CN110839204A - 一种irs辅助通信系统的通信优化方法及装置 - Google Patents

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CN110839204A CN201911342563.8A CN201911342563A CN110839204A CN 110839204 A CN110839204 A CN 110839204A CN 201911342563 A CN201911342563 A CN 201911342563A CN 110839204 A CN110839204 A CN 110839204A
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Abstract

本发明公开一种IRS辅助通信系统的通信优化方法及装置，包括：确定UE的初步位置；以UE的初步位置为球心，在空间球体内取参考位置；根据UE的初步位置、参考位置与IRS位置之间的距离确定UE与IRS之间的初步信道和参考信道；根据AP的位置与IRS位置之间距离信息确定AP与IRS之间的信道；根据UE与IRS之间的初步信道、参考信道以及AP与IRS之间的信道确定IRS的初步矩阵和参考矩阵；基于IRS的初步矩阵和参考矩阵实现AP与UE之间的通信，确定IRS不同的反射系数矩阵对应的信道，选择信道强度最大的矩阵作为最优矩阵；基于最优反射系数矩阵实现AP与UE之间的有效通信。本发明实现了IRS辅助通信系统的优化。

Description

一种IRS辅助通信系统的通信优化方法及装置
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更具体地，涉及一种IRS辅助通信系统的通信优化方法及装置。
背景技术
5G无线通信领域存在一个重要的问题：其主要波段的毫米波穿透能力差，容易被障碍物阻挡，若不辅以其他手段，室内等复杂情景下的无线通信效果难以保证。此前，有人提出一种思路解决这个问题：设计一种无源的、可反射的、可重构的、低成本的智能表面(LIS/Large Intelligent Surface/Reconfigurable Meta-Surfaces/IRS/IntelligentReflecting Surface等，下文均用IRS表述)用来辅助无线通信，通过在合适的位置放置与分布，使得信号可以在IRS处可控地反射到期望的方位，相当于额外增加一种绕路的信道，以达到有效的无线通信效果，改善附近的无线通信环境，特别是当需要通信的双方直连信号被阻挡无法有效通信的情况，如图1所示，当需要通信的双方直连信号被阻挡无法有效通信的情况下，通过IRS进行辅助通信。其中，该绕路信道包括：AP与IRS之间通信信道h和IRS与UE之间通信信道g，其中IRS的反射系数矩阵为Θ。
IRS中有一项非常重要的参数：反射系数矩阵Θ。这个反射系数矩阵表示IRS上每个单元的相移，是使得通过IRS反射来提升信号强度/提升无线通信覆盖范围的关键参数。若估计的反射系数矩阵Θ不准确，将导致通信质量很差，影响通信效果。由于IRS的无源低成本、可重构等特点，IRS在移动通信领域有着非常广阔的前景。但是由于现实应用场景的复杂多变，因此我们需要寻求一种IRS反射系数矩阵Θ的调整方案，使得IRS辅助的无线通信系统可以在复杂多变的情境下可以更有效通信。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决需要对IRS反射系数进行优化调整，使得IRS辅助的无线通信系统可以在复杂多变的情境下可以更有效通信的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种IRS辅助通信系统的通信优化方法，包括以下步骤：
确定UE的初步位置；以所述UE的初步位置为球心，以预设距离为半径，得到一个空间球体，在所述空间球体内取UE的N个参考位置；
根据所述UE的初步位置与IRS位置之间的距离信息确定UE与IRS之间的初步信道；分别根据所述UE的N个参考位置与IRS位置之间的距离确定UE与IRS之间的N个参考信道；根据所述无线AP的位置与IRS位置之间的距离信息确定无线AP与IRS之间的信道；
根据所述UE与IRS之间的初步信道和无线AP与IRS之间的信道确定IRS的初步反射系数矩阵；以及根据所述UE与IRS之间的N个参考信道和无线AP与IRS之间的信道确定N个IRS的参考反射系数矩阵；
分别基于所述IRS的初步反射系数矩阵和N个IRS的参考反射系数矩阵实现无线AP与UE之间的通信，确定IRS不同的反射系数矩阵所对应的信道强度，选择信道强度最大的反射系数矩阵作为IRS的最优反射系数矩阵；基于所述IRS的最优反射系数矩阵实现无线AP与UE之间的有效通信。
