向量，可根据不同的需求进行调整。例如，第m个元素为其中θ_m为第m个单元的可调相位(第m个单元的类型由单元指示矩阵A_i决定，例如，当第m个单元为被动反射状态，也即A_i(m，m)＝0)，|α_i|为第m个单元的可调幅度。diag(·)为将向量转为对角矩阵的算子。P_k为第k个终端300的信号发送功率，x_k为第k个终端300的发送信息符号。n_BS为基站的信号接收噪声向量，A_in_I，i为第i块主被动混合智能超表面主动天线单元的信号接收噪声向量。

在本实施例中，以参数化信道模型来表示各路信道如下：

在信道模型中，为第k个终端300与基站100的第l条路径的复增益，为第k个终端300与第i块主被动混合智能超表面200的第l条路径的复增益，为第i块主被动混合智能超表面200与基站100的第l条路径的复增益。L_UB，k为第k个终端300与基站100的路径个数，L_UI，k为第k个终端300与第i块主被动混合智能超表面200的路径个数，L_IB，i为第i块主被动混合智能超表面200与基站信道的路径个数。θ与ψ根据不同的下标分别代表路径的到达角与发送角，a(·)为由上行接收天线阵列(基站天线与主被动混合智能超表面的主动天线单元)拓扑决定的阵列响应矢量，其形式如下：

其中，λ为系统载波波长，a_i∈{1，2，…，N_a}为接收天线索引(N_a为天线个数，例如，对于基站的阵列响应矢量，N_a＝N；对于主被动混合智能超表面的阵列响应矢量，N_a＝B_i)，d为天线间距(由天线阵列拓扑结构决定)。

在一实施方式中，若终端300共发送T个导频，则将T个接收信号矢量按矩阵排布得到上行导频接收信号矩阵Y与U_i如下：

Y＝[y₁，y₂，…，y_T]

U_i＝[u_i，1，u_i，2，…，u_i，T]

最后，上行信道估计可建模为如下参数估计问题：

其中，{α，θ，ψ}为待估计的信道参数(省略信道路径下标)，σ_BS为基站接受信号噪声、σ_I为主被动混合智能超表面主动天线单元接受信号噪声，c与d为与噪声相关的超参数，F(·)为参数{α，θ，ψ}的约束函数，该约束函数根据不同的信道特性，利用参数的先验知识限制参数空间的变量维度，降低参数估计的计算复杂度。

在不同的环境与信道特性下，以上问题可由多种方法求解，譬如，当主被动混合智能超表面主动天线单元接受信号噪声强度较低时，等效终端与主被动混合智能超表面主动天线单元上行信道g_k可由最小二乘求解得如下所示：

其中，P_k为第k个用户发送的上行导频信号平均功率，为将T个导频信号矢量按矩阵排布的伪逆矩阵。

利用以上估计的获取h_UI，k的部分参数信息，进而利用在基站接收导频信号，采用但不限于，矩阵补全等算法联合估计其余信道参数，最终恢复h_UB，k与H_IB，i。

以上所述上行导频训练阶段方案仅为本发明的优选实施方式，也可以有其他实施方式，在此不做限制。

步骤S202，上行数据传输阶段：所述终端分别向所述基站与各所述主被动混合智能超表面发送上行信号；所述基站通过自身天线接收到对应的上行信号；各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元将接收到的上行信号传送至所述基站；所述基站依据在上行导频训练阶段得到的所述基站的上行信道信息和各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元的上行信道信息对接收到的所有上行信号进行联合处理。

在一实施方式中，在上行数据传输阶段，所述基站利用自身天线接收到的上行信号包括以下至少一种：视距路径传播过来的信号、各所述主被动混合智能超表面反射的信号、以及环境当中其他散射体反射的信号；

所述基站接收到的上行信号包括：所述基站自身天线接收到的上行信号以及各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元通过所述线缆传递到基站处的上行信号。

示范性的，结合图1，以时分双工(Time Division Duplexing，TDD)模式下第i块主被动混合智能超表面200辅助第k个终端300上行信号传输与上下行信道转换为例进行说明。

