CN111246496B - 一种基于智能反射表面的波束追踪覆盖与增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种基于智能反射表面的波束追踪覆盖与增强方法，包括以下步骤：S1、gNB根据链路中断前用户的历史位置与速度信息，确定目标覆盖区域；S2、根据目标覆盖区域将IRS单元划分成若干个子阵列，通过设计IRS单元的相移使子阵列指向目标覆盖区域的相邻区域；S3、gNB在总功率受限的条件下，通过分配gNB发射到IRS不同子阵列上的波束功率，实现对目标覆盖区域的信号增强。本发明实施例提供了一种基于智能反射表面的波束追踪覆盖与增强方法，以有效减小毫米波信号被遮挡导致链路中断带来的影响，从而保障通信的连续性。

Description

一种基于智能反射表面的波束追踪覆盖与增强方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于智能反射表面的波束追踪覆盖与增强方法。

背景技术

在过去的十年中，移动数据的爆炸式增长以及对更高数据速率需求的不断增长推动了无线通信技术的发展，如，出现了大规模多输入多输出(Multiple Input MultipleOutput,MIMO)和毫米波(Millimeter Wave,mmWave)等通信技术。

尽管MIMO技术已大大改善了无线通信系统的频谱和能效，但处理过程的高复杂度和高硬件成本在实践实施中仍然是主要障碍，尤其在诸如mmWave的高频段中。而mmWave通信的一方面挑战是，与较低频段上的路径衰减相比，信号在mmWave频带上的路径损耗要大得多。为了补偿mmWave系统中严重的路径损耗，通常需要使用大型天线阵列来获得可观的波束成形增益进行数据传输。另一方面，高方向性使mmWave通信容易受到遮挡物的影响，而遮挡物在室内和密集的城市环境中可能经常发生。例如，由于毫米波信号的窄波束宽度，很小的障碍物(例如人的手臂)也可有效地阻断通信链路。此外，即将到来的第五代(FifthGeneration,5G)无线网络的网络容量将增加1000倍，具有无处不在的连接性和低延迟需求。为了满足5G对无线通信的需求目前已采用中继器来克服遮挡问题，以提高毫米波信号的覆盖范围，但这种解决方式会带来额外的资源巨大消耗问题。

近年来，为了解决mmWave易被遮挡的问题引入了可重新配置的60GHz智能反射表面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)在视线链路被阻塞的情况下，为服务用户建立可靠的mmWave连接。而现有研究大多对IRS辅助通信系统的性能进行了分析和优化，但尚没有对直射路径中断后由IRS辅助gNB(3GPP中命名5G基站为gNB，generation NodeB)对用户进行波束追踪进行研究。另外，由于IRS控制信号时延和用户运动等因素，其反射波束无法准确对齐用户。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于智能反射表面的波束追踪覆盖与增强方法，以克服现有技术的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于智能反射表面的波束追踪覆盖与增强方法，包括以下步骤：

S1、gNB根据链路中断前用户的历史位置与速度信息，确定目标覆盖区域；

S2、根据所述目标覆盖区域将IRS单元划分成若干个子阵列，通过设计IRS单元的相移使所述子阵列指向目标覆盖区域的相邻区域；

S3、gNB在总功率受限的条件下，通过分配gNB发射到IRS不同子阵列上的波束功率，实现对目标覆盖区域的信号增强。

优选地，所述S1包括：

IRS面板距离地面的高度为H_L，以IRS面板的左上角为坐标原点，竖直边为x轴，水平边为y轴，z轴垂直于x-y平面，IRS面板共有N_t＝M×N个单元，M、N分别表示IRS面板沿x、y轴的总单元数；

gNB首先根据用户的历史位置信息计算用户相对IRS面板的位置坐标(x，y)，根据用户在IRS坐标系下的方位坐标及用户的速度信息获得以用户位置为中心、信号处理延时内用户位移为半径的目标覆盖区域D＝[x_min,x_max]×[y_min,y_max]；

通过引入一对空间角(u，v)来解耦传统的仰角与方位角(θ,φ)，定义u为波束方向与x轴正方向之间的夹角，v为波束方向与y轴正方向之间的夹角，由几何关系

和cosu＝sinθcosφ，cosv＝sinθsinφ可得，

其中，x,y∈R,u,v∈[0,π]，由此可得转换坐标系下目标覆盖区域的坐标范围

优选地，所述S2包括：

IRS面板单元沿x轴方向的相移设计为：目标覆盖区域的波束宽度为Δ_x＝cosu_min-cosu_max，单个IRS单元可实现的3dB波束宽度为

其中λ表示波长，b表示每个单元的宽度，δ_i表示gNB发射波束到达IRS单元的入射角；

假设每个子阵列所包含的单元总数为M_S，则每个子阵列的波束宽度为

相应地，沿x轴将IRS单元划分成

个子阵列，为确保沿x轴的波束宽度不小于Δ_x，则需满足

w_x×S_x≥Δ_x

选用的IRS单元数越多，获得的增益越高，选择满足上式的最大M_S值作为每个子阵列的单元数，划分好子阵列单元后为每个子阵列设计相应的相移以覆盖目标区域；目标覆盖区域的中心位置c_x＝(cosu_min+cosu_max)/2，沿x轴方向，第i个IRS子阵列单元的偏移角为，