可以理解的是，本发明还可进一步通过多次迭代优化UE位置，逐步逼近UE的准确位置，使得UE位置精确度进一步提高。具体地，本发明可以将上述方案作为一次UE位置估计和IRS反射系数确定的迭代过程。每执行完一次迭代过程，可以确定一个IRS的当前最优反射系数，并根据IRS的当前最优反射系数反推出当前的UE位置。将此次UE的当前位置作为下一次迭代的UE初始位置，进一步对UE位置和IRS反射系数迭代优化。
在一个可选的实施例中，根据无线AP的位置、IRS的位置以及经过IRS反射作用形成的无线AP与UE之间信道的信号强度估计UE的初步位置，具体通过如下步骤实现：
在IRS上选择预设数量的反射单元集合(Reflecting Unit Set，RUS)，并按照预设时序激活各个反射单元集合；每个反射单元集合包括M个反射单元，所述IRS包括K个反射单元；各个反射单元集合被激活后可以反射射向其的电磁信号；1≤M＜K，M和K均为整数；所述电磁信号由无线AP或UE发射，所述无线AP的位置与IRS的位置已知；
每个激活的反射单元集合按照预设时序选择不同的码字，以按照不同反射方向反射射向其的电磁信号；所述码字决定反射单元集合的反射方向；根据各个码字下每个反射单元集合反射的电磁信号在接收端的强度，确定接收端接收的反射电磁信号强度最大时的码字，并确定该码字下的信道时延，以根据每个反射单元集合对应的反射电磁信号强度最大时码字所确定的信道时延确定每个反射单元集合与UE的距离；
根据每个反射单元集合在IRS上的位置和每个反射单元集合与UE的距离估计UE的初步位置。
在一个可选的实施例中，通过宽带时延估计、RToF(Return Time of Flight)或ToF(Time of Flight)算法确定接收端接收的反射电磁信号强度最大时的码字下的信道时延，其中宽带时延估计是根据宽带内多个子带的检测结果估计信道时延，RToF是根据信号往返时间计算信道时延，ToF是根据信号单程到达所需时间计算信道时延。
在一个可选的实施例中，基于三角定位法根据每个反射单元集合在IRS上的位置和每个反射单元集合与UE的距离估计UE的初步位置。
在一个可选的实施例中，IRS与UE之间的信道g具体通过如下公式确定：
g＝[g1,…,gK]
Figure BDA0002331810570000041
Figure BDA0002331810570000042
其中，gk为第k个反射单元与UE的信道强度，c是光速，f是信号频率，dk,ue是UE初步位置或参考位置与IRS第k个反射单元位置之间距离；ρk,ue是UE初步位置或参考位置与IRS第k个反射单元位置之间的路径损耗，α是基于信噪比的常数，γ是路径损耗指数；当
Figure BDA0002331810570000043
是UE参考位置与IRS各个反射单元位置之间距离的集合时，g为UE与IRS之间的参考信道。
在一个可选的实施例中，所述AP与IRS之间的信道h具体通过如下公式确定：
h＝[h1,…,hK],
Figure BDA0002331810570000045
其中，hk为第k个反射单元与AP之间的信道强度，dap,k是无线AP的位置与IRS上第k个反射单元位置之间距离，ρap,k是无线AP的位置与IRS第k个反射单元位置之间的路径损耗。
在一个可选的实施例中，通过如下公式确定IRS的反射系数矩阵Θ：
Figure BDA0002331810570000046
或
Θ＝argmaxΘ{|gΘhT|2}。
其中，diag表示以括号内参数生成对角矩阵，j是虚数单位，βk∈[0,1],k＝1,…,K，表示第k反射单元的幅度反射参数，φk(k＝1,2,…,K)表示该单元的相移，
Figure BDA0002331810570000047
表示第k个反射单元的反射系数；上标T表示转置，当g为UE与IRS之间的初步信道时，Θ为IRS的初步反射系数矩阵；当g为UE与IRS之间的参考信道时，Θ为IRS的参考反射系数矩阵。
在一个可选的实施例中，所述UE的N个参考位置还可在以UE的初步位置为中心的多面体内或多面体上选取。
第二方面，本发明提供一种IRS辅助通信系统的通信优化装置，包括：
UE位置确定单元，用于确定UE的初步位置；以所述UE的初步位置为球心，以预设距离为半径，得到一个空间球体，在所述空间球体内取UE的N个参考位置；
信道确定单元，用于根据所述UE的初步位置与IRS位置之间的距离信息确定UE与IRS之间的初步信道；分别根据所述UE的N个参考位置与IRS位置之间的距离确定UE与IRS之间的N个参考信道；以及根据所述无线AP的位置与IRS位置之间的距离信息确定无线AP与IRS之间的信道；
IRS反射系数矩阵确定单元，用于根据所述UE与IRS之间的初步信道和无线AP与IRS之间的信道确定IRS的初步反射系数矩阵；以及根据所述UE与IRS之间的N个参考信道和无线AP与IRS之间的信道确定N个IRS的参考反射系数矩阵；
IRS反射系数矩阵优化单元，用于分别基于所述IRS的初步反射系数矩阵和N个IRS的参考反射系数矩阵实现无线AP与UE之间的通信，确定IRS不同的反射系数矩阵所对应的信道强度，选择信道强度最大的反射系数矩阵作为IRS的最优反射系数矩阵；基于所述IRS的最优反射系数矩阵实现无线AP与UE之间的有效通信。