当终端300向基站100与主被动混合智能超表面200发送数据后，基站100自身天线接收终端300接收的信号与第i块主被动混合智能超表面200主动天线单元接收的信号可由以下模型表示：

其中，s_k为第k个终端300的上行传输数据符号，y_s为基站自身天线接收的信号，u_i，s为第i块主被动混合智能超表面200的主动天线单元接收信号，h_k与g_k为等效信道。

基于以上两路接收信号，根据实际的硬件架构设计与传输环境特性，可选择不同的信号恢复方法，采用但不限于，最大比合并接受机(Maximum Ratio Combining，MRC),迫零接收机(Zero Forcing Combining，ZF)，最小均方误差接收机(Minimum Mean SquareError Combining，MMSE)等低复杂度线性信号处理接收机或其他非线性信号处理接收机，进行上行的传输数据恢复。

在本实施例中，以最大比合并接受机(Maximum Ratio Combining，MRC)为例：

首先，将接收信号用以下等价形式表示：

其中h_k与g_k分别为h_k＝h_UB，k+H_IB，i(I-A_i)diag(v_i)h_UIg_k＝A_ih_UI，k，，h与n为分别将h_k与g_k，n_BS与A_in_I，i排布得的块状等效信道矢量与等效接收噪声矢量，定义如下：

则经过MRC的接收信号有以下表示：

由于TDD系统的互易性，可知上行信道与下行信道有如下的关系：

其中与为步骤201估计的上行信道， 与为利用TDD系统下的信道互易性获取的下行信道。

步骤S203，下行传输阶段：所述基站根据所述目标准则、在上行导频训练阶段得到的所述基站的上行信道信息和各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元的上行信道信息，对所需发送的下行导频信息或下行数据进行联合编码，通过所述基站的天线阵列及各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元进行联合发送。

在一实施方式中，在下行传输阶段，所述基站采用的联合预编码准则为：最大化终端的信干噪比；或者，最大化系统下行传输速率。

在本实施例中，结合图1，以第i块主被动混合智能超表面200辅助基站100对K个终端300传输数据为例进行说明如下：

基站100对K个终端300联合传输时，第k个终端300的接收信号可由以下模型表示：

y_k＝A_k+B_k+C_k+D_k+n_k

其中，A_k、B_k、C_k、及D_k分别代表对应的关系式如下：

其中，与分别为基站和主被动混合智能超表面的主动天线单元的发送波束赋形矢量，n_k第k个终端接收信号的噪声，n_o为主被动混合智能超表面主动天线单元带来的干扰噪声，P_k为基站对第k个终端信号的发射功率，Q_k为主被动混合智能超表面主动天线单元对第k个终端信号的发射功率，t_k为对第k个终端的传输数据符号。之后根据不同的目标准则，设计被动单元反射系数，主被动单元指示矩阵与发送波束赋形矢量等，将系统性能最大化。

请参见图3，本实施例提供的基于主被动混合智能超表面的无线通信传输方法还包括以下步骤：

步骤S200，同步与接入阶段：所述基站向各所述终端广播同步序列；各所述终端利用接收到的同步序列完成与所述基站的同步并发起上行接入请求，以完成各所述终端的初始接入；所述基站基于网络时钟同步协议通过所述线缆实现与各所述主被动混合智能超表面的同步；通过各所述主被动混合智能超表面的控制模块控制各所述主被动混合智能超表面的初始化。

在一实施方式中，在同步与接入阶段，各所述主被动混合智能超表面的初始化包括各所述被动转主动单元电路的使能设置的初始化及被动反射天线单元的反射系数设置的初始化。

需要补充说明的是，可以按照步骤S200、步骤S201、步骤S202及步骤S203依次执行。

本实施例提供的基于主被动混合智能超表面的无线通信传输方法，能够根据环境与传输需求的不同，动态使能主动被混合智能超表面的被动转主动单元电路，实时调整智能超表面的架构和反射天线单元的反射系数，有效解决现有RIS架构等效信道增益较低、以及RIS侧难以获取准确的信道状态信息等问题；能充分结合现有无线通信系统与智能超表面的优势，利用主被动混合智能超表面带来的架构与反射系数两方面的设计自由度，解决传统通信系统在盲区覆盖、信道环境恶化等方面的难题，从而充分发挥分布式主被动混合智能超表面带来的性能增益，大幅增强现有无线通信的传输性能。

