一種智能反射面輔助的無線供能空中計算系統(tǒng)

西南大學(xué)西塔學(xué)院 侯晨璇

在研究智能反射面分類與工作原理以及空中計算基本原理的基礎(chǔ)之上,本文提出了一種對兩者進行結(jié)合,由智能反射面發(fā)揮輔助作用的無線供能空中計算系統(tǒng)。通常情況下,接入點會基于智能反射面的輔助經(jīng)由其下行鏈路執(zhí)行向多個傳感器傳輸無線能量的任務(wù),進一步地,上行鏈路則為空中計算提供支持,以期為今后設(shè)計工作的開展提供參考。

0 引言

在5G逐漸商用的宏觀背景下,6G研究也開始引起大家的關(guān)注,在這之中,智能反射面最是突出,它可以智能化地對無線環(huán)境進行操控,以此讓通信信道變得具有可控性,將傳統(tǒng)意義上信道全部都是對通信鏈路產(chǎn)生不利影響這一認知顛覆[1]。以往,人們針對通信理論所作的研究與實踐都是將發(fā)射機與接收機作為關(guān)注重點,認為信道發(fā)揮的作用具有負面性,呼吁進行更加優(yōu)質(zhì)的發(fā)射機與接收機的設(shè)計,以達到將通信系統(tǒng)性能優(yōu)化的目的。智能反射面恰恰做到了反其道而行,它給予通信信道以可靠性,由此一來,學(xué)者們與相關(guān)業(yè)界人士的研究重點不再局限在收發(fā)機的設(shè)計之上,這無疑可以在極大程度上影響今后的通信系統(tǒng)。

基于智能反射面與空中計算兩者的優(yōu)勢,本文對它們進行融合,提出一種由智能反射面發(fā)揮輔助作用的無線供能空中計算系統(tǒng)。

1 智能反射面與空中計算

1.1 智能反射面分類與工作原理

對于智能反射面,可以從“狹義”與“廣義”兩個層面對其進行定義。從“廣義”層面上來看,智能反射面所指的是能夠?qū)o線環(huán)境進行智能化配置的反射表面或是結(jié)構(gòu),舉例而言,大型智能元表面、智能反射單元組以及無源智能表面等都屬于狹義智能反射面的范疇。從“狹義”層面上來看,智能反射面主要指的是基于軟件等的支持,對反射面上大量無源反射元表現(xiàn)出來的反射特性進行控制,以此實現(xiàn)對無線信道的主動修改,為更好地優(yōu)化無線鏈路的性能提供新的自由度[2]。在經(jīng)過智能反射面反射處理之后,基站發(fā)動的信號會同經(jīng)由其他路徑進行傳播的信號實現(xiàn)建設(shè)性的疊加或者是相互抵消,進而增強期望接收端的信噪比,或者是對同信道干擾等信號進行抑制。

狹義視角下的智能反射面主要包括一個三層面板及智能控制器。外層含有很多被印刷于介電基板上的金屬片在內(nèi),可以同入射信號產(chǎn)生直接的相互作用;中間層所用為銅板或是其他金屬,目的在于對信號能量泄漏的現(xiàn)象加以規(guī)避;內(nèi)層是一個控制電路板,發(fā)揮的功能為對各個元結(jié)構(gòu)(外層的金屬片)的反射振幅/相移進行調(diào)整,經(jīng)由智能反射面的智能控制器施以相應(yīng)的控制。智能反射面通信技術(shù)只是將接收信號相位改變,無需將有源射頻組件引入,可以在很大程度上達到對系統(tǒng)功耗的降低目的。

1.2 空中計算的基本原理

所謂空中計算,指的是對無線信號傳輸過程中表現(xiàn)出來的疊加特性加以運用,直接在空中完成對以不同用戶數(shù)據(jù)為來源的函數(shù)的計算任務(wù)。此處以一個典型的多址接入信道為例,對空中計算的基本原理進行相應(yīng)的分析。根據(jù)圖1所示,系統(tǒng)由K個終端設(shè)備以及一個基站(或者是邊緣服務(wù)器)構(gòu)成,此處,終端集合用來κ表示,假設(shè)Xk所表示的是終端設(shè)備k的本地信息,基站會與接收到的終端信號相結(jié)合執(zhí)行對｛Xk｝的計算任務(wù),這是其目的所在。為了保證討論上的簡便性,設(shè)基站擬計算函數(shù)為｛Xk｝的平均值,有

