一种级联的可重构智能表面无线通信系统及方法

1.一种级联的可重构智能表面无线通信系统，其特征在于，包括一个可重构智能表面发信机、一个可重构智能表面反射面和一个接收者端；所述可重构智能表面发信机包括一个单音信号源和一个可重构智能表面，可重构智能表面包括若干个可重构智能表面基本单元；所述可重构智能表面反射面包括若干个可重构智能表面基本单元；所述单音信号源用于生成恒定频率的载波信号，并将其入射至可重构智能表面发信机中的可重构智能表面；所述可重构智能表面发信机中的可重构智能表面对来自单音信号源的入射信号相移矢量附加相移，其中一部分相移用于实现信号的相位调制，另一部分相移用于匹配相位调制信号与传输信道之间的相移，实现信道增益最大化；所述可重构智能表面反射面对来自可重构智能表面发信机的入射信号相移矢量附加相移，用于匹配入射信号与传输信道之间的相移，实现信道增益最大化；所述接收者端用于接收并解调信号。 2.一种级联的可重构智能表面无线通信方法，运行于权利要求1所述的级联的可重构智能表面无线通信系统上，其特征在于，包括：(1)可重构智能表面发信机的单音信号源发射载波信号；(2)建立可重构智能表面发信机对载波信号附加的相移矢量；发送信息的比特数据流依据相位调制的星座图得到入射载波信号相应的相位偏移，根据相位偏移与可重构智能表面基本单元控制电压的对应关系，对可重构智能表面发信机中的可重构智能表面基本单元施加相应电压，实现载波信号的信号调制，得到调制信号；(3)建立可重构智能表面发信机对调制信号附加的相移矢量；步骤(2)得到的调制信号经过可重构智能表面发信机中的可重构智能表面对其附加的相移矢量附加相移，并将其反射至自由空间中，实现调制信号的信号发送，得到发送信号；(4)根据可重构智能表面发信机与可重构智能表面反射面之间的位置关系，建立信道矩阵；步骤(3)得到的发送信号在自由空间传输，经过信道矩阵后入射至级联的可重构智能表面反射面；(5)建立可重构智能表面反射面对入射信号附加的相移矢量；步骤(4)形成的入射信号经过可重构智能表面反射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；(6)根据可重构智能表面反射面与接收者端之间的位置关系，建立信道矢量；步骤(5)形成的反射信号在自由空间传输，经过信道矢量后在接收者端被接收。 3.根据权利要求2所述的一种级联的可重构智能表面无线通信方法，其特征在于，步骤(1)中，可重构智能表面发信机的单音信号源发射载波信号x,如式(Ⅰ)所示：式(Ⅰ)中，A c 表示单音载波信号幅度，f c 表示单音载波信号频率，t表示时间，j表示复数。 4.根据权利要求2所述的一种级联的可重构智能表面无线通信方法，其特征在于，步骤(2)中，建立可重构智能表面发信机对载波信号x附加的相移矢量Φ，如式(II)所示：式(II)中， 表示可重构智能表面发信机的第i个可重构智能表面基本单元对步骤(1)发射的载波信号x进行相位调制时附加的相移。 5.根据权利要求2所述的一种级联的可重构智能表面无线通信方法，其特征在于，步骤(3)中，建立可重构智能表面发信机对调制信号附加的相移矢量Ξ，如式(Ⅲ)所示：Ξ＝diag(ξ 1 ,ξ 2 ,…,ξ i ,…,ξ M ) (Ⅲ)式(Ⅲ)中，ξ i 表示可重构智能表面发信机的第i个可重构智能表面基本单元对步骤(2)形成的调制信号附加的相移。 6.根据权利要求2所述的一种级联的可重构智能表面无线通信方法，其特征在于，步骤(4)中，信道矩阵H如式(Ⅳ)所示：式(Ⅳ)中，h ij 表示可重构智能表面发信机的第i个可重构智能表面基本单元与可重构智能表面反射面的第j个可重构智能表面基本单元之间的信道增益；h ij 的计算公式如式(Ⅴ)所示：式(Ⅴ)中，d 1 表示可重构智能表面发信机与可重构智能表面反射面之间的中心距离，α 1 表示路径损耗指数，ω ij 表示信号在信道传输中产生的相移，系数a ij 是服从独立同分布的瑞利分布随机变量，均值为 方差为 7.根据权利要求2所述的一种级联的可重构智能表面无线通信方法，其特征在于，步骤(5)中，建立可重构智能表面反射面对入射信号附加的相移矢量Θ，如式(VI)所示：Θ＝diag(θ 1 ,θ 2 ,…,θ j ,…,θ N ) (VI)式(VI)中，θ j 表示可重构智能表面反射面第j个可重构智能表面基本单元对入射信号附加的相移。 8.根据权利要求2所述的一种级联的可重构智能表面无线通信方法，其特征在于，步骤(6)中，根据可重构智能表面反射面与接收者端之间的位置关系，建立信道矢量g，如式(VII)所示：g＝[g 1 ,g 2 ,…g j …,g N ] T (VII)式(VII)中，g j 表示可重构智能表面反射面的第j个可重构智能表面基本单元与接收者端之间的信道增益；g j 的计算公式如式(VIII)所示：式(VIII)中，d 2 表示可重构智能表面反射面与接收者端之间的中心距离，α 2 表示路径损耗指数，ψ j 表示信号在信道传输中产生的相移，系数b j 是服从独立同分布的瑞利分布随机变量，均值为 方差为 9.根据权利要求2所述的一种级联的可重构智能表面无线通信方法，其特征在于，步骤(6)中，接收者端接收信号y如式(Ⅸ)所示：式(Ⅸ)中，ξ i 表示可重构智能表面发信机的第i个可重构智能表面基本单元对调制信号附加的相移，θ j 表示可重构智能表面反射面第j个可重构智能表面基本单元对入射信号附加的相移，n表示信道中独立于输入信号的高斯白噪声，n～N(0,σ 2 )，σ 2 为高斯白噪声的方差。 10.根据权利要求2-9任一所述的一种级联的可重构智能表面无线通信方法，其特征在于，步骤(6)中，接收者端接收信号y的最大信噪比γ表达式如式(Ⅹ)所示：式(Ⅹ)中，P＝A c 2 为未调制的载波信号功率；接收者端接收信号的最大信噪比γ的概率密度函数p γ (γ)和累计分布函数P γ (γ)分别由式(Ⅺ)、(Ⅻ)近似表示：式(Ⅺ)、(Ⅻ)中，Γ(·)为伽马函数， 为Meijer-G函数， m和n为Generalized-K分布的参数，Ω为 的二阶矩，m和n的具体数值通过矩匹配方法得到；a ij b j 服从Generalized-K分布， 的概率密度函数由 近似， 服从平方Generalized-K分布，借助Meijer-G函数性质得到接收者端接收信号的最大信噪比γ的概率密度函数p γ (γ)和累计分布函数P γ (γ)表达式；步骤(6)中，接收者端接收信号中断概率表达式如式(ⅩⅢ)所示：式(ⅩⅢ)中，γ th 为通信链路中断的信噪比门限值；步骤(6)中，接收者端接收信号平均信道容量表达式如式(ⅩⅣ)所示：步骤(6)中，接收者端接收信号平均误比特率表达式如式(ⅩⅤ)所示：式(ⅩⅤ)中，参数u、v的不同取值决定二进制调制方式。