实施例2

此外，本申请实施例提供了一种基于主被动混合智能超表面的无线通信传输系统，包括基站、K个终端及M个主被动混合智能超表面：所述每个主被动混合智能超表面由被动反射天线单元、控制模块和可自定义使能的被动转主动单元电路构成；所述被动转主动单元电路在编程使能后可将所在位置的被动反射天线单元转化为主动天线单元；所述主动天线单元的数量及位置分别由使能的被动转主动单元电路的数量及位置决定；所述基站通过光纤或射频线缆分别与每个主被动混合智能超表面的控制模块和主动天线单元连接，

上行导频训练阶段：所述终端分别向所述基站与各所述主被动混合智能超表面发送上行导频信息；各所述主被动混合智能超表面按照挑选准则使能部分被动转主动单元电路挑选部分被动反射天线单元作为主动天线单元，以接收上行导频信息，并将接收到的上行导频信息通过线缆传送至所述基站；所述基站利用自身天线接收所述终端发送的上行导频信息及各所述主被动混合智能超表面通过线缆所传输过来的主动天线单元所接收所述终端所发送的上行导频信息，采用信道估计算法得到所有上行信道信息；各所述主被动混合智能超表面的控制模块依据所述上行信道信息及目标准则对各所述主被动混合智能超表面的被动转主动单元电路的使能和被动反射天线单元的反射系数进行设置；

上行数据传输阶段：所述终端分别向所述基站与各所述主被动混合智能超表面发送上行信号；所述基站通过自身天线接收到对应的上行信号；各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元将接收到的上行信号传送至所述基站；所述基站依据在上行导频训练阶段得到的所述基站的上行信道信息和各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元的上行信道信息对接收到的所有上行信号进行联合处理；

下行传输阶段：所述基站根据所述目标准则、在上行导频训练阶段得到的所述基站的上行信道信息和各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元的上行信道信息，对所需发送的下行导频信息或下行数据进行联合编码，通过所述基站的天线阵列及各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元进行联合发送。

在一实施方式中，同步与接入阶段：所述基站向各所述终端广播同步序列；各所述终端利用接收到的同步序列完成与所述基站的同步并发起上行接入请求，以完成各所述终端的初始接入；所述基站基于网络时钟同步协议通过所述线缆实现与各所述主被动混合智能超表面的同步；通过各所述主被动混合智能超表面的控制模块控制各所述主被动混合智能超表面的初始化。

在一实施方式中，在同步与接入阶段，各所述主被动混合智能超表面的初始化包括各所述被动转主动单元电路的使能设置的初始化及被动反射天线单元的反射系数设置的初始化。

在一实施方式中，各所述主被动混合智能超表面包括多个所述被动反射天线单元，各所述被动反射天线单元对应配置一个所述被动转主动单元电路，各所述主被动混合智能超表面使能的被动转主动单元电路的数量小于或等于各所述主被动混合智能超表面的被动转主动单元电路的数量。

在一实施方式中，所述挑选准则为以下任一个：随机挑选、等间隔挑选、各所述主被动混合智能超表面的多个被动反射天线单元的上行信道信息补全误差最小、或基站与各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元的联合可达上行接收速率最大化。

在一实施方式中，所述采用信道估计算法得到所有上行信道信息，包括：

所述基站依据自身天线接收到的上行导频信息以及各所述主被动混合智能超表面传送的上行导频信息，对所述基站的上行信道信息及各所述主被动混合智能超表面的全部单元的上行信道信息进行联合估计；或者，

所述基站依据自身天线接收到的上行导频信息估计所述基站的上行信道信息，基于各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元的上行信道信息估计，利用矩阵补全算法，得到各所述主被动混合智能超表面的全部单元的上行信道信息；

其中，各所述主被动混合智能超表面的全部单元包括各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元及被动天线单元。

在一实施方式中，在上行导频训练阶段，所述目标准则为：使得所述终端发送的信号经由各所述主被动混合智能超表面所构造的反射路径以及其他传播路径到达所述基站的可达数据传输速率最大化；或者，

