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：

1、隨著無線通信技術的飛速發(fā)展，多輸入多輸出(mimo)技術應運而生，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，射頻鏡和可重構智能表面(ris)等新型電磁設備被引入，進一步增強了mimo系統(tǒng)的性能。然而，這些技術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、結構可重構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)絡中斷概率等方面表現(xiàn)出色，還能適應綜合感知與通信、同時無線信息和能量傳輸、安全通信等新興應用場景。

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，在保持硬件復雜度低的同時實現(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)制在空間時間資源利用和解碼復雜度上仍有不足，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，信道估計的導頻開銷較大，csi不準確會顯著降低檢測性能。為應對這些挑戰(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，實現(xiàn)更高的多樣性和復用增益，同時降低解碼復雜度，提升系統(tǒng)整體性能。

技術實現(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式優(yōu)化每個發(fā)射模式下對應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，預設并優(yōu)化通信系統(tǒng)的k個發(fā)射模式，并為每個發(fā)射模式分配對應的權重矢量；

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

6、步驟4，在發(fā)射端進行基帶信號的非相干調(diào)制，實現(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行信號解碼，恢復原始二進制比特信息。

8、可選地，在本發(fā)明的一個實施例中，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，nt個射頻液態(tài)金屬可瞬時移動到pt個端口中的任意nt個位置從而完成流態(tài)天線的快速重構；

10、配置一個二維固定排列天線陣列為nr＝nx×ny個單元的二維矩形平面，nx，ny分別為接收機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；

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)明的一個實施例中，步驟2具體包括：

13、為每個發(fā)射模式分別配置對應的權重矢量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]表示權重矢量集，優(yōu)化權重矢量在發(fā)射m階數(shù)相移鍵控(m-psk)符號cp時的編碼增益；

14、令p,q表示選取m-psk符號的索引值，i，j表示權重矢量的索引值，當組合(p,i)≠(q,j)時，cpui與cquj的編碼增益的閉式表達式為cq為m-psk符號集合中的第q個符號，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算梯度進而使f(u)最大化，ui的實部和虛部梯度的梯度和分別計算為：

18、

19、其中，∈表示梯度方向增量；

20、記錄歷史最優(yōu)編碼增益并實時更新歷史最優(yōu)值：

21、

22、其中，β為梯度下降的學習率；

23、進行梯度下降操作不斷更新所有的權重矢量：

24、

25、優(yōu)化設計的過程中當編碼增益的增量低于tf，tf為擾動啟動閾值，引入擾動，隨機重新配置ui中的一個非零元素的位置并進行角度為ξ的隨機相移，即乘以ejξ，權重矢量優(yōu)化后，將權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進行調(diào)相和調(diào)幅。

26、可選地，在本發(fā)明的一個實施例中，步驟3具體包括：

27、將長度為w的信號幀劃分為k個參考信號時隙和w-k個信息信號時隙；

28、將待傳輸?shù)腷＝b1+b2位二進制信息比特向量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)換關系為在第w個碼字時隙，根據(jù)kw＝[kw-1+kcs,w]k選擇對應的fa模式索引，并使用向量u4控制fas的位置和權重；

30、將b2映射到m元psk(m-psk)星座集中的符號其中表示對應信息比特在第w個碼字時隙的m-psk符號索引；通過連續(xù)符號相乘實現(xiàn)m-psk符號的差分調(diào)制，即且當w≤k時，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)明的一個實施例中，步驟4具體包括：

33、第w個碼字時隙的信息向量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、當前碼字時隙的模式選擇向量sw通過以下方式獲得：

37、

38、其中，cs(·)是移位擴展函數(shù)，根據(jù)kw＝[kw-1+kcs,w]k的模k運算，實現(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)明的一個實施例中，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雜度的多階段算法進行解碼；

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)，構造條件概率密度函數(shù)，構造

49、通過最大似然檢測獲取fa-nim的信息向量：

50、

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

52、多階段解碼過程包括：

53、利用fa-nim系統(tǒng)設計的稀疏矩陣xw的稀疏性，采用低復雜度的多階段解碼算法；

54、在第一階段，通過計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、權重矢量優(yōu)化模塊，用于預設并優(yōu)化通信系統(tǒng)的發(fā)射模式，并為每個發(fā)射模式分配對應的權重矢量；

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的信號模式和符號，實現(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行信號解碼，恢復原始信息比特。

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

63、可選地，在本發(fā)明的一個實施例中，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)明的一個實施例中，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行解碼。

65、本發(fā)明實施例的基于流體天線的非相干索引調(diào)制方法及系統(tǒng)，能夠在無需進行信道估計的情況下實現(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發(fā)射模式下的天線權重矢量，并通過前后兩個通信碼字時隙的權重矢量的索引值的移位量隱式傳遞信息，對比現(xiàn)有方案能夠在時變信道下實現(xiàn)更好的誤碼率性能。

66、本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點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)明的實踐了解到。