全維智能可重構(gòu)無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：【目的】通過探討智能無線環(huán)境和智能可重構(gòu)物理層的應(yīng)用需求和發(fā)展趨勢，構(gòu)建全維智能可重構(gòu)無線通信模型和體系結(jié)構(gòu)。【方法】首先，將物理層參數(shù)和無線傳播環(huán)境等無線通信鏈路的各個維度納入智能可重構(gòu)范疇，解決了由于硬件條件與無線環(huán)境限制引起的傳統(tǒng)通信技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)更高維調(diào)控自由度的問題。然后，利用優(yōu)化和定制物理層與無線環(huán)境所需的感知數(shù)據(jù)，提出一種允許根據(jù)不同無線環(huán)境和PHY參數(shù)在人工智能算法之間動態(tài)切換的全維可重構(gòu)結(jié)構(gòu)?！窘Y(jié)果】仿真和分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)在誤碼率和可達(dá)速率等指標(biāo)上均優(yōu)于傳統(tǒng)方法。【結(jié)論】將智能可重構(gòu)的思想延伸到無線傳播環(huán)境和整個通信鏈路的各個維度，構(gòu)建了高效的全維智能可重構(gòu)無線通信系統(tǒng)，可以為6G移動通信系統(tǒng)提供工程應(yīng)用指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：智能可重構(gòu)；智能無線環(huán)境；可重構(gòu)物理層；移動通信

中圖分類號：TN929" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）13-0014-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.13.003

The Design and Implementation of Full-dimensional Intelligent

Reconfigurable Wireless Communication Systems

TIAN Di1 ZHANG Jing1 LUO Wenyu2

（1.College of Software Technology， Henan Finance University， Zhengzhou 450046，China;

2.School of Physics and Electronics， North China University of Water Resources and Electric Power，

Zhengzhou 450046，China）

Abstract： [Purposes] This article aims to explore the application requirements and development trends of intelligent wireless environments and intelligent reconfigurable physical layers， and construct a comprehensive intelligent reconfigurable wireless communication model and architecture. [Methods] Firstly， incorporating various dimensions of wireless communication links such as physical layer parameters and wireless propagation environment into the scope of intelligent reconfigurability solves the problem of traditional communication technologies being unable to achieve higher dimensional control degrees due to hardware conditions and wireless environment limitations. Then， utilizing the perception data required for optimizing and customizing the physical layer and wireless environment， a fully reconfigurable structure is proposed that allows for dynamic switching between artificial intelligence algorithms based on different wireless environments and PHY parameters. [Findings] The simulation and analysis results show that the system is superior to the traditional method in terms of bit error rate and achievable rate. [Conclusions] By extending the idea of intelligent reconfigurability to various dimensions of wireless propagation environment and the entire communication link， an efficient full dimensional intelligent reconfigurable wireless communication system has been constructed， which can provide a theoretical basis and guidance for 6G mobile communication systems.

Keywords： intelligent reconfigurable; smart radio environments; reconfigurable physical layer; mobile communication

0 引言

近年來，智能無線環(huán)境利用可重構(gòu)智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）將無線環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芸芍貥?gòu)實(shí)體，為6G通信性能的全面提升提供了新的可能性［1］。6G作為支持不同需求異構(gòu)服務(wù)的單一網(wǎng)絡(luò)［2］，采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)智能可重構(gòu)物理層（Physical Layer， PHY）［3］，能夠靈活適應(yīng)環(huán)境變化，實(shí)現(xiàn)高吞吐量、高可靠性和超低時延等目標(biāo)。因此，6G旨在通過智能可重構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)出與之前無線網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)不同的可控、智能、可重構(gòu)和可編程的通信系統(tǒng)［4］，以實(shí)現(xiàn)“數(shù)創(chuàng)世界新，智通萬物靈”的美好愿景［5］。

本研究從端到端的無線通信系統(tǒng)出發(fā)，將智能可重構(gòu)的思想同時延伸到無線傳播環(huán)境和PHY等整個無線通信鏈路的各個維度，以支持各種更優(yōu)異的性能指標(biāo)，如速率、延遲、可靠性、能量效率和隱私性等。

1 智能無線環(huán)境

隨著電磁頻譜越來越擁擠，無線通信傳播環(huán)境也變得更加復(fù)雜和難以控制。不可控?zé)o線環(huán)境帶來的影響包括信號衰減限制傳輸距離、多徑傳播導(dǎo)致信號衰落、大量物體的反射/折射造成不可控干擾等。

近年來，結(jié)合RIS和人工智能提出的智能無線環(huán)境為該問題的解決提供了一種革命性的方法［6］。該思想最早由Liaskos等［7］提出，即HyperSurFace，其利用內(nèi)部集成控制器組在本地交互并進(jìn)行全局通信，實(shí)現(xiàn)既定的電磁特性。通過涂敷大量低成本超表面并采用軟件控制，可以有效重塑電磁波的傳播，包括波吸收、異常反射、極化偏轉(zhuǎn)和聚焦等。因此，在傳統(tǒng)通信方式上認(rèn)為無法控制的對象變成了有助于通信和信息處理的可編程物體，使無線環(huán)境本身成為一個可進(jìn)行編程、配置和優(yōu)化的實(shí)體［8］。