相应地，IRS单元的相移为，

其中，j是虚部单位，i表示沿x轴的第i个子阵列，m表示子阵列中的第m个IRS单元；

同理，沿y轴方向各IRS单元的相移为，

其中，j是虚部单位，l表示沿y轴方向的第l个子阵列；N_S表示沿y轴每个子阵列所包含的总单元数；n表示子阵列中的第n个单元；a_y,l是沿y轴方向第l个IRS子阵列单元的偏移角；S_y是沿y轴方向子阵列的数量。

沿x轴和y轴的相移是独立的，将沿x轴和y轴的相移直接相乘以获得每个IRS单元的相位偏移，

优选地，所述S3包括：

采用拉格朗日注水功率分配算法求得全局最优解，由于拉格朗日函数

为

则，

令

解得，

在注水功率分配算法下，目标覆盖区域可达最大信道容量为，

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种基于智能反射表面的波束追踪覆盖与增强方法，以有效减小mmWave被遮挡导致链路中断带来的影响，从而保障通信的连续性。适用于第五代通信系统中IRS辅助通信架构下波束追踪覆盖与增强的方法，考虑在gNB与UE(User Equipment，即用户设备)的通信链路由于遮挡而中断后利用IRS为UE提供辅助服务的情况，首先利用UE的位置与速度信息确定目标覆盖范围，针对此目标覆盖范围选择适当IRS子阵列大小并设计相应的IRS相位偏移，最后gNB在总功率受限的约束下，通过分配gNB发射到IRS不同阵列上的波束率，实现对目标覆盖区域的信号增强。本发明可以在保障UE通信链路连续的情况下，最大化UE所在目标区域的信道容量。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于智能反射表面的波束追踪覆盖与增强方法示意图；

图2本发明实施例提供的一种基于智能反射表面的波束追踪覆盖与增强方法流程图；

图3为本发明实施例提供的一种基于智能反射表面的波束追踪覆盖与增强的研究场景示意图；

图4为本发明实施例提供的用于坐标系变换的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于智能反射表面的波束追踪覆盖与增强的效果示意图；

图6为本发明实施例提供的IRS距离地面不同高度时的算法效果图；

图7为本发明实施例提供的UE以不同速度运动时的算法效果图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

当gNB与UE的通信链路由于遮挡等原因发生中断时，gNB通过IRS建立与UE的通信链路。由于毫米波易被遮挡和吸收的特性，通过IRS单元进行覆盖的区域仅由直射路径确定，散射路径与直射路径相比可忽略。IRS单元传播的信号经过的组合信道是gNB-IRS信道、IRS单元反射和IRS-UE信道的级联，即

其中，h_r是IRS-UE信道，

表示IRS单元的相移，g是gNB-IRS信道。定义

为gNB-IRS和IRS-UE的串联信道，其中，

所以信号经IRS单元反射后复合gNB-IRS-UE信道响应如(1)式所示，

其中，

是IRS单元的相移，

是相应的复合信道，h_r表示IRS-UE信道；g表示gNB-IRS信道；H表示矩阵共轭转置运算。IRS单元的相移定义为，

其中，j表示虚部单位，θ,φ分别表示反射波束的方位角和俯仰角。每个gNB-IRS-UE有效信道的增益如(3)式所示，

IRS覆盖区域中UE处接收到的信号为，

P是gNB的发射功率，n表示高斯噪声。因此，UE处接收信号的功率为，

为了最大化UE在IRS目标覆盖区域下信号的接收功率，在gNB总发射功率受限的条件下，需联合优化gNB发射在IRS不同子阵列上信号的功率和IRS处的相移。对应地最大化目标覆盖区域下信道容量的问题如(P1)所示：

P_k≥0，k＝1,2,…,N_t (8)