在一个可选的实施例中，所述UE位置确定单元，在IRS上选择预设数量的反射单元集合，并按照预设时序激活各个反射单元集合；每个反射单元集合包括M个反射单元，所述IRS包括K个反射单元；各个反射单元集合被激活后可以反射射向其的电磁信号；1≤M＜1，M和K均为整数；所述电磁信号由无线AP或UE发射，所述无线AP的位置与IRS的位置已知；每个激活的反射单元集合按照预设时序选择不同的码字，以按照不同反射方向反射射向其的电磁信号；所述码字决定反射单元集合的反射方向；根据各个码字下每个反射单元集合反射的电磁信号在接收端的强度，确定接收端接收的反射电磁信号强度最大时的码字，并确定该码字下的信道时延，以根据每个反射单元集合对应的反射电磁信号强度最大时码字所确定的信道时延确定每个反射单元集合与UE的距离；以及根据每个反射单元集合在IRS上的位置和每个反射单元集合与UE的距离估计UE的初步位置。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种IRS辅助通信系统的通信优化方法及装置，通过在初步估计位置附近空间选择多个参考位置，从中选择出AP与UE通信效果更好的参考位置作为优化位置，该优化位置精确度更高；进一步通过多次迭代优化位置，逐步逼近UE的准确位置，使得UE位置精确度进一步提高；根据所得的优化位置计算的IRS反射系数矩阵可以更准确的把信号反射到UE，使得UE信号接收强度更高，更好地改善AP与UE的通信效果。
附图说明
图1为现有IRS辅助的无线通信系统架构图；
图2为本发明提供的基于用户估计位置修正方案的通信系统架构示意图；
图3为本发明提供的IRS单元拓扑结构示意图；
图4为本发明提供的远场信道模型的球形坐标示意图；
图5为本发明提供的IRS辅助通信系统的通信优化装置架构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明解决的问题是：在IRS辅助的无线通信系统中，提供一种IRS反射系数矩阵(或向量)Θ的调整方法，从而获得更优的反射系数矩阵，使得通信效果得以改善。
按照本发明，在一个具体的实施例中，IRS反射系数矩阵调整方法如下：该无线通信系统根据当前通信环境情况，例如信道强度、UE反馈等，以相应的策略选择出一定数量的Θn(n＝1,2,…,N)调整方案并代入IRS，再根据反馈的相应的信道情况(如信道强度)，选择出最优/合适的调整方案Θopt。
在实际应用场景中，IRS辅助无线通信主要由两种通信情况：一是AP起始。AP发射信号，经IRS反射信号，用户UE处检测并反馈(到AP/IRS)，进而优化IRS反射系数矩阵Θ；二是UE起始。UE发射信号，经IRS反射信号，AP处检测、处理、反馈到IRS，进而优化IRS反射系数矩阵Θ。
另外，优化的方法也有多种。比如找出更准确的估计位置(UE)、通过相应的码本以类似扫描的手段直接找出更优的Θ。
在另一个具体的实施例中，本发明提供一种找出更准确UE位置的方法，对IRS辅助通信系统进行优化，该方法由AP起始通信，包括如下步骤：
步骤1、在初步确定了用户UE的估计位置Pest及其相应的IRS反射系数矩阵Θ0后，AP发射信号，经IRS反射(初始反射系数矩阵为Θ0)、用户UE接收信号并检测该信道强度S0，再反馈到AP处。
具体地，UE检测内容包括：衡量IRS反射系数矩阵优劣的参考标准，除了信道强度外，还有其他如RSSI、CQI、RSRP、SNR等。
步骤2、在以Pest为中心、半径为d的球体内，取N个参考位置Pn,n＝1,2,…,N。如图2所示。
具体地，以Pest为中心取参考位置的取点策略有多种，比如一定约束下的随机位置、多面体的顶点位置，自适应取点等。
步骤3、分别将N个参考位置作为UE估计位置代入该无线通信系统，得到相应的优化后的IRS反射系数矩阵Θn(n＝1,2,…,N)，并在UE检测不同反射系数矩阵Θn下的信道强度Sn(n＝1,2,…,N)。
步骤4、UE把相应的检测结果反馈到AP，AP根据信道检测结果(Sn,n＝1,2,…,N)在参考位置对应的反射系数矩阵(Θn,n＝1,2,…,N)中选择出其中最优的反射系数矩阵作为Θopt。
步骤5、对比初始矩阵Θ0与选择的优化矩阵Θopt(根据其对应的信道强度检测结果S0和Sopt)，若Θopt更好，则以Θopt作为新的IRS反射系数矩阵；反之(Θ0比Θopt更好或相等)则IRS反射系数矩阵保持不变，继续寻找方法进一步优化。
具体地，检测反馈策略可以有多种，比如边检测边反馈、或者全部检测完成再一次性反馈，或者介于两者之间的批量检测批量反馈；在反馈机制上也有多种选择，如反馈频段不在毫米波而在低频等。
具体地，在UE反馈目标上，除了AP外还可以是IRS，比如UE检测全部后类似上述步骤选择出更优的Θopt(或相应的位置Popt)反馈给IRS，或者令IRS反射系数矩阵保持初始状态Θ0。
具体地，在UE反馈内容上，除了相应的信道强度等指标，也可以是这些指标的量化值、或者这些指标的函数；也可以是反射系数矩阵的选择(即在UE上对检测结果进行处理，选择出Θopt，或者是Θopt的量化结果)。
