全维智能可重构无线通信系统设计与实现

摘 要：【目的】通过探讨智能无线环境和智能可重构物理层的应用需求和发展趋势，构建全维智能可重构无线通信模型和体系结构。【方法】首先，将物理层参数和无线传播环境等无线通信链路的各个维度纳入智能可重构范畴，解决了由于硬件条件与无线环境限制引起的传统通信技术难以实现更高维调控自由度的问题。然后，利用优化和定制物理层与无线环境所需的感知数据，提出一种允许根据不同无线环境和PHY参数在人工智能算法之间动态切换的全维可重构结构。【结果】仿真和分析结果表明，该系统在误码率和可达速率等指标上均优于传统方法。【结论】将智能可重构的思想延伸到无线传播环境和整个通信链路的各个维度，构建了高效的全维智能可重构无线通信系统，可以为6G移动通信系统提供工程应用指导。

关键词：智能可重构；智能无线环境；可重构物理层；移动通信

中图分类号：TN929" " 文献标志码：A" " "文章编号：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

近年来，智能无线环境利用可重构智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）将无线环境转变为智能可重构实体，为6G通信性能的全面提升提供了新的可能性［1］。6G作为支持不同需求异构服务的单一网络［2］，采用软硬件协同设计以实现智能可重构物理层（Physical Layer， PHY）［3］，能够灵活适应环境变化，实现高吞吐量、高可靠性和超低时延等目标。因此，6G旨在通过智能可重构技术设计出与之前无线网络本质不同的可控、智能、可重构和可编程的通信系统［4］，以实现“数创世界新，智通万物灵”的美好愿景［5］。

本研究从端到端的无线通信系统出发，将智能可重构的思想同时延伸到无线传播环境和PHY等整个无线通信链路的各个维度，以支持各种更优异的性能指标，如速率、延迟、可靠性、能量效率和隐私性等。

1 智能无线环境

随着电磁频谱越来越拥挤，无线通信传播环境也变得更加复杂和难以控制。不可控无线环境带来的影响包括信号衰减限制传输距离、多径传播导致信号衰落、大量物体的反射/折射造成不可控干扰等。

近年来，结合RIS和人工智能提出的智能无线环境为该问题的解决提供了一种革命性的方法［6］。该思想最早由Liaskos等［7］提出，即HyperSurFace，其利用内部集成控制器组在本地交互并进行全局通信，实现既定的电磁特性。通过涂敷大量低成本超表面并采用软件控制，可以有效重塑电磁波的传播，包括波吸收、异常反射、极化偏转和聚焦等。因此，在传统通信方式上认为无法控制的对象变成了有助于通信和信息处理的可编程物体，使无线环境本身成为一个可进行编程、配置和优化的实体［8］。

Wong等［9］利用具有更低路径损耗的非辐射陷波表面波传输信号，为实现智能无线环境提供了一种新的视角。Liaskos 等［10］针对智能无线环境提出一种基于机器学习的用户自适应配置方法。Fiore 等［11］从原型、白皮书、资助项目和标准化等方面对智能无线环境进行了总结和分析。

因此，未来的无线系统将更多依赖于对无线环境的编程控制。目前，针对智能无线环境的研究主要集中在硬件演示平台和点对点实验测试 ［10-11］，以及RIS辅助通信系统的设计、信道估计和系统优化等方面，侧重于无线资源管理和分配等领域。现有关于智能无线环境的研究更多只是考虑无线信道部分，如Tang等［12］。然而，仅在无线信道这一单一维度上的智能可重构不足以满足6G的多种挑战性需求。

2 智能可重构物理层

近年来，可重构PHY在算法和体系结构上获得了长足发展，其依赖上层改变子载波间隔、带宽以及调制、同步和信道编码等参数来完成各种决策任务，以实现可靠的无线通信。由于具备灵活度高、可塑性强等优点，可编程逻辑器件在可重构PHY中起着关键作用。Hoydis 等［13］提出了基于人工智能的无线通信优化方案，适用于任何硬件、无线环境和应用程序。为提高吞吐量和可靠性，Aoudia 等［14］通过智能优化发射端和接收端，在不需要正交导频的情况下实现可靠信号检测，降低了控制信令的开销。Pranoti 等［15］提出了一种垂直切换算法，通过控制FPGA（现场可编程门阵列）实现在几种PHY状态之间灵活切换，以实现最优性能。

新一代通信服务更倾向于全局智能可重构，涵盖PHY和电磁波传播过程。因此，可重构PHY需要通过不断学习去适应智能无线环境的变化，动态选择重构参数。

3 全维智能可重构无线通信系统

针对6G“泛在无线智能”的演进需求，当前通信范式受PHY硬件条件约束和无线信道影响，很难有更高维度的调控自由度。因此，需要设计一种适配任何硬件和无线环境的可控、智能、可重构和可编程的无线通信系统。鉴于RIS在提供通信系统动态性能和降低成本等方面的卓越优势以及在6G通信系统中的应用潜力，利用RIS通过空间谱全息和空间波场合成，有望实现对整个物理空间和电磁场的全闭环控制，大大提高频谱利用率和网络容量。

全维智能可重构无线通信系统与传统通信范式之间的根本差异在于增加了优化和定制PHY与无线环境所需的感知数据和反馈开销，如图1所示。基于此，本研究提出了一种允许根据不同无线环境和PHY参数在人工智能算法之间动态切换的全维可重构体系结构，如图2所示。数据单元从上层接收数据并分别转发给发射物理层和性能分析模块。发射物理层处理包括信道编码、数据调制和波形调制等，然后将信号通过天线辐射到智能无线环境中。除了信道均衡之外，接收物理层的处理与发射物理层的处理一一对应，并且每个模块执行相应的逆操作。性能分析模块用来计算误比特率、延迟和吞吐量等。动态局部重配置/动态参数配置模块允许对各种收发器操作进行动态配置，具体由设备配置单元统一完成。人工智能处理器根据性能分析结果、PHY参数及无线传播环境等信息，通过学习算法得出最优配置参数并向设备配置单元提供输入。此外，还能够通过配置RIS实现对无线环境的控制。

基于开源无线信道模拟器SimRIS［16］，可以得出发射机到RIS、RIS到接收机、发射机到接收机链路的信道响应，对全维智能可重构无线通信系统进行仿真分析。假定系统中有[M]个RIS，每个RIS包含[N]个独立单元，发射天线个数[Nt]和接收天线个数[Nr]均为8。仿真结果如图3所示，可以得出两个结论。

①固定PHY参数配置的情况下，单维度智能可重构的智能无线环境系统比传统通信系统具有更高的可达速率，而且多个RIS比单个RIS更有效。

②包含可重构PHY的全维度智能可重构通信系统比智能无线环境系统具有更低的误码率（Bit Error Rate， BER）。

4 结语

本研究首先介绍了智能无线环境和智能无线物理层，然后提出了全维智能可重构通信系统架构，并给出初步的仿真结果。本研究的内容为后续6G移动通信系统中实现“数创世界新，智通万物灵”的美好愿景提供切实可行的应用性指导。

参考文献：

［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.