本發(fā)明涉及無線通信，特別涉及一種基于流體天線的非相干索引調(diào)制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，多輸入多輸出(mimo)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過利用多天線提供的空間自由度，顯著提升了信道容量和頻譜效率。近年來，射頻鏡和可重構(gòu)智能表面(ris)等新型電磁設(shè)備被引入，進(jìn)一步增強(qiáng)了mimo系統(tǒng)的性能。然而，這些技術(shù)多依賴于固定位置天線，缺乏部署后靈活調(diào)整的能力，在動態(tài)環(huán)境中效果受限。

2、流體天線(fa)技術(shù)的出現(xiàn)為無線通信帶來了新的突破。fa利用液體或氣體的運(yùn)動動態(tài)調(diào)整天線位置，無需額外射頻鏈路即可為mimo系統(tǒng)提供空間自由度，并具備軟件可控性、結(jié)構(gòu)可重構(gòu)性和硬件小型化等優(yōu)勢。其在提高信號干擾噪聲比、支持更多用戶容量、降低網(wǎng)絡(luò)中斷概率等方面表現(xiàn)出色，還能適應(yīng)綜合感知與通信、同時(shí)無線信息和能量傳輸、安全通信等新興應(yīng)用場景。

3、索引調(diào)制(im)作為提升mimo系統(tǒng)頻譜效率的重要手段，通過利用通信資源的索引傳輸額外信息，在保持硬件復(fù)雜度低的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高譜效和高能效?？臻g調(diào)制(sm)等早期im形式通過激活單個(gè)天線避免了ici和多天線同步問題，而fa-im方案則借助fa的移動性傳輸信息。盡管如此，現(xiàn)有相干調(diào)制方案多依賴于信道狀態(tài)信息(csi)，非相干調(diào)制方案如差分空間調(diào)制在空間時(shí)間資源利用和解碼復(fù)雜度上仍有不足，且尚未有針對fa系統(tǒng)的非相干調(diào)制方案。

4、在fa-mimo系統(tǒng)中，信道估計(jì)的導(dǎo)頻開銷較大，csi不準(zhǔn)確會顯著降低檢測性能。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，迫切需要一種不依賴csi、適用于fa系統(tǒng)的非相干調(diào)制方案，以充分利用fa提供的額外自由度，實(shí)現(xiàn)更高的多樣性和復(fù)用增益，同時(shí)降低解碼復(fù)雜度，提升系統(tǒng)整體性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種基于流體天線的非相干索引調(diào)制方法及系統(tǒng)，針對背景技術(shù)中提到的fa-mimo的信道狀態(tài)信息難以獲取的局限性以及對新型非相干索引調(diào)制方法的迫切需求和要求，本發(fā)明利用流體天線空間編碼增益的閉式表達(dá)式優(yōu)化每個(gè)發(fā)射模式下對應(yīng)的波束賦形矢量通過流體天線發(fā)射模式索引值的循環(huán)移位值隱式傳遞額外的空間比特信息，且整個(gè)通信過程無需依賴信道狀態(tài)信息。

2、本發(fā)明第一方面實(shí)施例提供一種基于流體天線的非相干索引調(diào)制方法，包括以下步驟：

3、步驟1，在發(fā)射端和接收端分別部署流體天線和傳統(tǒng)固定式天線；

4、步驟2，預(yù)設(shè)并優(yōu)化通信系統(tǒng)的k個(gè)發(fā)射模式，并為每個(gè)發(fā)射模式分配對應(yīng)的權(quán)重矢量；

5、步驟3，構(gòu)建信息映射與調(diào)制，利用psk調(diào)制符號和fa權(quán)重矢量的移位選擇傳輸通信信息；

6、步驟4，在發(fā)射端進(jìn)行基帶信號的非相干調(diào)制，實(shí)現(xiàn)信號傳輸；

7、步驟5，在接收端采用最大似然檢測算法和多階段解碼算法進(jìn)行信號解碼，恢復(fù)原始二進(jìn)制比特信息。

8、可選地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，步驟1具體包括：

9、配置二維流體天線寬口陣列為pt＝px×py個(gè)單元的二維矩形平面，px，py分別為流體天線二維矩形平面陣列每行和每列的天線陣元數(shù)，在x與y軸的單元間隔分別為和米，并放置在基站處，作為下行通信發(fā)射機(jī)，nt個(gè)射頻液態(tài)金屬可瞬時(shí)移動到pt個(gè)端口中的任意nt個(gè)位置從而完成流態(tài)天線的快速重構(gòu)；