具体地，当需要进一步优化时(比如，选择的Θopt比Θ0好但需进一步优化、或者Θopt不比Θ0好)可以考虑多次迭代的方法。
在另外一个具体的实施例中，例如由UE起始的通信情况，在初步确定了用户UE的估计位置Pest及其相应的IRS反射系数矩阵Θ0后，UE发射信号，经IRS反射(初始反射系数矩阵为Θ0)、AP接收并检测该信道强度S0。在以Pest为中心、半径为d的球体内，取N个参考位置Pn,n＝1,2,…,N。分别将N个参考位置作为UE估计位置代入该无线通信系统，得到相应的优化后的IRS反射系数参考矩阵Θn(n＝1,2,…,N)，并在AP检测不同反射系数矩阵Θn下的信道强度Sn(n＝1,2,…,N)。AP根据检测到的信道强度，选择取N个参考位置对应的反射系数矩阵中最优的为Θopt。对比初始矩阵Θ0与选择的优化矩阵Θopt(根据其对应的信道强度检测结果S0和Sopt)，若Θopt更好，则以Θopt作为新的IRS反射系数矩阵；反之(Θ0比Θopt更好或相等)则IRS反射系数矩阵保持不变，继续寻找方法进一步优化。
相比于上一个实施例的AP起始情况，该方案的不同主要在于AP、IRS、UE的交互次序、信道检测方、反射系数矩阵选择方等。其他方面相似，在此不做赘述。
在一个具体的示例中，本申请给出一种具体地估计UE初步位置的方法，其中，该方法的前提是：IRS和无线AP的位置均已知。
在IRS上选择预设数量的反射单元集合，并按照预设时序激活各个反射单元集合；每个反射单元集合包括M个反射单元，所述IRS包括K个反射单元；各个反射单元集合被激活后可以反射射向其的电磁信号；1≤M＜K，M和K均为整数；所述电磁信号由无线AP或UE发射，所述无线AP的位置与IRS的位置已知；
每个激活的反射单元集合按照预设时序选择不同的码字，以按照不同反射方向反射射向其的电磁信号；所述码字决定反射单元集合的反射方向；根据各个码字下每个反射单元集合反射的电磁信号在接收端的强度，确定接收端接收的反射电磁信号强度最大时的码字，并确定该码字下的信道时延，以根据每个反射单元集合对应的反射电磁信号强度最大时码字所确定的信道时延确定每个反射单元集合与UE的距离；
根据每个反射单元集合在IRS上的位置和每个反射单元集合与UE的距离估计UE的初步位置。
在一个可选的实施例中，通过宽带时延估计、RToF或ToF算法确定接收端接收的反射电磁信号强度最大时的码字下的信道时延。
在一个可选的实施例中，基于三角定位法根据每个反射单元集合在IRS上的位置和每个反射单元集合与UE的距离估计UE的初步位置。
在一个可选的实施例中，IRS与UE之间的信道g具体通过如下公式确定：
g＝[g1,…,gK]
Figure BDA0002331810570000101
Figure BDA0002331810570000102
其中，gk为第k个反射单元与UE的信道强度，c是光速，f是信号频率，dk,ue是UE初步位置或参考位置与IRS第k个反射单元位置之间距离；ρk,ue是UE初步位置或参考位置与IRS第k个反射单元位置之间的路径损耗，α是基于信噪比的常数，γ是路径损耗指数；当
Figure BDA0002331810570000103
是UE参考位置与IRS各个反射单元位置之间距离的集合时，g为UE与IRS之间的参考信道。
在一个可选的实施例中，所述AP与IRS之间的信道h具体通过如下公式确定：
h＝[h1,…,hK],
Figure BDA0002331810570000104
其中，hk为第k个反射单元与AP之间的信道强度，dap,k是无线AP的位置与IRS上第k个反射单元位置之间距离，ρap,k是无线AP的位置与IRS第k个反射单元位置之间的路径损耗。在一个可选的实施例中，通过如下公式确定IRS的反射系数矩阵Θ：
或
Θ＝argmaxΘ{|gΘhT|2}。
其中，diag表示以括号内参数生成对角矩阵，j是虚数单位，βk∈[0,1],k＝1,…,K表示第k反射单元的幅度反射参数，φk(k＝1,2,…,K)表示该单元的相移，βkejφk表示第k个反射单元的反射系数；上标T表示转置，当g为UE与IRS之间的初步信道时，Θ为IRS的初步反射系数矩阵；当g为UE与IRS之间的参考信道时，Θ为IRS的参考反射系数矩阵。
具体地，RUS是一块IRS的某个区域上的一定数量的可控反射单元的集合。具有灵活性强、存在“激活”状态等特点，可根据实际需要实现多种功能定义，RUS的灵活性强，一块IRS的RUS数量可自定义；RUS的形状可自定义；一个RUS的反射单元个数可自定义；每个RUS可不相同；IRS上RUS的参数选择可预设也可自适应选择等。另外，RUS存在“激活”状态，可单独控制。当RUS激活时，RUS上的反射单元根据相应的发射系数矩阵反射信号，IRS上其他无关的单元不反射信号，或者把信号发射到接收端不能有效接收的位置；一般情况下是一次只激活一个RUS，在保证不干扰等条件下可以多个RUS同时激活。