使得所述终端发送的信号经由各所述主被动混合智能超表面所构造出的反射路径以及其他传播路径到达所述基站的信噪比最大化。

在一实施方式中，在上行数据传输阶段，所述基站利用自身天线接收到的上行信号包括以下至少一种：视距路径传播过来的信号、各所述主被动混合智能超表面反射的信号、以及环境当中其他散射体反射的信号；

所述基站接收到的上行信号包括：所述基站自身天线接收到的上行信号以及各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元通过所述线缆传递到基站处的上行信号；

在一实施方式中，在下行传输阶段，所述基站采用的联合预编码准则为：最大化终端的信干噪比；或者，最大化系统下行传输速率。

本实施例提供的基于主被动混合智能超表面的无线通信传输系统可以实现实施例1所提供的基于主被动混合智能超表面的无线通信传输方法，为避免重复，在此不再赘述。

本实施例提供的基于主被动混合智能超表面的无线通信传输系统，能够根据环境与传输需求的不同，动态使能主动被混合智能超表面的被动转主动单元电路，实时调整智能超表面的架构和反射天线单元的反射系数，有效解决现有RIS架构等效信道增益较低、以及RIS侧难以获取准确的信道状态信息等问题；能充分结合现有无线通信系统与智能超表面的优势，利用主被动混合智能超表面带来的架构与反射系数两方面的设计自由度，解决传统通信系统在盲区覆盖、信道环境恶化等方面的难题，从而充分发挥分布式主被动混合智能超表面带来的性能增益，大幅增强现有无线通信的传输性能。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者终端中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备执行本申请各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于主被动混合智能超表面的无线通信传输方法，其特征在于，应用于基于主被动混合智能超表面的无线通信传输系统，所述系统包括基站、K个终端及M个主被动混合智能超表面，所述每个主被动混合智能超表面由被动反射天线单元、控制模块和可自定义使能的被动转主动单元电路构成；所述被动转主动单元电路在编程使能后可将所在位置的被动反射天线单元转化为主动天线单元；所述主动天线单元的数量及位置分别由使能的被动转主动单元电路的数量及位置决定；所述基站通过光纤或射频线缆分别与每个主被动混合智能超表面的控制模块和主动天线单元连接，所述方法包括：

上行导频训练阶段：各所述终端分别向所述基站与各所述主被动混合智能超表面发送上行导频信息；各所述主被动混合智能超表面按照挑选准则使能部分被动转主动单元电路挑选部分被动反射天线单元作为主动天线单元，以接收上行导频信息，并将接收到的上行导频信息通过线缆传送至所述基站；所述基站利用自身天线接收所述终端发送的上行导频信息及各所述主被动混合智能超表面通过线缆所传输过来的主动天线单元所接收所述终端所发送的上行导频信息，采用信道估计算法得到所有上行信道信息；各所述主被动混合智能超表面的控制模块依据所述上行信道信息及目标准则对各所述主被动混合智能超表面的被动转主动单元电路的使能和被动反射天线单元的反射系数进行设置；

上行数据传输阶段：所述终端分别向所述基站与各所述主被动混合智能超表面发送上行信号；所述基站通过自身天线接收到对应的上行信号；各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元将接收到的上行信号传送至所述基站；所述基站依据在上行导频训练阶段得到的所述基站的上行信道信息和各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元的上行信道信息对接收到的所有上行信号进行联合处理；

下行传输阶段：所述基站根据所述目标准则、在上行导频训练阶段得到的所述基站的上行信道信息和各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元的上行信道信息，对所需发送的下行导频信息或下行数据进行联合编码，通过所述基站的天线阵列及各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元进行联合发送。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上行导频训练阶段之前，所述方法还包括：

