全維智能可重構無線通信系統設計與實現

摘 要：【目的】通過探討智能無線環境和智能可重構物理層的應用需求和發展趨勢，構建全維智能可重構無線通信模型和體系結構。【方法】首先，將物理層參數和無線傳播環境等無線通信鏈路的各個維度納入智能可重構范疇，解決了由于硬件條件與無線環境限制引起的傳統通信技術難以實現更高維調控自由度的問題。然后，利用優化和定制物理層與無線環境所需的感知數據，提出一種允許根據不同無線環境和PHY參數在人工智能算法之間動態切換的全維可重構結構。【結果】仿真和分析結果表明，該系統在誤碼率和可達速率等指標上均優于傳統方法。【結論】將智能可重構的思想延伸到無線傳播環境和整個通信鏈路的各個維度，構建了高效的全維智能可重構無線通信系統，可以為6G移動通信系統提供工程應用指導。

關鍵詞：智能可重構；智能無線環境；可重構物理層；移動通信

中圖分類號：TN929" " 文獻標志碼：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，智能無線環境利用可重構智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）將無線環境轉變為智能可重構實體，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服務的單一網絡［2］，采用軟硬件協同設計以實現智能可重構物理層（Physical Layer， PHY）［3］，能夠靈活適應環境變化，實現高吞吐量、高可靠性和超低時延等目標。因此，6G旨在通過智能可重構技術設計出與之前無線網絡本質不同的可控、智能、可重構和可編程的通信系統［4］，以實現“數創世界新，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出發，將智能可重構的思想同時延伸到無線傳播環境和PHY等整個無線通信鏈路的各個維度，以支持各種更優異的性能指標，如速率、延遲、可靠性、能量效率和隱私性等。

1 智能無線環境

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

近年來，結合RIS和人工智能提出的智能無線環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，其利用內部集成控制器組在本地交互并進行全局通信，實現既定的電磁特性。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、極化偏轉和聚焦等。因此，在傳統通信方式上認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，使無線環境本身成為一個可進行編程、配置和優化的實體［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，為實現智能無線環境提供了一種新的視角。Liaskos 等［10］針對智能無線環境提出一種基于機器學習的用戶自適應配置方法。Fiore 等［11］從原型、白皮書、資助項目和標準化等方面對智能無線環境進行了總結和分析。

因此，未來的無線系統將更多依賴于對無線環境的編程控制。目前，針對智能無線環境的研究主要集中在硬件演示平臺和點對點實驗測試 ［10-11］，以及RIS輔助通信系統的設計、信道估計和系統優化等方面，側重于無線資源管理和分配等領域。現有關于智能無線環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不足以滿足6G的多種挑戰性需求。

2 智能可重構物理層

近年來，可重構PHY在算法和體系結構上獲得了長足發展，其依賴上層改變子載波間隔、帶寬以及調制、同步和信道編碼等參數來完成各種決策任務，以實現可靠的無線通信。由于具備靈活度高、可塑性強等優點，可編程邏輯器件在可重構PHY中起著關鍵作用。Hoydis 等［13］提出了基于人工智能的無線通信優化方案，適用于任何硬件、無線環境和應用程序。為提高吞吐量和可靠性，Aoudia 等［14］通過智能優化發射端和接收端，在不需要正交導頻的情況下實現可靠信號檢測，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（現場可編程門陣列）實現在幾種PHY狀態之間靈活切換，以實現最優性能。

新一代通信服務更傾向于全局智能可重構，涵蓋PHY和電磁波傳播過程。因此，可重構PHY需要通過不斷學習去適應智能無線環境的變化，動態選擇重構參數。

3 全維智能可重構無線通信系統

針對6G“泛在無線智能”的演進需求，當前通信范式受PHY硬件條件約束和無線信道影響，很難有更高維度的調控自由度。因此，需要設計一種適配任何硬件和無線環境的可控、智能、可重構和可編程的無線通信系統。鑒于RIS在提供通信系統動態性能和降低成本等方面的卓越優勢以及在6G通信系統中的應用潛力，利用RIS通過空間譜全息和空間波場合成，有望實現對整個物理空間和電磁場的全閉環控制，大大提高頻譜利用率和網絡容量。

全維智能可重構無線通信系統與傳統通信范式之間的根本差異在于增加了優化和定制PHY與無線環境所需的感知數據和反饋開銷，如圖1所示。基于此，本研究提出了一種允許根據不同無線環境和PHY參數在人工智能算法之間動態切換的全維可重構體系結構，如圖2所示。數據單元從上層接收數據并分別轉發給發射物理層和性能分析模塊。發射物理層處理包括信道編碼、數據調制和波形調制等，然后將信號通過天線輻射到智能無線環境中。除了信道均衡之外，接收物理層的處理與發射物理層的處理一一對應，并且每個模塊執行相應的逆操作。性能分析模塊用來計算誤比特率、延遲和吞吐量等。動態局部重配置/動態參數配置模塊允許對各種收發器操作進行動態配置，具體由設備配置單元統一完成。人工智能處理器根據性能分析結果、PHY參數及無線傳播環境等信息，通過學習算法得出最優配置參數并向設備配置單元提供輸入。此外，還能夠通過配置RIS實現對無線環境的控制。

基于開源無線信道模擬器SimRIS［16］，可以得出發射機到RIS、RIS到接收機、發射機到接收機鏈路的信道響應，對全維智能可重構無線通信系統進行仿真分析。假定系統中有[M]個RIS，每個RIS包含[N]個獨立單元，發射天線個數[Nt]和接收天線個數[Nr]均為8。仿真結果如圖3所示，可以得出兩個結論。

①固定PHY參數配置的情況下，單維度智能可重構的智能無線環境系統比傳統通信系統具有更高的可達速率，而且多個RIS比單個RIS更有效。

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

4 結語

本研究首先介紹了智能無線環境和智能無線物理層，然后提出了全維智能可重構通信系統架構，并給出初步的仿真結果。本研究的內容為后續6G移動通信系統中實現“數創世界新，智通萬物靈”的美好愿景提供切實可行的應用性指導。

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