进一步地，可根据实际需要，在IRS上选择一定数量、一定大小的RUS，按照一定的时序激活相应的RUS实现信号反射。在一些场景下，比如位置估计等，可使用一定数量的小规模RUS按一定时序激活，可以降低开销；也可以实现在一块IRS上划分出不同的区域，相当于多个IRS在反射信号，提高IRS的灵活性等。
定义：RUS码本是一个矩阵，记为
Figure BDA0002331810570000112
其中M为RUS内的反射单元个数、P是码字个数；RUS码字则是其码本W的每一个列向量，记为
Figure BDA0002331810570000121
p＝1,2,…,P。
特点：RUS码本主要用于RUS的反射系数矩阵确定，其每个码字代表着RUS的一个反射方向，因为每一个码字都对应着一个RUS反射系数矩阵
ΘRUS，p＝diag(wp)，p＝1,2,…,P
所以，RUS码本可以视为码字的集合，或者是对应的RUS反射方向的集合。
RUS码本可由离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transformation，DFT)方法生成，也可以通过其他方法生成。获得对应的RUS码本，在该RUS激活后，根据实际需要，按照一定时序，在码本中选择相应的码字作为该RUS的反射方向。一般情况下，在需要RUS寻找合适的反射方向时才需要使用RUS码本/码字。在这种场景下，激活的RUS按照一定时序选择相应的码字作为反射方向，RUS或者无线通信系统的其他组成根据检测结果选择出合适的码字，作为该RUS合适的反射方向。
在一个具体的实施例中，按照本发明，提供的IRS辅助的无线通信系统下IRS反射系数矩阵Θ确定方法，IRS接收到的电磁信号由无线AP发射，流程概述如下：
在用户UE位置未知、AP和IRS已知的情况下，通过AP发射信号、IRS反射信号、UE反馈信号等，估计出用户UE位置，然后根据AP位置、用户UE估计位置、IRS相关信息等计算出IRS-UE信道g、AP-IRS信道h，进而求出IRS合适的反射系数矩阵Θ。
从整体上看，若每个RUS里的单元个数、分布相同，则可选的，先求出其中一个RUS的合适码字，将该码字作为公共码字，供其他RUS使用，从而可减少开销。
从细节上看，有以下几个方面：
1)就哪一方选择码字而言：可选的，若是UE选择码字，则UE根据检测结果选择出合适的码字，该码字可直接传给IRS或先反馈给AP间接传输给IRS。可选的，若是IRS选择码字，则UE检测并反馈相关信息(相应码字下的信道强度或者其他可行的指标)给IRS或先反馈到AP再传输到IRS，由IRS选择出合适的码字。
2)就做出码字选择的时间而言：可选的，码字选择可以是在接收该RUS的所有码字结果后完成；也可以在接收码字结果的同时判断是否达到可用的要求，发现有合适的码字后可停止码字选择。
3)就码字/码本来源而言：可选的，码本可以是IRS内部预设的；可选的，IRS的码本/码字由AP等外部传输。
码字选择标准：可选的，根据RSSI、RSRP等选出对应信道强度最好的码字。
具体地，信道时延的计算详见表1所示。
表1 时延测量简介
其中，fL＝[f1,…,fL]1×L中fi表示第i个子带的频率，i∈(1,2…L)，子带为一个子载波或者相邻的多个子载波的集合。
Figure BDA0002331810570000141
表示时延为t的电磁路径在所有L个子带的信道响应的共轭。
可选的，计算IRS-UE信道g：
g＝[g1,…,gK]
Figure BDA0002331810570000142
Figure BDA0002331810570000143
其中，gk为第k个反射单元与UE的信道强度，c是光速，f是信号频率，dk,ue是UE初步位置或参考位置与IRS第k个反射单元位置之间距离；ρk,ue是UE初步位置或参考位置与IRS第k个反射单元位置之间的路径损耗，α是基于信噪比的常数，γ是路径损耗指数。
可选的，计算AP-IRS信道h：
h＝[h1,…,hK],
Figure BDA0002331810570000145
其中，hk为第k个反射单元与AP之间的信道强度，dap,k是无线AP的位置与IRS上第k个反射单元位置之间距离，ρap,k是无线AP的位置与IRS第k个反射单元位置之间的路径损耗。
设UE估计位置UEest坐标为(xUE,yUE,zUE)，AP坐标为(xAP,yAP,zAP)，IRS各个反射单元的坐标为(xi,yi,zi)(i＝1,2,…,K)，其中K是IRS反射单元总数。则用户UE的估计位置UEest与IRS各个反射单元的距离为：
Figure BDA0002331810570000146
进而，该距离集合
Figure BDA0002331810570000147
可得：
Figure BDA0002331810570000148
类似的，AP与IRS各个反射单元的距离为：
Figure BDA0002331810570000151
进而，该距离集合
Figure BDA0002331810570000152
可得：
Figure BDA0002331810570000153
