CN111163515A - 一种irs辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法 - Google Patents

一种irs辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法 Download PDF

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CN111163515A CN201911412693.4A CN201911412693A CN111163515A CN 111163515 A CN111163515 A CN 111163515A CN 201911412693 A CN201911412693 A CN 201911412693A CN 111163515 A CN111163515 A CN 111163515A
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Abstract

本发明提供一种IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法，在IRS的合适位置，分别配置有M个收发机，当AP与UE位置都未知时，收发机发送信号，分别检测收发机与AP间的距离和收发机与UE间的距离；采用定位法计算得到AP和UE的估计位置，该IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法设计合理，在IRS上配备了收发机来确定AP或UE的位置，估计计算得到的AP和UE位置更准确，从而计算得到的反射系数矩阵更优，通信系统的接收信号强度更高，系统的频谱效率有较大的提升。

Description

一种IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法
技术领域
本发明属于5G无线通信技术领域，特别涉及一种IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法。
背景技术
在5G无线通信领域，由于高频信号的传输(如毫米波或太赫兹波)容易受障碍物阻挡，导致无线通信效果不佳。为了解决这个问题，有一种思路：通过一种特殊制造的低成本、无源的、可反射的、可重构的智能表面(Metasurface/LIS/Large Intelligent Surface/Reconfigurable reflectarrays/Intelligent walls/Software-controlledmetasurfaces/Intelligent Reflecting Surface/IRS，下文均用IRS表述)，特别是当AP(Acess Point)与用户UE(User Equipment)之间由于遮挡而造成信号强度太弱无法高效通信时，可以通过AP-IRS-UE信道进行通信，相当于通过一条经过IRS的反射路径进行通信，如附图3所示：
其中IRS部分如附图4所示：
图中所示的矩形均匀分布的结构只是IRS的一种常见结构，IRS 的结构、反射单元的分布和个数、单元间距等参数可以自定义，AP 发出的信号经过IRS的反射，可以被UE接收到，从而实现了AP与UE间的通信，图中每个单元里面的符号θn(n＝1，2，...，N)表示该单元的相移，这些单元的相移可由IRS的控制器控制，则θ：
θ＝[θ1 ... θN]；(式2.1)
θn∈[0，2π)，n＝1，2，...，N.
其中N为IRS的反射单元个数，进而，把IRS的反射系数矩阵定义为对角矩阵
Figure RE-GDA0002436208880000021
Figure RE-GDA0002436208880000022
其中j是虚数单位，βn∈[0，1]表示第n反射单元的幅度反射参数；
但是，IRS上的最优反射系数矩阵难以通过现有技术有效获取，导致由AP发射的信号经过IRS反射之后，在UE侧接收信号强度不高，通信的质量无法得到保证。为此，本发明提出一种IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法，该IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法设计合理，在IRS上配备了收发机来确定 AP或UE的位置，估计计算得到的AP和UE位置更准确，从而计算得到的反射系数矩阵更优，通信系统的接收信号强度更高，系统的频谱效率有较大的提升。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种 IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法，其特征在于，在IRS的合适位置，分别配置有M个收发机，收发机发送信号，分别检测收发机与AP间的距离和收发机与UE间的距离；采用定位法计算得到AP或UE的估计位置，基于AP和UE的估计位置，计算IRS与 AP间的通信信道h和IRS与UE间的通信信道g，根据信道h和g，计算IRS合适的反射系数矩阵具体步骤如下：