其中，d表示目标区域距离IRS子阵列单元的距离；σ²表示噪声的功率；P_k表示gNB发射在IRS单元上的功率；N_t表示IRS的单元总数。

本发明实施例提供了一种基于智能反射表面的波束追踪覆盖与增强方法，通过IRS相移设计和gNB功率分配算法，来交替解决(P1)问题，如图1-2所示，包括以下步骤：

S1、gNB根据链路中断前用户的历史位置与速度信息，确定目标覆盖区域，包括：

如图3所示，IRS面板距离地面的高度为H_L，以IRS面板的左上角为坐标原点，以竖直边为x轴水平边为y轴，z轴垂直于x-y平面。IRS面板共有N_t＝M×N个单元的，M，N分别表示IRS面板沿x、y轴的总单元数。为了获得不同宽度的波束，将IRS单元分为多个子阵列每次按需启动适当的IRS单元。gNB首先根据用户的历史位置信息计算用户相对IRS面板的位置坐标(x，y)，根据用户的位置信息可得其在IRS坐标系下的方位坐标并根据用户的速度信息获得以用户位置为中心、信号处理延时内用户位移(速度×处理时延)为半径的目标覆盖区域D＝[x_min,x_max]×[y_min,y_max]。如图4所示，通过引入一对空间角(u，v)来解耦传统的仰角与方位角(θ,φ)，定义u为波束方向与x轴正方向之间的的夹角，v为波束方向与y轴正方向之间的夹角。由几何关系

和cosu＝sinθcosφ，cosv＝sinθsinφ可得，

其中，x,y∈R,u,v∈[0,π]。由此可得转换坐标系下目标覆盖区域的坐标范围

S2、根据目标覆盖区域将IRS单元划分成若干个子阵列，通过设计IRS单元的相移使子阵列指向目标覆盖区域的相邻区域，包括：

以IRS面板单元沿x轴方向的相移设计为例，目标覆盖区域的波束宽度为Δ_x＝cosu_min-cosu_max，单个IRS单元可实现的3dB波束宽度为

其中，λ表示波长，b表示每个单元的宽度，δ_i表示gNB发射波束到达IRS单元的入射角。为了获得能够覆盖目标区域的期望波束宽度，需选定合适的子阵列大小并设计相应的相移，使不同子阵列的反射波束指向目标覆盖区域的相邻位置。假设每个子阵列所包含的单元总数为M_S，则每个子阵列的波束宽度为

相应地，沿x轴可将IRS单元划分成

个子阵列。为确保沿x轴的波束宽度不小于Δ_x，则需满足

w_x×S_x≥Δ_x (11)

由于选用的IRS单元数越多，可获得的增益越高，因此选择满足(11)式的最大M_S值作为每个子阵列的单元数。划分好子阵列单元后为每个子阵列设计相应的相移以覆盖目标区域。目标覆盖区域的中心位置c_x＝(cosu_min+cosu_max)/2，沿x轴方向，第i个IRS子阵列单元的偏移角为，

相应地，IRS单元的相移为，

其中，j是虚部单位，i表示沿x轴的第i个子阵列，m表示子阵列中的第m个IRS单元。

同理，沿y轴方向各IRS单元的相移为，

其中，j是虚部单位，l表示沿y轴方向的第l个子阵列；N_S表示沿y轴每个子阵列所包含的总单元数；n表示子阵列中的第n个单元；a_y,l是沿y轴方向第l个IRS子阵列单元的偏移角；S_y是沿y轴方向子阵列的数量。

由于沿x轴和y轴的相移是独立的，因此可以将它们直接相乘以获得每个IRS单元的相位偏移，

S3、gNB在总功率受限的条件下，通过分配gNB发射到IRS不同子阵列上的波束功率，实现对目标覆盖区域的信号增强。

gNB采用频分多址或时分多址的方式，来区分发送在不同IRS子阵列的波束。由(P1)问题可知，在IRS单元相移

确定的情况下，最大化目标覆盖区域下信道容量还需要gNB进行恰当的功率分配。基于IRS相移的设计(P1)问题化简如(P2)所示，为使经IRS反射的波束具有不同的功率，且波束功率随不同位置处UE出现概率的增大而增大，本发明采用注水功率算法解决(P2)中的功率分配问题。

p_k≥0，k＝1,2,...,S_x·S_y (18)

由于log₂(1+γ)是非凸函数因此优化问题(P1)是非凸优化问题，可用拉格朗日注水功率分配算法求得全局最优解，由于拉格朗日函数

为

则，

令

解得，

在注水功率分配算法下，目标覆盖区域可达最大信道容量为

实施例二

该实施例提供了一种基于智能反射表面的波束追踪覆盖与增强方法，具体可以包括如下步骤：

场景参数设置：gNB为多天线基站，可控制发射到IRS面板不同单元波束的功率，IRS面板沿x方向的单元数32，沿y方向的单元数32，信号的处理时延为1s。

图5是在用户的历史位置(10,10)，运动速度为3m/s的情况下，IRS波束的覆盖与增强的效果图。参照图5，横坐标表示用户位置的x坐标，纵坐标表示用户位置的y坐标，右边是用颜色深浅表示的信道增益值，即Effective channel gain的值，单位是dB，在x-y平面内每点处的颜色表示此位置处的波束增益值。由图5可看出，本发明实例显著提高了IRS对用户运动区域的波束增益。