具体地，IRS反射系数矩阵的计算，可在AP上进行，然后把反射系数矩阵传输给IRS；
可选的，也可以在IRS上进行，IRS接收用户的估计位置等计算出信道，进而计算出发射系数矩阵；可选的，在IRS上进行，IRS接收相关的信道信息，从而计算出发射系数矩阵。
计算IRS反射系数矩阵
Figure BDA0002331810570000154
求解：
Θ＝argmaxΘ{|gΘhT|2}需要注意的是，IRS反射单元的相移系数存在离散/量化的情况。在这种情况下，上述计算的IRS发射系数矩阵Θ需要进一步计算出离散/量化情况下的合适的解
Figure BDA0002331810570000156
可选的，可以对Θ中每个参数分别找出其最邻近的量化/离散值，从而得到量化/离散情况下的反射系数矩阵
在另一个具体的实施例中，IRS接收到的电磁信号由UE发射，则具体地：该方案是基本流程的另一种具体化，与AP发射方案不同的是，是UE发射信号，流程概述如下。在用户UE位置未知、AP和IRS已知的情况下，通过UE发射信号、IRS反射信号、AP接收信号等，估计出用户UE位置，然后根据AP位置、用户UE估计位置、IRS相关信息等计算出IRS-UE信道g、AP-IRS信道h，进而求出IRS合适的反射系数矩阵Θ。
在一个具体的实施例中，反射系数矩阵的优化方案如下：AP发射信号，经IRS反射，在UE处接收信号。
IRS按照一定时序，根据码本选择其中P个码字作为反射方向，即转变成相应的反射系数矩阵Θp(p＝1,2,…,P)。
UE接收信号，并检测P个反射系数矩阵对应的信道情况，如信道强度Sp(p＝1,2,…,P)。
UE把相应的检测结果反馈到AP，AP根据信道检测结果(Sp,p＝1,2,…,P)在参考位置对应的反射系数矩阵(Θp,p＝1,2,…,P)中选择出其中最优的反射系数矩阵作为Θopt。
具体地，码本选择，除了DFT生成外还可以通过过采样的DFT矩阵，或者3D导向矢量的共轭，或者基于Grassmann流形(Grassmann Manifold)的码本等等。具体如下：
其一，过采样的DFT矩阵产生公式如下：
Figure BDA0002331810570000161
Figure BDA0002331810570000162
其中，(N1,N2)分别是矩形拓扑结构的IRS对应的行数、列数，如图3所示，O1和O2分别表示水平和垂直过采样因子。注意的是，该类IRS中反射单元的序号一列一列地递进。注意，该类方法不限于图3所示的该IRS单元的排列顺序，单元序号也可以一行一行的递进。
其二，3D导向矢量如下：
Figure BDA0002331810570000163
Figure BDA0002331810570000164
r表示单位球基矢量，如图4所示为远场模型中的球形坐标系，其中θ是矢量俯仰角，φ是水平角；H表示N码字相应的3D导向矢量，其中di(i＝1,2,…,P)表示P个码字分别对应的IRS所有反射单元坐标，λ0表示对应的波长。
具体地，码字选择策略：还可以是分级逐步提高扫描精度、有限(迭代次数)且收缩(扫描范围)迭代等。
可以理解的是，若检测不到则无反馈，所以需要一些策略分辨出反射系数矩阵对应的信道强度(检测结果)，如下：
策略一：发射端发射隐性或显性表示码字编号的参考信号(如由ZC序列、PN序列等类型的种子生成相应的函数)，接收端检测后反馈检测结果及其相应的编号，发射端根据该编号可找出对应的IRS反射系数矩阵。策略二：设定一特定的时间间隔T，发射端发射信号后，在该时间间隔T内没有收到相应的反馈则视为接收端无反馈。
其他：比如检测反馈策略、检测目标与内容、反馈目标等都与前述方法实施例有类似的拓展。
图5为本发明提供一种IRS辅助通信系统的通信优化装置，如图5所示，包括：UE位置确定单元510、信道确定单元520、IRS反射系数矩阵确定单元530以及IRS反射系数矩阵优化单元540。
UE位置确定单元510，用于确定UE的初步位置；以所述UE的初步位置为球心，以预设距离为半径，得到一个空间球体，在所述空间球体内取UE的N个参考位置；
信道确定单元520，用于根据所述UE的初步位置与IRS位置之间的距离信息确定UE与IRS之间的初步信道；分别根据所述UE的N个参考位置与IRS位置之间的距离确定UE与IRS之间的N个参考信道；以及根据所述无线AP的位置与IRS位置之间的距离信息确定无线AP与IRS之间的信道；
IRS反射系数矩阵确定单元530，用于根据所述UE与IRS之间的初步信道和无线AP与IRS之间的信道确定IRS的初步反射系数矩阵；以及根据所述UE与IRS之间的N个参考信道和无线AP与IRS之间的信道确定N个IRS的参考反射系数矩阵；
IRS反射系数矩阵优化单元540，用于分别基于所述IRS的初步反射系数矩阵和N个IRS的参考反射系数矩阵实现无线AP与UE之间的通信，确定IRS不同的反射系数矩阵所对应的信道强度，选择信道强度最大的反射系数矩阵作为IRS的最优反射系数矩阵；基于所述IPR的最优反射系数矩阵实现无线AP与UE之间的有效通信。