圖1 空中計算示意圖Fig.1 Schematic diagram of air calculation

在以往較為傳統(tǒng)的多址接入方案中,基站會針對每一個設(shè)備數(shù)據(jù)Xk執(zhí)行針對性的解碼處理,之后進行進一步的匯總與平均?？罩杏嬎闩c其存在不同,在進行空中計算之時,各個終端設(shè)備會先執(zhí)行歸一化操作gk(·),以此可以獲取經(jīng)過處理的本地信息進一步地,進行信息αk xk的發(fā)送,在這之中,kα所表示的為終端設(shè)備k的發(fā)送系數(shù)。在完成對信號的接收任務(wù)之后,邊緣服務(wù)器會進一步進行直接檢測工作,以獲取平均值之后,經(jīng)由對的歸一化處理得到有效信息所以,這一部分的難點體現(xiàn)在怎樣實現(xiàn)對期望信號f的有效恢復(fù)之上。詳細來說,令kh表示終端設(shè)備k到基站的信道參數(shù),由此,可以得到基站接收到的信號,具體表示為該式中的z所表示的是噪聲。在完成對這一信號的接收之后,基站會在降噪處理作業(yè)的進行下得到信息,此式中η所表示的是降噪因子。如果系統(tǒng)所處的是一種沒有任何噪聲的理想狀態(tài),則可以進行如下設(shè)置:同時,設(shè)置η=1,由此一來,接收到的信號可以直接表示為基站的期望信號,這種狀態(tài)下有f?=f,其中,⊥所表示的是共軛運算。所以,當(dāng)處于這一狀態(tài)之時,僅需經(jīng)過一次傳輸便能完成對K個終端設(shè)備數(shù)據(jù)的平均計算處理,進而實現(xiàn)對系統(tǒng)頻譜利用率的大幅度提升,同時,達到將傳輸時延有效降低的目的。

不過,在實際執(zhí)行空中計算任務(wù)之時,無線信道的衰落特性和接收機噪聲等因素都會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響,加之終端設(shè)備在發(fā)送功率上同樣會受到相應(yīng)的限制,故而怎樣基于實際系統(tǒng)的約束進行發(fā)送信號以及接收機算法的設(shè)計,成為對期望信號f加以恢復(fù)的關(guān)鍵所在[3]。在無線網(wǎng)絡(luò)中,空中計算的實現(xiàn)方式主要可以分為兩種,一種是模擬空中計算,另外一種則是數(shù)字空中計算。

2 智能反射面輔助下的無線供能空中計算系統(tǒng)

在對以智能反射面輔助為基礎(chǔ)的空中計算系統(tǒng)進行分析之時,多天線接入點基于智能反射面的幫助,會經(jīng)由下行鏈路執(zhí)行對傳感器的無線供能任務(wù),同時,在上行鏈路的作用下對傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)進行匯集。假設(shè)多天線接入點裝備所擁有的天線一共為M根,M不小于1,同時,傳感器進行單根天線的配備,其數(shù)目一共為K,智能反射面的反射單元數(shù)目一共為N,K與N同樣不小于1。對多天線接入點的天線集合、傳感器數(shù)目集合以及智能反射面反射單元的數(shù)目集合進行定義,分別表示為將準(zhǔn)平穩(wěn)的信道作為考慮因素,在某一特定時間段內(nèi),無線信道會對一個固定的狀態(tài)予以保持。用T來表示時間段的時間長度,每一個時間段都會進行兩個時隙的劃分,在前面一個時隙中,多天線接入點會經(jīng)由下行鏈路執(zhí)行對傳感器的無線供能任務(wù),用τ表示其時間長度;在后面一個時隙中,傳感器會通過上行鏈路的作用向多天線接入點發(fā)送數(shù)據(jù)流,以此執(zhí)行空中計算任務(wù),此時的時間長度表示為T-τ。出于對上下行鏈路無線信道是互易性信道這一實際情況的考慮,分別對多天線接入點到第k個傳感器、多天線接入點到第n個智能反射面發(fā)射單元、智能反射面到第k個傳感器的信道向量進行定義,將它們表示為以及