10、配置一個(gè)二維固定排列天線陣列為nr＝nx×ny個(gè)單元的二維矩形平面，nx，ny分別為接收機(jī)固定式天線二維矩形平面陣列每行和每列的天線陣元數(shù)，在x與y軸的單元間隔分別為和米，并放置在用戶處，作為下行通信接收機(jī)；

11、建立流體天線信道模型為nr×pt維度的等效信道heff。

12、可選地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，步驟2具體包括：

13、為每個(gè)發(fā)射模式分別配置對應(yīng)的權(quán)重矢量ui，1≤i≤k，ui滿足的恒定功率約束和||ui||0≤nt的最大稀疏度約束的條件，通過矩陣形式u＝[u1,u2,...,uk]表示權(quán)重矢量集，優(yōu)化權(quán)重矢量在發(fā)射m階數(shù)相移鍵控(m-psk)符號cp時(shí)的編碼增益；

14、令p,q表示選取m-psk符號的索引值，i，j表示權(quán)重矢量的索引值，當(dāng)組合(p,i)≠(q,j)時(shí)，cpui與cquj的編碼增益的閉式表達(dá)式為cq為m-psk符號集合中的第q個(gè)符號，遍歷所有組合(p,i)≠(q,j)，得到u編碼增益的最小值：

15、

16、其中，r表示(cpui-cquj)(cpui-cquj)h運(yùn)算后的差矩陣的秩，λi為(cpui-cquj)(cpui-cquj)h矩陣的特征值；

17、遍歷所有組合并利用梯度下降法計(jì)算梯度進(jìn)而使f(u)最大化，ui的實(shí)部和虛部梯度的梯度和分別計(jì)算為：

18、

19、其中，∈表示梯度方向增量；

20、記錄歷史最優(yōu)編碼增益并實(shí)時(shí)更新歷史最優(yōu)值：

21、

22、其中，β為梯度下降的學(xué)習(xí)率；

23、進(jìn)行梯度下降操作不斷更新所有的權(quán)重矢量：

24、

25、優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中當(dāng)編碼增益的增量低于tf，tf為擾動啟動閾值，引入擾動，隨機(jī)重新配置ui中的一個(gè)非零元素的位置并進(jìn)行角度為ξ的隨機(jī)相移，即乘以ejξ，權(quán)重矢量優(yōu)化后，將權(quán)值部署至流體天線的硬件端，使天線發(fā)送電磁無線基帶信號時(shí)進(jìn)行調(diào)相和調(diào)幅。

26、可選地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，步驟3具體包括：

27、將長度為w的信號幀劃分為k個(gè)參考信號時(shí)隙和w-k個(gè)信息信號時(shí)隙；

28、將待傳輸?shù)腷＝b1+b2位二進(jìn)制信息比特向量b分割為兩部分，分別為b1和b2，b1維度為b1＝log2(k)，b2維度為b2＝log2(m)；

29、利用b1映射到kcs,w循環(huán)移位的fa模式索引，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為在第w個(gè)碼字時(shí)隙，根據(jù)kw＝[kw-1+kcs,w]k選擇對應(yīng)的fa模式索引，并使用向量u4控制fas的位置和權(quán)重；

30、將b2映射到m元psk(m-psk)星座集中的符號其中表示對應(yīng)信息比特在第w個(gè)碼字時(shí)隙的m-psk符號索引；通過連續(xù)符號相乘實(shí)現(xiàn)m-psk符號的差分調(diào)制，即且當(dāng)w≤k時(shí)，初始條件為c0＝1；

31、將fa模式的循環(huán)移位操作過程和m-psk的差分操作過程建模為向量和矩陣的形式，每一行上的非零的位置和數(shù)值分別表示流體天線發(fā)射模式的選擇和通信調(diào)制符號的選擇。