在一个可选的实施例中，所述UE位置确定单元510，在IRS上选择预设数量的反射单元集合，并按照预设时序激活各个反射单元集合；每个反射单元集合包括M个反射单元，所述IRS包括K个反射单元；各个反射单元集合被激活后可以反射射向其的电磁信号；1≤M＜K，M和K均为整数；所述电磁信号由无线AP或UE发射，所述无线AP的位置与IRS的位置已知；每个激活的反射单元集合按照预设时序选择不同的码字，以按照不同反射方向反射射向其的电磁信号；所述码字决定反射单元集合的反射方向；根据各个码字下每个反射单元集合反射的电磁信号在接收端的强度，确定接收端接收的反射电磁信号强度最大时的码字，并确定该码字下的信道时延，以根据每个反射单元集合对应的反射电磁信号强度最大时码字所确定的信道时延确定每个反射单元集合与UE的距离；以及根据每个反射单元集合在IRS上的位置和每个反射单元集合与UE的距离估计UE的初步位置。
具体各个单元的步骤可参见前述方法实施例中的详细介绍，在此不做赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种IRS辅助通信系统的通信优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定UE的初步位置；以所述UE的初步位置为球心，以预设距离为半径，得到一个空间球体，在所述空间球体内取UE的N个参考位置；
根据所述UE的初步位置与IRS位置之间的距离信息确定UE与IRS之间的初步信道；分别根据所述UE的N个参考位置与IRS位置之间的距离确定UE与IRS之间的N个参考信道；根据所述无线AP的位置与IRS位置之间的距离信息确定无线AP与IRS之间的信道；
根据所述UE与IRS之间的初步信道和无线AP与IRS之间的信道确定IRS的初步反射系数矩阵；以及根据所述UE与IRS之间的N个参考信道和无线AP与IRS之间的信道确定N个IRS的参考反射系数矩阵；
分别基于所述IRS的初步反射系数矩阵和N个IRS的参考反射系数矩阵实现无线AP与UE之间的通信，确定IRS不同的反射系数矩阵所对应的信道强度，选择信道强度最大的反射系数矩阵作为IRS的最优反射系数矩阵；基于所述IRS的最优反射系数矩阵实现无线AP与UE之间的有效通信。
2.根据权利要求1所述的通信优化方法，其特征在于，所述确定UE的初步位置，具体通过如下步骤实现：
在IRS上选择预设数量的反射单元集合，并按照预设时序激活各个反射单元集合；每个反射单元集合包括M个反射单元，所述IRS包括K个反射单元；各个反射单元集合被激活后可以反射射向其的电磁信号；1≤M＜K，M和K均为整数；所述电磁信号由无线AP或UE发射，所述无线AP的位置与IRS的位置已知；
每个激活的反射单元集合按照预设时序选择不同的码字，以按照不同反射方向反射其接收的电磁信号；所述码字决定反射单元集合的反射方向；根据各个码字下每个反射单元集合反射的电磁信号在接收端的强度，确定接收端接收的反射电磁信号强度最大时的码字，并确定该码字下的信道时延，以根据每个反射单元集合对应的反射电磁信号强度最大时码字所确定的信道时延确定每个反射单元集合与UE的距离；
根据每个反射单元集合在IRS上的位置和每个反射单元集合与UE的距离估计UE的初步位置。
3.根据权利要求2所述的通信优化方法，其特征在于，通过宽带时延估计、RToF或ToF算法确定接收端接收的反射电磁信号强度最大时的码字下的信道时延。
4.根据权利要求2所述的通信优化方法，其特征在于，基于三角定位法根据每个反射单元集合在IRS上的位置和每个反射单元集合与UE的距离估计UE的初步位置。
5.根据权利要求1至4任一项所述的通信优化方法，其特征在于，IRS与UE之间的信道g具体通过如下公式确定：
g＝[g1,…,gK]
Figure FDA0002331810560000021
Figure FDA0002331810560000022
其中，gk为第k个反射单元与UE的信道强度，c是光速，f是信号频率，dk,ue是UE初步位置或参考位置与IRS第k个反射单元位置之间距离；ρk,ue是UE初步位置或参考位置与IRS第k个反射单元位置之间的路径损耗，α是基于信噪比的常数，γ是路径损耗指数；当
Figure FDA0002331810560000023
是UE参考位置与IRS各个反射单元位置之间距离的集合时，g为UE与IRS之间的参考信道。
6.根据权利要求5所述的通信优化方法，其特征在于，所述AP与IRS之间的信道h具体通过如下公式确定：
h＝[h1,…,hK],
Figure FDA0002331810560000031
Figure FDA0002331810560000032
其中，hk为第k个反射单元与AP之间的信道强度，dap,k是无线AP的位置与IRS上第k个反射单元位置之间距离，ρap,k是无线AP的位置与IRS第k个反射单元位置之间的路径损耗。
7.根据权利要求6所述的通信优化方法，其特征在于，通过如下公式确定IRS的反射系数矩阵：
或
Θ＝argmaxΘ{|gΘhT|2}。
