CN111050276B - 基于角度信息的irs辅助通信系统的优化方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于角度信息的IRS辅助通信系统的优化方法及设备，包括：根据UE位置相对IRS位置的初步角度确定UE与IRS之间的初步信道；在预设角度偏差范围内，选择M个UE位置相对IRS位置的参考角度；根据M个参考角度确定UE与IRS之间的M个参考信道；确定IRS的初步反射系数矩阵；以及M个IRS的参考反射系数矩阵；分别基于IRS的初步反射系数矩阵和M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IRS的最优反射系数矩阵实现有效通信。本发明得到的IRS反射系数矩阵可以提高通信质量。

Description

基于角度信息的IRS辅助通信系统的优化方法及设备
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更具体地，涉及一种基于角度信息的IRS辅助通信系统的优化方法及设备。
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。
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上每个单元的反射系数，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。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，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。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现有基于IRS的辅助通信系统反射系数矩阵不准确，将导致通信质量很差，影响通信效果的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种基于角度信息的IRS辅助通信系统的优化方法，包括以下步骤：
根据UE位置相对IRS位置的初步角度确定UE与IRS之间的初步信道；
在预设角度偏差范围内，选择M个UE位置相对IRS位置的参考角度，所述参考角度与所述初步角度的偏差值均在所述预设角度范围内；根据所述M个参考角度确定UE与IRS之间的M个参考信道；
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M个参考信道和无线AP与IRS之间的信道确定M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M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位置相对IRS位置的初步角度，具体通过如下步骤确定：
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N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≤N＜K，N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；
根据UE的初步位置、IRS的位置确定UE相对IRS的初步角度。
在一个可选的实施例中，所述UE位置相对IRS位置的初步角度，具体通过如下步骤确定：
基于IRS随机选择预设数量的反射单元集合，每个反射单元集合随机选择一个码字，以按照随机反射方向反射其接收的电磁信号，实现无线AP与UE之间的通信；其中，所述随机选择的预设数量的反射单元集合也可是整个IRS；
确定所有反射单元集合中所有随机反射方向对应的通信情况中最佳的反射方向，根据所述最佳的反射方向确定UE位置相对IRS位置的初步角度。
在一个可选的实施例中，所述IRS、反射单元集合的码本和码字的生成，均可采用DFT的方式。
在一个可选的实施例中，所述无线AP与IRS之间的信道通过如下步骤确定：基于无线AP与IRS之间的距离信息确定无线AP与IRS之间的信道；或基于无线AP与IRS之间的角度信息确定无线AP与IRS之间的信道。
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。
第二方面，本发明提供一种基于角度信息的IRS辅助通信系统的优化设备，其特征在于，包括：
初步信道确定装置，用于根据UE位置相对IRS位置的初步角度确定UE与IRS之间的初步信道；
参考信道确定装置，用于在预设角度偏差范围内，选择M个UE位置相对IRS位置的参考角度，所述参考角度与所述初步角度的偏差值均在所述预设角度范围内；根据所述M个参考角度确定UE与IRS之间的M个参考信道；
反射系数确定装置，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M个参考信道和无线AP与IRS之间的信道确定M个IRS的参考反射系数矩阵；
反射系数优化装置，用于分别基于所述IRS的初步反射系数矩阵和M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；
