CN112039567B - 一种多智能反射面系统的波束成形设计方法 - Google Patents

一种多智能反射面系统的波束成形设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多智能反射面系统的波束成形设计方法：基站通过GPS获取K个用户的位置；基站将所获得的K个用户的位置通过单独的硬件链路传递给智能反射面；基站计算基站到K个智能反射面的有效出发角；每个智能反射面计算基站到每个智能反射面的有效到达角；以及每个智能反射面到每个用户的有效出发角；基站根据基站到K个智能反射面的有效出发角设计发射波束；每个智能反射面通过基站到每个智能反射面的有效到达角，以及每个智能反射面到服务用户的有效出发角来设计相移波束，第m个智能反射面对应的服务用户表示为km。

Description

一种多智能反射面系统的波束成形设计方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种多智能反射面系统的波束成形设计方法。
背景技术
智能反射面(IRS)技术由于其低功耗和低硬件复杂度的特点，获得了来自学术界和工业界的广泛关注，并且被认为是未来移动通信系统的一项关键技术。具体来讲，IRS是由大量的低成本、被动的反射元构成，每个反射元都可以独立地以反射信号，产生相移可调的反射信号。通过合理地改变相移，IRS能够增强接收端的有用信号，从而有助于抵抗不利的无线传播环境。
IRS和基站(BS)的波束设计对于充分发挥IRS的上述优点十分重要。如公开号为CN111181615A的中国专利公开了一种基于智能反射面的多小区无线通信方法，该方法所针对的系统包括多个协作小区，在协作小区中设置了智能反射面，每个协作小区中均有基站和用户终端；所述方法包括：用户终端向各个协作小区中的基站发射导频信号，各基站估计信道状态信息并共享，并获取全局信道状态信息，制定发射波束成形模型；智能反射面制定反射波束成形模型，通过建模求解得到发射波束成形、反射波束成形的系数，从而形成抑制干扰的信号。
很多之前的工作考虑理想的瞬时信道状态信息，采用交替优化IRS波束和 BS波束的方法。然而，IRS在实际部署中却面临着两大挑战。首先是需要瞬时状态信息。但是由于IRS是被动式的结构，而且反射元的数量巨大，瞬时状态信息很难获得。传统的方法是采用导频训练来估计级联的信道，但随着反射元数的增加，信道估计开销变得太高。另一个挑战是需要一个单独的链路以供BS 和IRS交换信息。一般而言，IRS的相移是在BS处设计的，BS通过它们之间单独的链路传给IRS。如果采用瞬时信道信息来设计波束，那么BS和IRS交换信息的频率就会变得很高。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述方案中瞬时信道状态信息难以获得，IRS和 BS信息交换频率高的问题，提出了一种多智能反射面系统的波束成形设计方法。
本发明所采用的具体技术方案如下:
多智能反射面系统的波束成形设计方法，包括如下步骤：
1)基站通过GPS获取K个用户的位置
Figure GDA0003191782430000021
其中，k＝1,...,K；
2)基站将所获得的K个用户的位置通过单独的硬件链路传递给智能反射面；
3)基站计算基站到K个智能反射面的有效出发角
Figure GDA0003191782430000023
m＝1,...,K；
4)每个智能反射面计算基站到每个智能反射面的有效到达角
Figure GDA0003191782430000024
以及每个智能反射面到每个用户的有效出发角
Figure GDA0003191782430000022
m＝1,...,K，k＝1,...,K；
5)基站根据基站到K个智能反射面的有效出发角设计发射波束；
6)每个智能反射面通过基站到每个智能反射面的有效到达角，以及每个智能反射面到服务用户的有效出发角来设计相移波束，第m个智能反射面对应的服务用户表示为km。
步骤3)中的基站到K个智能反射面的有效出发角(以基站到第m个智能反射面的有效出发角为例)为：
Figure GDA0003191782430000031
其中，(xI,m,yI,m,zI,m)表示第m个智能反射面的位置，(xB,yB,zB)表示基站的位置，
Figure GDA0003191782430000032
表示基站到第m个智能反射面的距离。
步骤4)中智能反射面的有效到达角和有效出发角(以第m个智能反射面为例)为：
a)第m个智能反射面的到达角为：
Figure GDA0003191782430000033
b)第m个智能反射面到第k个用户的出发角为：
Figure GDA0003191782430000034
其中，
Figure GDA0003191782430000035
是第m个智能反射面到第k个用户的距离。
步骤5)中发射波束的设计方法为：
基站给第km个用户的发射波束为：
Figure GDA0003191782430000036
其中，
Figure GDA0003191782430000038
表示基站的阵列响应向量，对于均匀线阵
Figure GDA0003191782430000037
其中N是基站的天线数，
Figure GDA0003191782430000039
表示
Figure GDA00031917824300000310
的共轭。
步骤6)中相移波束的设计方法为：
第m个智能反射面的相移波束为：
Figure GDA0003191782430000041