步骤一：M个收发机分别发射检测信号，收发机可以按时分、频分或码分发射信号计算各个收发机与UE间信道的时延或各个收发机与AP间信道的时延，时延计算可以采用宽带时延估计、ToF、或RToF 方法；
步骤二：根据相应的信道时延可以计算出各个收发机与UE间的距离或各个收发机与AP间的距离；
步骤三：得到各个收发机与UE间的距离，可以用相关的定位算法计算得到UE的位置UEest或AP的位置APest，定位算法可以采用三角定位方法；
步骤四：根据估计位置UEest，计算IRS-UEest信道g，根据估计位置APest，计算AP-IRS信道h；
步骤五：根据信道g和信道h，计算IRS合适的反射系数矩阵θ。
作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤五的具体计算步骤如下：
Figure RE-GDA0002436208880000031
或
Figure RE-GDA0002436208880000041
其中，diag表示以括号内参数生成对角矩阵，j是虚数单位，K 为反射单元总个数，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 RE-GDA0002436208880000045
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。
作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤一中的宽带时延估计方法具体为：收发机以L个子带频率发送信号，频率为fL，即 fL＝[f1，...，fL]1×L，收发机与UE间对应有L个估计信道，即
Figure RE-GDA0002436208880000042
可以求出信道时延：
Figure RE-GDA0002436208880000043
其中
Figure RE-GDA0002436208880000044
作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤一中的ToF(Time of Flight)方法，以计算收发机与UE间的信道时延为例，具体步骤如下：
①：收发机发射信号，记录发射时间t1；
②：在接收端UE接收信号，记录接收时间t2，计算收发机与UE 间的信道时延：t＝t2-t1；
所述步骤一中的RToF(Return Time of Flight)方法，以计算收发机与UE间的信道时延为例，具体步骤如下：
①：收发机发射信号，记录发射时间t1；
②：在接收端UE接收信号，记录接收时间t2；
③：UE发射反馈信号，记录发射时间t3；
④：在接收端收发机接收信号，记录接收时间t4；
⑤：计算收发机与UE间的信道时延：
Figure RE-GDA0002436208880000051
作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤四的具体计算步骤如下：
①：根据估计位置UEest，计算IRS-UEest信道g
g＝[g1，...，gK]
Figure RE-GDA0002436208880000052
Figure RE-GDA0002436208880000053
其中，K为反射单元总个数，gk为第k个反射单元与UE的信道， 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；
②：计算AP-IRS信道h
h＝[h1，...，hK]，
Figure RE-GDA0002436208880000054
Figure RE-GDA0002436208880000061
其中，K为反射单元总个数，hk为第k个反射单元与AP之间的信道，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。
作为本发明的一种优选实施方式，采用最常见的矩形结构的IRS，在IRS矩形的四个角位置，分别配置有M＝4个收发机。
作为本发明的一种优选实施方式，在反射系数矩阵θ计算的过程中，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 RE-GDA0002436208880000062
作为本发明的一种优选实施方式，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 RE-GDA0002436208880000063
作为本发明的一种优选实施方式，当收发机只有接收信号功能时，计算IRS合适的反射系数矩阵θ的具体步骤如下：
步骤一：AP或UE发射信号，收发机接收信号，由IRS上的控制器计算各个收发机与UE间的信道时延或各个收发机与AP间信道的时延，时延计算可以采用宽带时延估计、ToF方法；