通信装置，用于基于所述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，所述初步信道确定装置，用于在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N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≤N＜K，N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；以及指示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；以及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；以及根据UE的初步位置、IRS的位置确定UE相对IRS的初步角度。
在一个可选的实施例中，所述初步信道确定装置，用于基于IRS随机选择预设数量的反射单元集合，每个反射单元集合随机选择一个码字，以按照随机反射方向反射其接收的电磁信号，实现无线AP与UE之间的通信；以及确定所有反射单元集合中所有随机反射方向对应的通信情况中最佳的反射方向，根据所述最佳的反射方向确定UE位置相对IRS位置的初步角度；其中，所述随机选择的预设数量的反射单元集合也可是整个IRS。
在一个可选的实施例中，所述反射系数确定装置基于无线AP与IRS之间的距离信息确定无线AP与IRS之间的信道；或基于无线AP与IRS之间的角度信息确定无线AP与IRS之间的信道。
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：
本发明提供一种基于角度信息的IRS辅助通信系统的优化方法及设备，通过在初步估计的反射方向角度的预设范围内选择多个参考的反射方向角度，然后从中选择出AP和UE通信效果更好的参考反射方向角度作为优化反射方向角度，该反射方向角度更准确，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。进一步，通过多次迭代优化，可以是的反射方向更加准确，UE端信号接收强度更强，通信效果更好。此外，由于角度信息表征反射方向信息，覆盖面广，基于角度信息的优化操作复杂度较低，时频资源利用率更高。
附图说明
图1为本发明提供的IRS辅助的无线通信系统示意图；
图2为本发明提供的基于角度信息的IRS辅助通信系统的反射系数优化方法流程图；
图3为本发明提供的基于用户估计位置修正方案的示意图；
图4为本发明提供的IRS单元拓扑结构示意图；
图5为本发明提供的远场信道模型的球形坐标示意图；
图6为本发明提供的基于角度信息的IRS辅助通信系统的反射系数优化设备架构图。
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，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(信道强度、UE反馈)，以相应的策略选择出一定数量的Θm(m＝1，2，...，M)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。
在一个具体的示例中，可以根据UE位置相对IRS位置的初步角度确定UE与IRS之间的初步信道；在预设角度偏差范围内，选择M个UE位置相对IRS位置的参考角度，参考角度与初步角度的偏差值均在所述预设角度范围内；根据M个参考角度确定UE与IRS之间的M个参考信道；根据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UE与IRS之间的M个参考信道和无线AP与IRS之间的信道确定M个IRS的参考反射系数矩阵。其中，IRS的初步反射系数矩阵和M个IRS的参考反射系数矩阵即为一定数量的Θm(m＝1，2，...，M)。
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。
图2为本发明实施例提供的基于角度信息的IRS通信系统的反射系数优化方法流程图，如图2所示，包括如下步骤：
S101，根据UE位置相对IRS位置的初步角度确定UE与IRS之间的初步信道；
S102，在预设角度偏差范围内，选择M个UE位置相对IRS位置的参考角度，所述参考角度与所述初步角度的偏差值均在所述预设角度范围内；根据所述M个参考角度确定UE与IRS之间的M个参考信道；
S103，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M个参考信道和无线AP与IRS之间的信道确定M个IRS的参考反射系数矩阵；
S104，分别基于所述IRS的初步反射系数矩阵和M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位置相对IRS位置的初步角度，具体通过如下步骤确定：
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N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≤N＜K，N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；
根据UE的初步位置、IRS的位置确定UE相对IRS的初步角度。
具体地，可通过如下步骤确定无线AP、UE的位置：
对每个激活的反射单元集合，确定接收端接收的反射电磁信号强度最大时的码字对应的信道时延，以确定每个激活的反射单元集合对应的信道时延；
根据每个反射单元集合对应的信道时延确定每个反射单元集合对应的无线AP与UE之间的信道长度；
根据所述预设数量的反射单元集合中每个反射单元集合对应的信道长度组成方程组，确定无线AP的位置和UE的位置。
