一種智能反射面輔助的無線供能空中計算系統

西南大學西塔學院 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之上,本文提出了一種對兩者進行結合,由智能反射面發揮輔助作用的無線供能空中計算系統。通常情況下,接入點會基于智能反射面的輔助經由其下行鏈路執行向多個傳感器傳輸無線能量的任務,進一步地,上行鏈路則為空中計算提供支持,以期為今后設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境進行操控,以此讓通信信道變得具有可控性,將傳統意義上信道全部都是對通信鏈路產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射機與接收機作為關注重點,認為信道發揮的作用具有負面性,呼吁進行更加優質的發射機與接收機的設計,以達到將通信系統性能優化的目的。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,學者們與相關業界人士的研究重點不再局限在收發機的設計之上,這無疑可以在極大程度上影響今后的通信系統。

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

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對無線環境進行智能化配置的反射表面或是結構,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出來的反射特性進行控制,以此實現對無線信道的主動修改,為更好地優化無線鏈路的性能提供新的自由度[2]。在經過智能反射面反射處理之后,基站發動的信號會同經由其他路徑進行傳播的信號實現建設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,可以同入射信號產生直接的相互作用;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象加以規避;內層是一個控制電路板,發揮的功能為對各個元結構(外層的金屬片)的反射振幅/相移進行調整,經由智能反射面的智能控制器施以相應的控制。智能反射面通信技術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據為來源的函數的計算任務。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的分析。根據圖1所示,系統由K個終端設備以及一個基站(或者是邊緣服務器)構成,此處,終端集合用來κ表示,假設Xk所表示的是終端設備k的本地信息,基站會與接收到的終端信號相結合執行對｛Xk｝的計算任務,這是其目的所在。為了保證討論上的簡便性,設基站擬計算函數為｛Xk｝的平均值,有

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

在以往較為傳統的多址接入方案中,基站會針對每一個設備數據Xk執行針對性的解碼處理,之后進行進一步的匯總與平均。空中計算與其存在不同,在進行空中計算之時,各個終端設備會先執行歸一化操作gk(·),以此可以獲取經過處理的本地信息進一步地,進行信息αk xk的發送,在這之中,kα所表示的為終端設備k的發送系數。在完成對信號的接收任務之后,邊緣服務器會進一步進行直接檢測工作,以獲取平均值之后,經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在怎樣實現對期望信號f的有效恢復之上。詳細來說,令kh表示終端設備k到基站的信道參數,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。如果系統所處的是一種沒有任何噪聲的理想狀態,則可以進行如下設置:同時,設置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,這種狀態下有f?=f,其中,⊥所表示的是共軛運算。所以,當處于這一狀態之時,僅需經過一次傳輸便能完成對K個終端設備數據的平均計算處理,進而實現對系統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,在實際執行空中計算任務之時,無線信道的衰落特性和接收機噪聲等因素都會對系統產生影響,加之終端設備在發送功率上同樣會受到相應的限制,故而怎樣基于實際系統的約束進行發送信號以及接收機算法的設計,成為對期望信號f加以恢復的關鍵所在[3]。在無線網絡中,空中計算的實現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

在對以智能反射面輔助為基礎的空中計算系統進行分析之時,多天線接入點基于智能反射面的幫助,會經由下行鏈路執行對傳感器的無線供能任務,同時,在上行鏈路的作用下對傳感器發送的數據進行匯集。假設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,其數目一共為K,智能反射面的反射單元數目一共為N,K與N同樣不小于1。對多天線接入點的天線集合、傳感器數目集合以及智能反射面反射單元的數目集合進行定義,分別表示為將準平穩的信道作為考慮因素,在某一特定時間段內,無線信道會對一個固定的狀態予以保持。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,多天線接入點會經由下行鏈路執行對傳感器的無線供能任務,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送數據流,以此執行空中計算任務,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,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,它們所表示的是(a1,… ,an)的對角矩陣。

與上述相關定義相結合,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化效率。W=ΔE(wwH)∈C表示的是由多天線接入點發送出來的能量協方差矩陣,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,有,該參數的幅度為 ,另外,其相移為。在所有的傳感器中,都進行如下設定,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是算術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的直接發送,不過為了更好地提高便捷性,此處作相應的變動,對X經過歸一化處理之后的形式進行發送,將其定義為sk=u(Xk), ?k∈κ,在該式中,函數u()所表示的是經過歸一化處理的函數,對于全部的傳感器而言,該函數表現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模型的建立。

3 結語

本文針對以智能反射面輔助為基礎的無線供能空中計算系統進行分析,對傳輸時間段進行兩個時隙的劃分,分別執行對無限能量的傳輸以及空中計算的任務。由于篇幅所限,本文系統僅是一種構想,后期還需進行進一步的研究,將該系統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].計算機與現代化,2021(4):68-73.

[2] 李苗鈺,杜忠昊,劉雨彤,等.一種面向物聯網的智能反射面通信系統優化方法[J].西北工業大學學報,2021(2):454-461.

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