步骤二：根据相应的信道时延可以计算出各个收发机与UE间的距离或各个收发机与AP间的距离；
步骤三：得到各个收发机与UE间的距离，可以用相关的定位算法计算得到UE的位置UEest或AP的位置APest，定位算法可以采用三角定位方法；
步骤四：根据估计位置UEest，计算IRS-UEest信道g，根据估计位置APest，计算AP-IRS信道h；
步骤五：根据信道g和信道h，计算IRS合适的反射系数矩阵θ。
作为本发明的一种优选实施方式，当收发机只有发送信号功能时，计算IRS合适的反射系数矩阵θ的具体步骤如下：
步骤一：收发机可以按时分、频分或码分发射信号，UE或AP接收信号，在UE端计算各个收发机与UE间信道的时延或各个收发机与 AP间信道的时延，或在AP端计算各个收发机与UE间信道的时延或各个收发机与AP间信道的时延，时延计算可以采用宽带时延估计、ToF方法；
步骤二：根据相应的信道时延可以计算出各个收发机与UE间的距离或各个收发机与AP间的距离；
步骤三：得到各个收发机与UE间的距离，可以用相关的定位算法计算得到UE的位置UEest或AP的位置APest，定位算法可以采用三角定位方法；
步骤四：根据估计位置UEest，计算IRS-UEest信道g，根据估计位置APest，计算AP-IRS信道h；
步骤五：根据信道g和信道h，计算IRS合适的反射系数矩阵θ。
本发明的有益效果：
此IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法在IRS 上配备了收发机来确定AP或UE的位置，估计计算得到的AP和UE位置更准确，从而计算得到的反射系数矩阵更优，通信系统的接收信号强度更高，系统的频谱效率有较大的提升。
附图说明
图1为一种IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法的流程框图；
图2为一种IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法的装备有收发机的IRS示意图；
图3为AP-IRS-UE信道进行通信的示意图；
图4为图3中IRS部分的示意图；
图5为以IRS左下角反射单元为三维坐标系原点的空间坐标系示意图；
图6为将收发机视为一个点进行通信的AP，IRS，UE位置示意图；
图7为收发机与UE间对应的L个估计信道的示意图；
图8为三角定位(Triangulation)方法的示意图；
图9为配备收发机与未配备收发机时的信噪比示意图；
图10为信噪比比较差值示意图；
图11为配备收发机与未配备收发机时的频谱效率示意图；
图12为频谱效率提升效果百分比示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
请参阅图1至图12，本发明提供一种技术方案：一种IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法；
本实施例中，IRS为最常见的矩形结构，在IRS的合适位置，分别安装有一个收发机；
IRS：反射单元为R行，C列([R，C]＝[64，128])，反射单元总数为R*C(64*128＝8192)个，一行内反射单元间的间隔为Dr，一列内单元间的间隔为Dc([Dr，Dc]＝[0.005，0.005])，单位长度为1m，以IRS左下角反射单元为三维坐标系原点，坐标为(0，0，0)，行方向向右为y轴正方向，列方向向上为z轴正方向，垂直y-z平面向外为x轴正方向，空间坐标系如附图5所示：
收发机：收发机位于IRS四个角位置，本实例中将收发机视为一个点进行通信，四个收发机点坐标分别为coor_Trans_1＝(0，-0.005， -0.005)，coor_Trans_2＝(0，-0.005，0.325)，coor_Trans_3＝(0， 0.645，-0.005)，coor_Trans_4＝(0，0.645，0.325)；
AP坐标为(5，-5，0)，用户UE位置沿x轴正方向，依次从(0， 3，0)以0.5m为间隔分布到(20，3，0)，共41个位置，AP，IRS， UE位置如附图6所示：
本实施例在测距时会用到宽带时延估计和三角定位法，本实施例中宽带检测信号的中心频率Fc＝28GHz，子带的数量L＝128，子载波间隔SCS＝60KHz，子带的带宽Fd＝3.6MHz；
本实施例中，基于信噪比的常数α＝0.01，是路径损耗指数γ＝2.5；
具体步骤如下：
步骤一：四个收发机分别为Transmitter_1，Transmitter_2， Transmitter_3，Transmitter_4，以收发机Transmitter_1为例，收发机以L个子带频率发送信号，频率为fL，即fL＝[f1，...，fL]1×L，收发机与UE间对应有L个估计信道，即
Figure RE-GDA0002436208880000091
如附图7所示：
步骤二：可以求出信道时延t：