需要说明的是：反射单元集合或者反射单元的“激活”状态可单独控制。当反射单元集合或者反射单元被激活时，其根据相应的码字即发射系数矩阵反射信号，IRS上其他无关的反射单元不反射信号，或者把信号反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反射单元集合或发射单元同时激活。
更具体地，估计UE位置的计算可以由UE、IRS或无线AP中的任意一端进行。具体可包括如下几种情况：其一，UE计算出位置：在AP发射信号例子中，UE接收到的“AP发射的经IRS反射的信号”并检测该信号强度进而获得距离信息，结合AP发射给UE的IRS及其RUS位置信息，则可计算出UE位置；在UE发射信号例子中，可由AP检测信号强度反馈给UE，IRS发送RUS的位置信息给UE，进而UE可计算出UE位置。其二，AP计算位置：在AP发射信号例子中，UE接收信号并检测信号强度后反馈给AP，AP结合RUS的位置信息以及由信号强度推导出的距离信息，计算出UE位置；在UE发射信号例子中，AP检测信号强度，IRS发送RUS位置信息给AP，进而AP可计算出UE位置。其三，IRS计算位置：在AP发射信号例子中，UE检测信号强度并反馈给AP，再由AP反送给IRS(或者UE直接反馈给IRS)，IRS根据自身RUS的位置信息以及接收的信号强度信息(可推导出距离信息)计算出UE的位置；在UE发射信号例子中，AP检测信号强度后发送给IRS，IRS结合RUS的位置信息进而求出UE位置。
在一个可选的实施例中，所述UE位置相对IRS位置的初步角度，具体通过如下步骤确定：
基于IRS随机选择预设数量的反射单元集合，每个反射单元集合随机选择一个码字，以按照随机反射方向反射其接收的电磁信号，实现无线AP与UE之间的通信；其中，所述随机选择的预设数量的反射单元集合也可是整个IRS；
确定所有反射单元集合中所有随机反射方向对应的通信情况中最佳的反射方向，根据所述最佳的反射方向确定UE位置相对IRS位置的初步角度。
在一个可选的实施例中，所述无线AP与IRS之间的信道通过如下步骤确定：基于无线AP与IRS之间的距离信息确定无线AP与IRS之间的信道；或基于无线AP与IRS之间的角度信息确定无线AP与IRS之间的信道。
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。
进一步地，在一个具体的实施例中，本发明提供的基于角度信息的IRS通信系统的反射系数优化方法包括如下步骤：
a)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：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。
b)再以IRS中心与Pest连线为轴线，IRS中心为顶点，轴线与母线角度为
Figure BDA0002332202210000101
生成一个直圆锥，取直圆锥内任意M个由顶点出发的射线作为参考反射方向如图3所示。
具体地，以Pest为中心取参考角度的策略有多种，比如一定约束下的随机方向、棱锥体内的反射方向角度，自适应取点等。
c)分别将该M个参考反射方向的角度作为UE估计方向角度代入该无线通信系统，得到相应的IRS反射系数矩阵Θm(m＝1，2，...，M)，并在UE检测不同反射系数矩阵Θm下的信道强度Sm(m＝1，2，...，M)。
d)UE把相应的检测结果反馈到AP，AP根据信道检测结果(Sm，m＝1，2，...，M)在参考角度对应的反射系数矩阵(Θm，m＝1，2，...，M)中选择出其中最优的反射系数矩阵作为Θopt。
具体地，当UE估计位置未知时，通过以下步骤确定最优反射系数矩阵：
a)IRS在整个空间进行一次较为粗略的角度扫描，选择其中最佳方向的角度作为UE相对IRS的初步估计方向的角度，相应的IRS反射系数矩阵记为Θ0，相应的信道强度记为S0。
b)再以上述所得初步估计方向为轴线，IRS中心为顶点，轴线与母线角度为
Figure BDA0002332202210000111
生成一个直圆锥，取直圆锥内任意M个由顶点出发的射线作为参考反射方向。
c)分别将该M个参考反射方向的角度作为UE估计方向角度代入该无线通信系统，得到相应的IRS反射系数矩阵Θm(m＝1，2，...，M)，并在UE检测不同反射系数矩阵Θm下的信道强度Sm(m＝1，2，...，M)。
d)UE把相应的检测结果反馈到AP，AP根据信道检测结果(Sm，m＝1，2，...，M)在参考角度对应的反射系数矩阵(Θm，m＝1，2，...，M)中选择出其中最优的反射系数矩阵作为Θopt。
在一个可选的实施例中，IRS根据DFT码本进行角度优化，具体通过以下步骤确定最优反射系数矩阵：
a)IRS在整个空间根据相应的DFT码本进行一次较为粗略的角度扫描，选择其中最佳方向的角度，即相应的码字，作为UE相对IRS的初步估计方向的角度，相应的IRS反射系数矩阵记为Θ0，相应的信道强度记为S0。
b)再以上述所得初步估计方向所对应的码字为中心，选择一定距离内的、DFT码本相应子集的其他M个码字作为参考反射方向对应的码字。
c)分别将该M个码字对应的参考反射方向的角度作为UE估计方向角度代入该无线通信系统，得到相应的IRS反射系数矩阵Θm(m＝1，2，...，M)，并在UE检测不同反射系数矩阵Θm下的信道强度Sm(m＝1，2，...，M)。
d)UE把相应的检测结果反馈到AP，AP根据信道检测结果(Sm，m＝1，2，...，M)在参考角度对应的反射系数矩阵(Θm，m＝1，2，...，M)中选择出其中最优的反射系数矩阵作为Θopt。