其中，diag表示以括号内参数生成对角矩阵，j是虚数单位，βk∈[0,1],k＝1,…,K，表示第k反射单元的幅度反射参数，φk(k＝1,2,…,K)表示该单元的相移，
Figure FDA0002331810560000034
表示第k个反射单元的反射系数；上标T表示转置，当g为UE与IRS之间的初步信道时，Θ为IRS的初步反射系数矩阵；当g为UE与IRS之间的参考信道时，Θ为IRS的参考反射系数矩阵。
8.根据权利要求6所述的通信优化方法，其特征在于，所述UE的N个参考位置还可在以UE的初步位置为中心的多面体内或多面体上选取。
9.一种IRS辅助通信系统的通信优化装置，其特征在于，包括：
UE位置确定单元，用于确定UE的初步位置；以所述UE的初步位置为球心，以预设距离为半径，得到一个空间球体，在所述空间球体内取UE的N个参考位置；
信道确定单元，用于根据所述UE的初步位置与IRS位置之间的距离信息确定UE与IRS之间的初步信道；分别根据所述UE的N个参考位置与IRS位置之间的距离确定UE与IRS之间的N个参考信道；以及根据所述无线AP的位置与IRS位置之间的距离信息确定无线AP与IRS之间的信道；
IRS反射系数矩阵确定单元，用于根据所述UE与IRS之间的初步信道和无线AP与IRS之间的信道确定IRS的初步反射系数矩阵；以及根据所述UE与IRS之间的N个参考信道和无线AP与IRS之间的信道确定N个IRS的参考反射系数矩阵；
IRS反射系数矩阵优化单元，用于分别基于所述IRS的初步反射系数矩阵和N个IRS的参考反射系数矩阵实现无线AP与UE之间的通信，确定IRS不同的反射系数矩阵所对应的信道强度，选择信道强度最大的反射系数矩阵作为IRS的最优反射系数矩阵；基于所述IPR的最优反射系数矩阵实现无线AP与UE之间的有效通信。
10.根据权利要求9所述的通信优化装置，其特征在于，所述UE位置确定单元，在IRS上选择预设数量的反射单元集合，并按照预设时序激活各个反射单元集合；每个反射单元集合包括M个反射单元，所述IRS包括K个反射单元；各个反射单元集合被激活后可以反射射向其的电磁信号；1≤M＜K，M和K均为整数；所述电磁信号由无线AP或UE发射，所述无线AP的位置与IRS的位置已知；每个激活的反射单元集合按照预设时序选择不同的码字，以按照不同反射方向反射其接收的电磁信号；所述码字决定反射单元集合的反射方向；根据各个码字下每个反射单元集合反射的电磁信号在接收端的强度，确定接收端接收的反射电磁信号强度最大时的码字，并确定该码字下的信道时延，以根据每个反射单元集合对应的反射电磁信号强度最大时码字所确定的信道时延确定每个反射单元集合与UE的距离；以及根据每个反射单元集合在IRS上的位置和每个反射单元集合与UE的距离估计UE的初步位置。
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Address after: 430000 Room 316, 3rd Floor, Podium Building, Building C2, Phase I, Longshan Innovation Park, Wuhan Future Science and Technology City, No. 999 Gaoxin Avenue, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan, Hubei Province (Wuhan Area of Free Trade Zone)

Patentee after: Wuhan Ruisi Communication Technology Co.,Ltd.

Address before: No. 4, 11th Floor, No. 87 Xinkai Road, Xigang District, Dalian City, Liaoning Province, 116019

Patentee before: Dalian Letong Computer Software Development Co.,Ltd.

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Denomination of invention: A Communication Optimization Method and Device for IRS Assisted Communication System

Granted publication date: 20201016

Pledgee: Industrial Bank Limited by Share Ltd. Wuhan branch

Pledgor: Wuhan Ruisi Communication Technology Co.,Ltd.

Registration number: Y2024980000624

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