Figure RE-GDA0002436208880000101
其中
Figure RE-GDA0002436208880000102
根据相应的信道时延可以计算出收发机1与UE间的距离Dis_1，即Dis_1＝c×t，其中c为光速，即c＝3×108m/s，同理可以分别求出其他三个收发机与UE间的距离Dis_2，Dis_3和Dis_4；
步骤三：得到了各个收发机与UE间的距离后，已知M个收发机的位置，可以用相关的定位算法计算得到UE的位置UE_est，定位算法可以采用三角定位(Triangulation)方法，如附图8所示：
步骤四：计算信道，具体如下：
(1)计算IRS与AP间的信道h：
h＝[h1，...，hK]，
Figure RE-GDA0002436208880000103
Figure RE-GDA0002436208880000104
(2)根据求出的用户估计位置UE_est，进而求出IRS与UE间信道g：
g＝[g1，...，gK]
Figure RE-GDA0002436208880000105
Figure RE-GDA0002436208880000106
步骤五：计算IRS合适的反射系数矩阵θ
Figure RE-GDA0002436208880000111
或
Figure RE-GDA0002436208880000112
在相移系数量化/离散情况下，上述发射系数矩阵需要进一步进行相应的量化处理：θ上的参数选择最邻近的量化/离散参数，转变成
Figure RE-GDA0002436208880000113
仿真结果分析：
IRS以计算得到的最优反射系数矩阵反射信号，实现AP-IRS-UE 间通信，计算通信系统的信噪比SNR和频谱效率，并与IRS随机反射估计UE位置时的信噪比和频谱效率对比；
一、信噪比结果如下所示：
①配备收发机与未配备收发机时的信噪比(见附图9)；
②信噪比比较差值(见附图10)；
结论：图中横坐标表示UE的x坐标，UE与IRS的距离与Dx成正比关系，由两图结果图比较，配备了收发机的IRS来确定UE位置比IRS随机反射时的信噪比提升效果非常明显，当UE横坐标为0.5m 时，信噪比增大了为15.15dB，总体来看，配备了收发机的IRS比未配备时信噪比平均提高了11.05dB；
二、频谱效率比较结果如下图所示：
①配备收发机与未配备收发机时的频谱效率(见附图11)；
②频谱效率提升效果百分比(见附图12)
结论：配备了收发机的IRS确定UE位置时的频谱效率比IRS随机反射确定UE位置时总体提升效果非常明显，当UE的x坐标为0.5m 时，频谱效率提高了4.63bps/Hz，提升了230.6％，UE距离IRS越远，频谱效率提升效果越明显。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法，其特征在于，在IRS的合适位置，分别配置有M个收发机，收发机发送信号，分别检测收发机与AP间的距离和收发机与UE间的距离；采用定位法计算得到AP或UE的估计位置，基于AP和UE的估计位置，计算IRS与AP间的通信信道h和IRS与UE间的通信信道g，根据信道h和g，计算IRS合适的反射系数矩阵具体步骤如下：
步骤一：M个收发机分别发射检测信号，收发机可以按时分、频分或码分发射信号计算各个收发机与UE间信道的时延或各个收发机与AP间信道的时延，时延计算可以采用宽带时延估计、ToF、或RToF方法；
步骤二：根据相应的信道时延可以计算出各个收发机与UE间的距离或各个收发机与AP间的距离；
步骤三：得到各个收发机与UE间的距离，可以用相关的定位算法计算得到UE的位置UEest或AP的位置APest，定位算法可以采用三角定位方法；
步骤四：根据估计位置UEest，计算IRS-UEest信道g，根据估计位置APest，计算AP-IRS信道h；
步骤五：根据信道g和信道h，计算IRS合适的反射系数矩阵θ。
2.根据权利要求1所述的一种IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法，其特征在于：所述步骤五的具体计算步骤如下：
Figure FDA0002350386440000011
或
Figure FDA0002350386440000012
其中，diag表示以括号内参数生成对角矩阵，j是虚数单位，K为反射单元总个数，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 FDA0002350386440000021
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。
3.根据权利要求1所述的一种IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法，其特征在于：所述步骤一中的宽带时延估计方法具体为：收发机以L个子带频率发送信号，频率为fL，即fL＝[f1，...，fL]1×L，收发机与UE间对应有L个估计信道，即