图6、7中的实线表示在注水功率分配算法下覆盖范围内可实现的信道容量，虚线表示在平均功率分配下覆盖范围内的信道容量。由仿真结果可以看出，采用注水功率分配算法可提高系统性能。图6、图7分别比较了不同IRS距地高度、不同用户运动速度对IRS用户覆盖的影响。可以看出用户的运动速度比IRS挂高产生的影响大。当用户的运动速度越大，gNB算得IRS需覆盖的范围越大，相应IRS覆盖区域内获得的波束增益越小。而在用户运动速度一定的情况下，IRS的挂高也存在较优值。

综上所述，本发明实施例提供的一种基于智能反射表面的波束追踪覆盖与增强方法，通过设计IRS的相移完成对用户的追踪覆盖和分配gNB的发射功率实现覆盖区域的信号增强，可以实现在保障UE通信链路连续的同时最大化UE所在目标区域的信道容量。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于智能反射表面的波束追踪覆盖与增强方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、gNB根据链路中断前用户的历史位置与速度信息，确定目标覆盖区域；

S2、根据所述目标覆盖区域将智能反射表面IRS单元划分成若干个子阵列，通过设计IRS单元的相移使所述子阵列指向目标覆盖区域的相邻区域；

S3、gNB在总功率受限的条件下，通过分配gNB发射到IRS不同子阵列上的波束功率，实现对目标覆盖区域的信号增强；

所述S1包括：

IRS面板距离地面的高度为H_L，以IRS面板的左上角为坐标原点，竖直边为x轴，水平边为y轴，z轴垂直于x-y平面，IRS面板共有N_t＝M×N个单元，M、N分别表示IRS面板沿x、y轴的总单元数；

gNB首先根据用户的历史位置信息计算用户相对IRS面板的位置坐标(x，y)，根据用户在IRS坐标系下的方位坐标及用户的速度信息获得以用户位置为中心、信号处理延时内用户位移为半径的目标覆盖区域D＝[x_min,x_max]×[y_min,y_max]；

通过引入一对空间角(u，v)来解耦传统的仰角与方位角(θ,φ)，定义u为波束方向与x轴正方向之间的夹角，v为波束方向与y轴正方向之间的夹角，由几何关系

和cosu＝sinθcosφ，cosv＝sinθsinφ可得，

其中，

u,v∈[0,π]，由此可得转换坐标系下目标覆盖区域的坐标范围

所述S2包括：

IRS面板单元沿x轴方向的相移设计为：目标覆盖区域的波束宽度为Δ_x＝cosu_min-cosu_max，单个IRS单元可实现的3dB波束宽度为

其中λ表示波长，b表示每个单元的宽度，δ_i表示gNB发射波束到达IRS单元的入射角；

假设每个子阵列所包含的单元总数为M_S，则每个子阵列的波束宽度为

相应地，沿x轴将IRS单元划分成

个子阵列，为确保沿x轴的波束宽度不小于Δ_x，则需满足

w_x×S_x≥Δ_x

选用的IRS单元数越多，获得的增益越高，选择满足上式的最大M_S值作为每个子阵列的单元数，划分好子阵列单元后为每个子阵列设计相应的相移以覆盖目标区域；目标覆盖区域的中心位置c_x＝(cosu_min+cosu_max)/2，沿x轴方向，第i个IRS子阵列单元的偏移角为，

相应地，IRS单元的相移为，

其中，j是虚部单位，i表示沿x轴的第i个子阵列，m表示子阵列中的第m个IRS单元；

同理，沿y轴方向各IRS单元的相移为，

其中，j是虚部单位，l表示沿y轴方向的第l个子阵列；N_S表示沿y轴每个子阵列所包含的总单元数；n表示子阵列中的第n个单元；a_y,l是沿y轴方向第l个IRS子阵列单元的偏移角；S_y是沿y轴方向子阵列的数量；

沿x轴和y轴的相移是独立的，将沿x轴和y轴的相移直接相乘以获得每个IRS单元的相位偏移，

所述S3包括：

采用拉格朗日注水功率分配算法求得全局最优解，由于拉格朗日函数

为

则，

令

解得，

在注水功率分配算法下，目标覆盖区域可达最大信道容量为，

其中，P是gNB的发射功率，σ²表示噪声的功率。

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