Wong等［9］利用具有更低路徑損耗的非輻射陷波表面波傳輸信號，為實(shí)現(xiàn)智能無線環(huán)境提供了一種新的視角。Liaskos 等［10］針對智能無線環(huán)境提出一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的用戶自適應(yīng)配置方法。Fiore 等［11］從原型、白皮書、資助項(xiàng)目和標(biāo)準(zhǔn)化等方面對智能無線環(huán)境進(jìn)行了總結(jié)和分析。

因此，未來的無線系統(tǒng)將更多依賴于對無線環(huán)境的編程控制。目前，針對智能無線環(huán)境的研究主要集中在硬件演示平臺和點(diǎn)對點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測試 ［10-11］，以及RIS輔助通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、信道估計(jì)和系統(tǒng)優(yōu)化等方面，側(cè)重于無線資源管理和分配等領(lǐng)域?，F(xiàn)有關(guān)于智能無線環(huán)境的研究更多只是考慮無線信道部分，如Tang等［12］。然而，僅在無線信道這一單一維度上的智能可重構(gòu)不足以滿足6G的多種挑戰(zhàn)性需求。

2 智能可重構(gòu)物理層

近年來，可重構(gòu)PHY在算法和體系結(jié)構(gòu)上獲得了長足發(fā)展，其依賴上層改變子載波間隔、帶寬以及調(diào)制、同步和信道編碼等參數(shù)來完成各種決策任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)可靠的無線通信。由于具備靈活度高、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可編程邏輯器件在可重構(gòu)PHY中起著關(guān)鍵作用。Hoydis 等［13］提出了基于人工智能的無線通信優(yōu)化方案，適用于任何硬件、無線環(huán)境和應(yīng)用程序。為提高吞吐量和可靠性，Aoudia 等［14］通過智能優(yōu)化發(fā)射端和接收端，在不需要正交導(dǎo)頻的情況下實(shí)現(xiàn)可靠信號檢測，降低了控制信令的開銷。Pranoti 等［15］提出了一種垂直切換算法，通過控制FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）實(shí)現(xiàn)在幾種PHY狀態(tài)之間靈活切換，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能。

新一代通信服務(wù)更傾向于全局智能可重構(gòu)，涵蓋PHY和電磁波傳播過程。因此，可重構(gòu)PHY需要通過不斷學(xué)習(xí)去適應(yīng)智能無線環(huán)境的變化，動態(tài)選擇重構(gòu)參數(shù)。

3 全維智能可重構(gòu)無線通信系統(tǒng)

針對6G“泛在無線智能”的演進(jìn)需求，當(dāng)前通信范式受PHY硬件條件約束和無線信道影響，很難有更高維度的調(diào)控自由度。因此，需要設(shè)計(jì)一種適配任何硬件和無線環(huán)境的可控、智能、可重構(gòu)和可編程的無線通信系統(tǒng)。鑒于RIS在提供通信系統(tǒng)動態(tài)性能和降低成本等方面的卓越優(yōu)勢以及在6G通信系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力，利用RIS通過空間譜全息和空間波場合成，有望實(shí)現(xiàn)對整個物理空間和電磁場的全閉環(huán)控制，大大提高頻譜利用率和網(wǎng)絡(luò)容量。

全維智能可重構(gòu)無線通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)通信范式之間的根本差異在于增加了優(yōu)化和定制PHY與無線環(huán)境所需的感知數(shù)據(jù)和反饋開銷，如圖1所示?；诖?，本研究提出了一種允許根據(jù)不同無線環(huán)境和PHY參數(shù)在人工智能算法之間動態(tài)切換的全維可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。數(shù)據(jù)單元從上層接收數(shù)據(jù)并分別轉(zhuǎn)發(fā)給發(fā)射物理層和性能分析模塊。發(fā)射物理層處理包括信道編碼、數(shù)據(jù)調(diào)制和波形調(diào)制等，然后將信號通過天線輻射到智能無線環(huán)境中。除了信道均衡之外，接收物理層的處理與發(fā)射物理層的處理一一對應(yīng)，并且每個模塊執(zhí)行相應(yīng)的逆操作。性能分析模塊用來計(jì)算誤比特率、延遲和吞吐量等。動態(tài)局部重配置/動態(tài)參數(shù)配置模塊允許對各種收發(fā)器操作進(jìn)行動態(tài)配置，具體由設(shè)備配置單元統(tǒng)一完成。人工智能處理器根據(jù)性能分析結(jié)果、PHY參數(shù)及無線傳播環(huán)境等信息，通過學(xué)習(xí)算法得出最優(yōu)配置參數(shù)并向設(shè)備配置單元提供輸入。此外，還能夠通過配置RIS實(shí)現(xiàn)對無線環(huán)境的控制。