Figure FDA0002350386440000022
可以求出信道时延：
Figure FDA0002350386440000023
其中
Figure FDA0002350386440000024
4.根据权利要求1所述的一种IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法，其特征在于：所述步骤一中的ToF(Time of Flight)方法，以计算收发机与UE间的信道时延为例，具体步骤如下：
①：收发机发射信号，记录发射时间t1；
②：在接收端UE接收信号，记录接收时间t2，计算收发机与UE间的信道时延：t＝t2-t1；
所述步骤一中的RToF(Return Time of Flight)方法，以计算收发机与UE间的信道时延为例，具体步骤如下：
①：收发机发射信号，记录发射时间t1；
②：在接收端UE接收信号，记录接收时间t2；
③：UE发射反馈信号，记录发射时间t3；
④：在接收端收发机接收信号，记录接收时间t4；
⑤：计算收发机与UE间的信道时延：
Figure FDA0002350386440000031
5.根据权利要求1所述的一种IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法，其特征在于：所述步骤四的具体计算步骤如下：
①：根据估计位置UEest，计算IRS-UEest信道g
g＝[g1，...，gK]
Figure FDA0002350386440000032
Figure FDA0002350386440000033
其中，K为反射单元总个数，gk为第k个反射单元与UE的信道，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；
②：计算AP-IRS信道h
h＝[h1，...，hK]，
Figure FDA0002350386440000041
Figure FDA0002350386440000042
其中，K为反射单元总个数，hk为第k个反射单元与AP之间的信道，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。
6.根据权利要求1所述的一种IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法，其特征在于：采用最常见的矩形结构的IRS，在IRS矩形的四个角位置，分别配置有M＝4个收发机。
7.根据权利要求2所述的一种IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法，其特征在于：在反射系数矩阵θ计算的过程中，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 FDA0002350386440000044
8.根据权利要求2所述的一种IRS辅助的无线通信系统中提高接收信号强度的方法，其特征在于：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 FDA0002350386440000043
9.根据权利要求1所述的收发机，当收发机只有接收信号功能时，计算IRS合适的反射系数矩阵θ的具体步骤如下：
步骤一：AP或UE发射信号，收发机接收信号，由IRS上的控制器计算各个收发机与UE间的信道时延或各个收发机与AP间信道的时延，时延计算可以采用宽带时延估计、ToF方法；
步骤二：根据相应的信道时延可以计算出各个收发机与UE间的距离或各个收发机与AP间的距离；
步骤三：得到各个收发机与UE间的距离，可以用相关的定位算法计算得到UE的位置UEest或AP的位置APest，定位算法可以采用三角定位方法；
步骤四：根据估计位置UEest，计算IRS-UEest信道g，根据估计位置APest，计算AP-IRS信道h；
步骤五：根据信道g和信道h，计算IRS合适的反射系数矩阵θ。
10.根据权利要求1所述的收发机，当收发机只有发送信号功能时，计算IRS合适的反射系数矩阵θ的具体步骤如下：
步骤一：收发机可以按时分、频分或码分发射信号，UE或AP接收信号，在UE端计算各个收发机与UE间信道的时延或各个收发机与AP间信道的时延，或在AP端计算各个收发机与UE间信道的时延或各个收发机与AP间信道的时延，时延计算可以采用宽带时延估计、ToF方法；
步骤二：根据相应的信道时延可以计算出各个收发机与UE间的距离或各个收发机与AP间的距离；
步骤三：得到各个收发机与UE间的距离，可以用相关的定位算法计算得到UE的位置UEest或AP的位置APest，定位算法可以采用三角定位方法；
步骤四：根据估计位置UEest，计算IRS-UEest信道g，根据估计位置APest，计算AP-IRS信道h；
步骤五：根据信道θ和信道h，计算IRS合适的反射系数矩阵θ。
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