在一个可选的实施例中，可以通过多次迭代角度优化，进一步提高反射方向的角度准确性。可以理解的是，本发明还可进一步通过多次迭代角度优化，提高确定的反射方向的准确性，使得通信质量进一步提高。具体地，本发明可以将上述方案作为一次UE角度后和IRS反射系数的迭代过程，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角度。将此次UE的当前角度作为下一次迭代的UE初始角度，进一步对UE角度和IRS反射系数迭代优化。
具体地，在检测反馈策略有多种，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；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。
另外，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上对检测结果经行处理，选择出Θopt，或者是Θopt的量化结果。
e)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，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。
具体地，当UE估计位置未知时，还可通过以下步骤估计UE的位置：
本发明在常规的IRS辅助无线通信系统基础上，增加了UE的估计位置
Figure BDA0002332202210000136
IRS-UE估计信道g、AP-IRS-UE的信号强度Hf。本发明通过可得到的AP-IRS信道h、AP-IRS-UE的信号强度Hf可计算出UE的估计位置
Figure BDA0002332202210000135
继而求出IRS-UEest估计信道g，最后基于计算的两个信道确定IRS发射系数矩阵或向量Θ。
在一个具体的实施例中，IRS反射的电磁信号由无线AP最初发射，则具体地：该方案是上述基本流程的具体化，是AP发射信号的展开，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(记为
Figure BDA0002332202210000133
)，然后根据AP位置、用户UE估计位置
Figure BDA0002332202210000134
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。
该方法对应的通信信道如表1所示，通信详细步骤说明如表2所示：
表1相关信道说明
Figure BDA0002332202210000131
该方法对应的通信详细步骤说明如表2所示：
表2 AP发射信号方案步骤
Figure BDA0002332202210000132
Figure BDA0002332202210000141
其中，表2步骤3中码字的选择策略有多种方案：
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、SNR、SINR、RSRQ、RS-CINR、CQI等选出对应信道强度最好的码字。
表2步骤4中时延的计算详见表3所示。
表3时延测量简介
Figure BDA0002332202210000151
其中，fL＝[f1,…,fL]1×L中fi表示第i个子带的频率，i∈(1，2...L)。一个子载波或者相邻的多个子载波的集合。
Figure BDA0002332202210000152
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 BDA0002332202210000153
Figure BDA0002332202210000154
其中，gk为第k个反射单元与UE的信道强度，f是频率，c是光速，dk，ue是估计的UE位置与IRS第k个反射单元位置之间距离；ρk，ue是估计的UE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 BDA0002332202210000161
Figure BDA0002332202210000162
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
Figure BDA0002332202210000163
坐标为(xUE，yUE，zUE)，AP坐标为(xAP，yAP，zAP)，IRS各个反射单元的坐标为(xk，yk，zk)(k＝1，2，...，K)，其中K是IRS反射单元总数。则用户UE的估计位置
Figure BDA0002332202210000164
与IRS第k个反射单元的距离为：
Figure BDA0002332202210000165
类似的，AP与IRS各个反射单元的距离为：
Figure BDA0002332202210000166
步骤7中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。
根据计算IRS反射系数矩阵
Figure BDA0002332202210000167
求解：
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 BDA0002332202210000168
表示第k个反射单元的反射系数，上标T表示转置。
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 BDA0002332202210000171