在下行無限能量傳輸時隙中,對多天線接入點所發(fā)送的攜能信號的向量作如下定義,表示為w∈CM×1。就智能反射面而言,對其反射波束矩陣作如下定義,用對其加以表示,其中,有等式表示的是第n個單元所具有的反射參數(shù),其所屬幅度為 ,另外,相移則是θnd∈［0 ,2π］。此處,用(a1,…,an)來表示對角參數(shù),它們所表示的是(a1,… ,an)的對角矩陣。

與上述相關(guān)定義相結(jié)合,可以對第k個傳感器收集到的射頻信號功率作出以下表示:

此式中有η＞0,表示的是傳感器中射頻至直流的能量轉(zhuǎn)化效率。W=ΔE(wwH)∈C表示的是由多天線接入點發(fā)送出來的能量協(xié)方差矩陣,該矩陣表示的是一個半正定矩陣,且滿足條件。用Pmax來表示多天線接入點的最大發(fā)送功率,則可進一步得到不等式tr(W)≤Pmax。

在上行鏈路的空中計算時隙中,對智能反射面的反射波束賦形矩陣作如下定義,有該式中,所表示的是第n個反射單元的參數(shù),有,該參數(shù)的幅度為 ,另外,其相移為。在所有的傳感器中,都進行如下設(shè)定,即相互之間具有獨立性的傳感變量序列用來表示,其中,Xk滿足條件且此處的l所表示的是對均勻分布予以服從的隨機源值。對多天線接入點的期待函數(shù)是算術(shù)平均的形式進行分析,可對其作以下表示:

對于傳感器來說,其會進行X的直接發(fā)送,不過為了更好地提高便捷性,此處作相應(yīng)的變動,對X經(jīng)過歸一化處理之后的形式進行發(fā)送,將其定義為sk=u(Xk), ?k∈κ,在該式中,函數(shù)u()所表示的是經(jīng)過歸一化處理的函數(shù),對于全部的傳感器而言,該函數(shù)表現(xiàn)出線性同時分布均勻的特點,這能夠為｛sk｝具有零均值以及單位方差提供保證。

進一步在此基礎(chǔ)之上,可以得到多天線接入點收集到的信號的表達式,如公式(3)所示:

在該式中,qk所表示的是第k個傳感器的發(fā)送功率,另外,Qk所表示的是最大值,而向量n表示的則是多天線接入點天線端的加性高斯白噪聲,該白噪聲的均值為0,方差用σ2來表示。進一步地,用u∈CM×1來表示多天線接入點的接收波束向量,則可以得到最后輸出信號的表達式,如公示(4)所示。

下式表示的是多天線接入點由第k個傳感器處接收到的信號噪聲比。對此,完成了基于智能反射面輔助的無線供能空中計算系統(tǒng)模型的建立。

3 結(jié)語

本文針對以智能反射面輔助為基礎(chǔ)的無線供能空中計算系統(tǒng)進行分析,對傳輸時間段進行兩個時隙的劃分,分別執(zhí)行對無限能量的傳輸以及空中計算的任務(wù)。由于篇幅所限,本文系統(tǒng)僅是一種構(gòu)想,后期還需進行進一步的研究,將該系統(tǒng)有序地投入到具體的實踐中。

引用

[1] 程吟軒,周思源,譚國平,等.基于空中智能表面的毫米波通信性能分析[J].計算機與現(xiàn)代化,2021(4):68-73.

[2] 李苗鈺,杜忠昊,劉雨彤,等.一種面向物聯(lián)網(wǎng)的智能反射面通信系統(tǒng)優(yōu)化方法[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2021(2):454-461.

[3] 周游,蘭天宇.無線通信系統(tǒng)中的智能反射面研究綜述[J].信息工程大學(xué)學(xué)報,2021(3):277-282.