32、可選地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，步驟4具體包括：

33、第w個(gè)碼字時(shí)隙的信息向量xw由b＝b1+b2位信息比特映射得到，具體形式為：

34、

35、其中，稀疏信息向量xw中唯一非零元素的位置和值分別由b1和b2映射得到；

36、當(dāng)前碼字時(shí)隙的模式選擇向量sw通過以下方式獲得：

37、

38、其中，cs(·)是移位擴(kuò)展函數(shù)，根據(jù)kw＝[kw-1+kcs,w]k的模k運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)向量中非零元素索引的循環(huán)移位，其定義為：

39、cs(sw-1)＝[sw-1,csw-1,c2sw-1,...,ck-1sw-1]

40、移位矩陣e用于執(zhí)行向量的循環(huán)移位，具體形式為：

41、

42、流體天線非相干索引調(diào)制的差分調(diào)制迭代過程表示為：

43、

44、其中，yw表示接收信號經(jīng)過采樣后的基帶信號。

45、可選地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，步驟5具體包括：

46、在接收端，采用最大似然檢測算法和低復(fù)雜度的多階段算法進(jìn)行解碼；

47、最大似然解碼過程包括：

48、根據(jù)接收信號yw的概率密度函數(shù)，構(gòu)造條件概率密度函數(shù)，構(gòu)造

49、通過最大似然檢測獲取fa-nim的信息向量：

50、

51、其中，當(dāng)w-1≤k時(shí)，當(dāng)w-1＞k時(shí)，v(1-α)和v(α)分別為直接差分解調(diào)項(xiàng)和連續(xù)解碼解調(diào)項(xiàng)的權(quán)重矩陣，α為遺忘因子；

52、多階段解碼過程包括：

53、利用fa-nim系統(tǒng)設(shè)計(jì)的稀疏矩陣xw的稀疏性，采用低復(fù)雜度的多階段解碼算法；

54、在第一階段，通過計(jì)算向量來壓縮搜索空間

55、在第二階段，檢測稀疏矩陣xw中非零元素的索引和調(diào)制符號。

56、本發(fā)明第二方面實(shí)施例提供一種基于流體天線的非相干索引調(diào)制系統(tǒng)，用于上述實(shí)施例所述的基于流體天線的非相干索引調(diào)制方法，包括：

57、流體天線配置模塊，用于配置二維流體天線寬口陣列和二維固定排列天線陣列，并建立流體天線信道模型；

58、權(quán)重矢量優(yōu)化模塊，用于預(yù)設(shè)并優(yōu)化通信系統(tǒng)的發(fā)射模式，并為每個(gè)發(fā)射模式分配對應(yīng)的權(quán)重矢量；

59、信息映射與調(diào)制模塊，用于將信息比特分割并映射到相應(yīng)的信號模式和符號，實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)制與傳輸；

60、信號傳輸與接收模塊，用于根據(jù)映射后的信息向量生成傳輸信號，并在接收端進(jìn)行信號接收；

61、解碼模塊，用于在接收端采用最大似然檢測算法和多階段解碼算法進(jìn)行信號解碼，恢復(fù)原始信息比特。

62、可選地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述權(quán)重矢量優(yōu)化模塊通過梯度下降法和擾動引入策略，優(yōu)化權(quán)重矢量集。

63、可選地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述信息映射與調(diào)制模塊將信息比特分割為兩部分，分別用于映射循環(huán)移位的fa模式索引和m-psk符號索引。

64、可選地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述解碼模塊利用信號的稀疏性和差分特性，采用多階段解碼算法進(jìn)行解碼。

65、本發(fā)明實(shí)施例的基于流體天線的非相干索引調(diào)制方法及系統(tǒng)，能夠在無需進(jìn)行信道估計(jì)的情況下實(shí)現(xiàn)流體天線賦能的多輸入多輸出無線通信系統(tǒng)的高頻譜效率信息傳輸，快速優(yōu)化并配置流體天線在每個(gè)發(fā)射模式下的天線權(quán)重矢量，并通過前后兩個(gè)通信碼字時(shí)隙的權(quán)重矢量的索引值的移位量隱式傳遞信息，對比現(xiàn)有方案能夠在時(shí)變信道下實(shí)現(xiàn)更好的誤碼率性能。

66、本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。