同步与接入阶段：所述基站向各所述终端广播同步序列；各所述终端利用接收到的同步序列完成与所述基站的同步并发起上行接入请求，以完成各所述终端的初始接入；所述基站基于网络时钟同步协议通过所述线缆实现与各所述主被动混合智能超表面的同步；通过各所述主被动混合智能超表面的控制模块控制各所述主被动混合智能超表面的初始化。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在同步与接入阶段，各所述主被动混合智能超表面的初始化包括各所述被动转主动单元电路的使能设置的初始化及被动反射天线单元的反射系数设置的初始化。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各所述主被动混合智能超表面包括多个所述被动反射天线单元，各所述被动反射天线单元对应配置一个所述被动转主动单元电路，各所述主被动混合智能超表面使能的被动转主动单元电路的数量小于或等于各所述主被动混合智能超表面的被动转主动单元电路的数量。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述挑选准则为以下任一个：随机挑选、等间隔挑选、各所述主被动混合智能超表面的多个被动反射天线单元的上行信道信息补全误差最小、或基站与各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元的联合可达上行接收速率最大化。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用信道估计算法得到所有上行信道信息，包括：

所述基站依据自身天线接收到的上行导频信息以及各所述主被动混合智能超表面传送的上行导频信息，对所述基站的上行信道信息及各所述主被动混合智能超表面的全部单元的上行信道信息进行联合估计；或者，

所述基站依据自身天线接收到的上行导频信息估计所述基站的上行信道信息，基于各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元的上行信道信息估计，利用矩阵补全算法，得到各所述主被动混合智能超表面的全部单元的上行信道信息；

其中，各所述主被动混合智能超表面的全部单元包括各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元及被动天线单元。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在上行导频训练阶段，所述目标准则为：使得所述终端发送的信号经由各所述主被动混合智能超表面所构造的反射路径以及其他传播路径到达所述基站的可达数据传输速率最大化；或者，

使得所述终端发送的信号经由各所述主被动混合智能超表面所构造出的反射路径以及其他传播路径到达所述基站的信噪比最大化。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在上行数据传输阶段，所述基站利用自身天线接收到的上行信号包括以下至少一种：视距路径传播过来的信号、各所述主被动混合智能超表面反射的信号、以及环境当中其他散射体反射的信号；

所述基站接收到的上行信号包括：所述基站自身天线接收到的上行信号以及各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元通过所述线缆传递到基站处的上行信号。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在下行传输阶段，所述基站采用的联合预编码准则为：最大化终端的信干噪比；或者，最大化系统下行传输速率。

10.一种基于主被动混合智能超表面的无线通信传输系统，其特征在于，所述系统包括基站、K个终端及M个主被动混合智能超表面：所述每个主被动混合智能超表面由被动反射天线单元、控制模块和可自定义使能的被动转主动单元电路构成；所述被动转主动单元电路在编程使能后可将所在位置的被动反射天线单元转化为主动天线单元；所述主动天线单元的数量及位置分别由使能的被动转主动单元电路的数量及位置决定；所述基站通过光纤或射频线缆分别与每个主被动混合智能超表面的控制模块和主动天线单元连接；

上行导频训练阶段：所述终端分别向所述基站与各所述主被动混合智能超表面发送上行导频信息；各所述主被动混合智能超表面按照挑选准则使能部分被动转主动单元电路挑选部分被动反射天线单元作为主动天线单元，以接收上行导频信息，并将接收到的上行导频信息通过线缆传送至所述基站；所述基站利用自身天线接收所述终端发送的上行导频信息及各所述主被动混合智能超表面通过线缆所传输过来的主动天线单元所接收所述终端所发送的上行导频信息，采用信道估计算法得到所有上行信道信息；各所述主被动混合智能超表面的控制模块依据所述上行信道信息及目标准则对各所述主被动混合智能超表面的被动转主动单元电路的使能和被动反射天线单元的反射系数进行设置；

上行数据传输阶段：所述终端分别向所述基站与各所述主被动混合智能超表面发送上行信号；所述基站通过自身天线接收到对应的上行信号；各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元将接收到的上行信号传送至所述基站；所述基站依据在上行导频训练阶段得到的所述基站的上行信道信息和各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元的上行信道信息对接收到的所有上行信号进行联合处理；

下行传输阶段：所述基站根据所述目标准则、在上行导频训练阶段得到的所述基站的上行信道信息和各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元的上行信道信息，对所需发送的下行导频信息或下行数据进行联合编码，通过所述基站的天线阵列及各所述主被动混合智能超表面的主动天线单元进行联合发送。