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
Figure BDA0002332202210000172
在另一个具体的实施例中，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IRS中心与Pest连线为轴线，IRS中心为顶点，轴线与母线角度为
Figure BDA0002332202210000173
生成一个直圆锥，取直圆锥内任意M个由顶点出发的射线作为参考反射方向。
分别将M个参考角度作为UE估计方位代入该无线通信系统，得到相应的IRS反射系数矩阵Θm(m＝1，2，...，M)，并在UE检测不同反射系数矩阵Θm下的信道强度Sm(m＝1，2，...，M)。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。
本实施例的不同主要在于AP、IRS、UE的交互次序、信道检测方、矩阵选择方等。其他方面与前述实施例相似。
在一个具体的实施例中，基于码本的反射系数矩阵Θ调整优化，AP起始情况具体为：
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M个码字作为反射方向，即转变成相应的反射系数矩阵Θm(m＝1，2，...，M)。
UE接收信号，并检测N个反射系数矩阵对应的信道情况，如信道强度Sm(m＝1，2，...，M)。
UE把相应的检测结果反馈到AP，AP根据信道检测结果(Sm(m＝1，2，...，M))在参考位置对应的反射系数矩阵(Θm(m＝1，2，...，M))中选择出其中最优的反射系数矩阵作为Θopt。
可选地，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 BDA0002332202210000181
Figure BDA0002332202210000182
式中，(N1，N2)分别是矩形拓扑结构的IRS对应的行数、列数，如图4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4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 BDA0002332202210000183
Figure BDA0002332202210000184
式中，r表示单位球基矢量，如图5所示，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，…，N)表示N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。
在一个可能的实施例中，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。
比如检测反馈策略、检测目标与内容、反馈目标等均可参见前述实施例中的拓展，在此不做赘述。
在另一个具体的实施例中，UE起始情况的方案主要区别于AP、IRS、UE的交互情况等，与前述实施例比较类似，在此不做赘述。
图6为本发明提供的基于角度信息的IRS辅助通信系统的反射系数优化设备架构图，如图6所示，包括：
初步信道确定装置210，用于根据UE位置相对IRS位置的初步角度确定UE与IRS之间的初步信道；
参考信道确定装置220，用于在预设角度偏差范围内，选择M个UE位置相对IRS位置的参考角度，所述参考角度与所述初步角度的偏差值均在所述预设角度范围内；根据所述M个参考角度确定UE与IRS之间的M个参考信道；
反射系数确定装置230，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M个参考信道和无线AP与IRS之间的信道确定M个IRS的参考反射系数矩阵；
反射系数优化装置240，用于分别基于所述IRS的初步反射系数矩阵和M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；
通信装置250，用于基于所述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，所述初步信道确定装置210，用于在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N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，N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；以及指示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；以及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；以及根据UE的初步位置、IRS的位置确定UE相对IRS的初步角度。
在一个可选的实施例中，所述初步信道确定装置210，用于基于IRS随机选择预设数量的反射单元集合，每个反射单元集合随机选择一个码字，以按照随机反射方向反射其接收的电磁信号，实现无线AP与UE之间的通信；以及确定所有反射单元集合中所有随机反射方向对应的通信情况中最佳的反射方向，根据所述最佳的反射方向确定UE位置相对IRS位置的初步角度；其中，所述随机选择的预设数量的反射单元集合也可是整个IRS。
在一个可选的实施例中，所述反射系数确定装置230基于无线AP与IRS之间的距离信息确定无线AP与IRS之间的信道；或基于无线AP与IRS之间的角度信息确定无线AP与IRS之间的信道。