基于開源無線信道模擬器SimRIS［16］，可以得出發(fā)射機(jī)到RIS、RIS到接收機(jī)、發(fā)射機(jī)到接收機(jī)鏈路的信道響應(yīng)，對全維智能可重構(gòu)無線通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。假定系統(tǒng)中有[M]個RIS，每個RIS包含[N]個獨(dú)立單元，發(fā)射天線個數(shù)[Nt]和接收天線個數(shù)[Nr]均為8。仿真結(jié)果如圖3所示，可以得出兩個結(jié)論。

①固定PHY參數(shù)配置的情況下，單維度智能可重構(gòu)的智能無線環(huán)境系統(tǒng)比傳統(tǒng)通信系統(tǒng)具有更高的可達(dá)速率，而且多個RIS比單個RIS更有效。

②包含可重構(gòu)PHY的全維度智能可重構(gòu)通信系統(tǒng)比智能無線環(huán)境系統(tǒng)具有更低的誤碼率（Bit Error Rate， BER）。

4 結(jié)語

本研究首先介紹了智能無線環(huán)境和智能無線物理層，然后提出了全維智能可重構(gòu)通信系統(tǒng)架構(gòu)，并給出初步的仿真結(jié)果。本研究的內(nèi)容為后續(xù)6G移動通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)“數(shù)創(chuàng)世界新，智通萬物靈”的美好愿景提供切實(shí)可行的應(yīng)用性指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

［1］RENZO M D ， ZAPPONE A ， DEBBAH M ，et al.Smart radio environments empowered by reconfigurable intelligent surfaces：how it works， state of research and road ahead［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2020（99）：1-1.

［2］VISWANATHAN H ， MOGENSEN P .Communications in the 6G Era［J］.IEEE Access， 2020， 8：57063-57074.

［3］SINGH N ， SANTOSH S ， DARAK S" .Towards intelligent reconfigurable wireless physical layer （PHY）［J］." IEEE Open Journal of Circuits and Systems，2021（2）：226-240.

［4］YILDIRIM I，UYRUS A，BASAR E.Modeling and analysis of reconfigurable intelligent surfaces for indoor and outdoor applications in future wireless networks［J］.IEEE Transactions on Communications， 2020， 69（2）：1290-1301.

［5］AAZHANG B ， AHOKANGAS P ， ALVES H ，et al.Key Drivers and Research Challenges for 6G Ubiquitous Wireless Intelligence （White Paper）［M］. 2019.

［6］WU Q ， ZHANG R .Towards smart and reconfigurable environment： intelligent reflecting surface aided wireless network［J］.IEEE Communications Magazine， 2020，58（1）：106-112.

［7］LIASKOS C，NIE S，TSIOLIARIDOU A，et al.A new wireless communication paradigm through software-controlled metasurfaces［J］.IEEE Communications Magazine，2018，56（9）：162-169.

［8］LIANG Y C，CHEN J ，LONG R，et al.Reconfigurable intelligent surfaces for smart wireless environments：channel estimation，system design and applications in 6G networks［J］.Science China（Information Sciences），2021，64（10）：52-72.

［9］WONG K K，TONG K F，CHU Z，et al.A vision to smart radio environment： surface wave communication superhighways［J］.IEEE Wireless Communications， 2021， 28（1）：112-119.

［10］LIASKOS C ， TSIOLIARIDOU A ， NIE S ，et al.An interpretable neural network for configuring programmable wireless environments［C］//2019 IEEE 20th International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications （SPAWC）.IEEE， 2019.

［11］FIORE P ， MORO E ， FILIPPINI I ，et al.Boosting 5G mm-wave iab reliability with reconfigurable intelligent surfaces［J］. 2022 IEEE Wireless Communications and Networking Conference （WCNC），2022，758-763.

［12］TANG W K， CHEN M Z ， DAI J Y ，et al.Wireless communications with programmable metasurface： new paradigms， opportunities， and challenges on transceiver design［J］.IEEE Wireless Communications， 2020，27（2）：2-9.

［13］HOYDIS J ， AOUDIA F A ， VALCARCE A ，et al.Toward a 6G AI-Native air interface［J］.IEEE Communications Magazine， 2021（5）：76-81.

［14］AOUDIA F A，HOYDIS J .End-to-end learning for OFDM：from neural receivers to pilotless communication［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2021，21（2）：1049-1063.

［15］PRANOTI K S，MANOJ KUMAR S B，ANANDA RAJU M B.Secure wireless reconfiguration of fpga based soft- processor using arm platform［J］.International Journal For Technological Research In Engineering ，2014.

［16］BASAR E，YILDIRIM I，KILINC F. Indoor and outdoor pphysical channel modeling and efficient positioning for reconfigurable intelligent surfaces in mmWave bands［J］." IEEE Transactions on Communications， 2021，69（12）：8600-8611.