具体地，图6中各个装置的功能可参见前述方法实施例，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)

1.一种基于角度信息的IRS辅助通信系统的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据UE位置相对IRS位置的初步角度确定UE与IRS之间的初步信道；
在预设角度偏差范围内，选择M个UE位置相对IRS位置的参考角度，所述参考角度与所述初步角度的偏差值均在所述预设角度范围内；根据M个所述参考角度确定UE与IRS之间的M个参考信道；
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M个参考信道和无线AP与IRS之间的信道确定M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M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所述的优化方法，其特征在于，所述UE位置相对IRS位置的初步角度，具体通过如下步骤确定：
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N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≤N＜K，N和K均为整数；所述电磁信号由无线AP或UE发射；
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；
根据UE的初步位置、IRS的位置确定UE相对IRS的初步角度。
3.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述UE位置相对IRS位置的初步角度，具体通过如下步骤确定：
基于IRS随机选择预设数量的反射单元集合，每个反射单元集合随机选择一个码字，以按照随机反射方向反射其接收的电磁信号，实现无线AP与UE之间的通信；
确定所有反射单元集合中所有随机反射方向中最佳通信情况对应的反射方向，根据所述最佳通信情况对应的反射方向确定UE位置相对IRS位置的初步角度。
4.根据权利要求2至3任一项所述的优化方法，其特征在于，所述IRS、反射单元集合的码字的生成，均可采用DFT的方式。
5.根据权利要求1至3任一项所述的优化方法，其特征在于，所述无线AP与IRS之间的信道通过如下步骤确定：
基于无线AP与IRS之间的距离信息确定无线AP与IRS之间的信道；或
基于无线AP与IRS之间的角度信息确定无线AP与IRS之间的信道。
6.根据权利要求2所述的优化方法，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。
7.一种基于角度信息的IRS辅助通信系统的优化设备，其特征在于，包括：
初步信道确定装置，用于根据UE位置相对IRS位置的初步角度确定UE与IRS之间的初步信道；
参考信道确定装置，用于在预设角度偏差范围内，选择M个UE位置相对IRS位置的参考角度，所述参考角度与所述初步角度的偏差值均在所述预设角度范围内；根据M个所述参考角度确定UE与IRS之间的M个参考信道；
反射系数确定装置，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M个参考信道和无线AP与IRS之间的信道确定M个IRS的参考反射系数矩阵；
反射系数优化装置，用于分别基于所述IRS的初步反射系数矩阵和M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；
通信装置，用于基于所述IRS的最优反射系数矩阵实现无线AP与UE之间的有效通信。
8.根据权利要求7所述的优化设备，其特征在于，所述初步信道确定装置，用于在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N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≤N＜K，N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；以及指示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；以及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；以及根据UE的初步位置、IRS的位置确定UE相对IRS的初步角度。
9.根据权利要求7所述的优化设备，其特征在于，所述初步信道确定装置，用于基于IRS随机选择预设数量的反射单元集合，每个反射单元集合随机选择一个码字，以按照随机反射方向反射其接收的电磁信号，实现无线AP与UE之间的通信；以及确定所有反射单元集合中所有随机反射方向中最佳通信情况对应的反射方向，根据所述最佳通信情况对应的反射方向确定UE位置相对IRS位置的初步角度；其中，随机选择的所述预设数量的反射单元集合是整个IRS。
10.根据权利要求7至9任一项所述的优化设备，其特征在于，所述反射系数确定装置基于无线AP与IRS之间的距离信息确定无线AP与IRS之间的信道；或基于无线AP与IRS之间的角度信息确定无线AP与IRS之间的信道。
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