其中，
Figure GDA0003191782430000043
表示智能反射面的阵列响应向量，对于均匀线阵
Figure GDA0003191782430000044
其中M是智能反射面的反射元数，
Figure GDA0003191782430000042
表示第m个智能反射面到第km个用户的出发角，⊙表示Hadamard乘积，
Figure GDA0003191782430000045
表示第m个智能反射面的到达角。
本发明具有的有益效果是：本发明提出的多智能反射面系统的波束成形设计方法，一方面，采用位置信息而不是瞬时状态信息进行波束设计，避免了导频训练开销大的问题。另一方面，位置信息变化慢，需要更新的频率低。此外，位置信息的信息量少，只需要低容量的链路供基站和智能反射面交换信息即可，因而进一步降低了部署的复杂度和成本。
附图说明
图1是多智能反射面系统的系统模型图；
图2是多智能反射面系统的波束成形设计方法和半正定(SDP)优化方法的比较。
具体实施方式
本发明中多智能反射面系统的系统模型图如图1所示，基站有N根天线，K 个单天线用户分别被K个智能反射面服务，每个智能反射面有M个反射元。首先基站通过GPS获取K个用户的位置，并将用户的位置通过单独的硬件链路传递给智能反射面。基站计算它到K个智能反射面的有效出发角，同时各个智能反射面计算基站到它自己的有效到达角以及它自己到用户的有效出发角。基站根据它到K个智能反射面的有效出发角设计发射波束，而各个智能反射面通过基站到它自己的有效到达角，以及它自己到服务用户的有效出发角来设计相移波束。
多智能反射面系统的波束成形设计方法，包括如下步骤：
1)基站通过GPS获取K个用户的位置，也就是
Figure GDA0003191782430000051
k＝1,...,K；
2)基站将所获得的K个用户的位置通过单独的硬件链路传递给智能反射面；
3)基站计算它到K个智能反射面的有效出发角
Figure GDA0003191782430000055
m＝1,...,K；
4)每个智能反射面计算基站到每个智能反射面的有效到达角
Figure GDA0003191782430000056
以及每个智能反射面到每个用户的有效出发角
Figure GDA0003191782430000052
m＝1,...,K，k＝1,...,K；
5)基站根据基站到K个智能反射面的有效出发角设计发射波束；
6)每个智能反射面通过基站到每个智能反射面的有效到达角，以及每个智能反射面到服务用户的有效出发角来设计相移波束，，第m个智能反射面对应的服务用户表示为km。
上述方法中，部分步骤中采用的具体方法如下：
步骤3)中的基站到K个智能反射面的有效出发角计算方法为(以基站到第 m个智能反射面的有效出发角为例)：
Figure GDA0003191782430000053
其中，(xI,m,yI,m,zI,m)表示第m个智能反射面的位置，(xB,yB,zB)表示基站的位置，
Figure GDA0003191782430000054
表示基站到第m个智能反射面的距离。
步骤4)中智能反射面的有效到达角和有效出发角计算方法为(以第m个智能反射面为例)：
a)第m个智能反射面的到达角为
Figure GDA0003191782430000061
b)第m个智能反射面到第k个用户的出发角为
Figure GDA0003191782430000062
其中，
Figure GDA0003191782430000063
是第m个智能反射面到第k个用户的距离。
步骤5)中发射波束的设计方法为：
基站给第km个用户的发射波束为：
Figure GDA0003191782430000066
其中，
Figure GDA0003191782430000067
表示基站的阵列响应向量，对于均匀线阵
Figure GDA0003191782430000068
其中N是基站的天线数，
Figure GDA0003191782430000069
表示
Figure GDA00031917824300000610
的共轭。
步骤6)中相移波束的设计方法为：
第m个智能反射面的相移波束为：
Figure GDA0003191782430000064
其中，
Figure GDA00031917824300000611
表示智能反射面的阵列响应向量，对于均匀线阵
Figure GDA00031917824300000612
其中M是智能反射面的反射元数，
Figure GDA0003191782430000065
表示第m个智能反射面到第km个用户的出发角，⊙表示Hadamard乘积，
Figure GDA00031917824300000613
表示第m个智能反射面的到达角。
图2是计算机仿真的结果，其中用户数K＝4，反射元数M＝16，基站天线数N＝5，以基站为原点(0，0，0)建立直角坐标系，四个用户的位置分别为 (224,168,-40)，(314,64,-40)，(343,-71,-40)，(303,-229,-40)，四个智能反射面的位置分别为(240,178,-20)，(333,68,-20)，(362,-75,-20)，(319,-241,-20)。基准波束设计方案是基于瞬时状态信息的半正定(SDP)优化方案。
如图2所示，采用本发明提出的多智能反射面系统的波束成形设计方法在目标速率低的时候，所需发射功率远远低于基准方案。而且，所提方案的性能随着位置误差的减小能够得到进一步的改善。此外，本方案只需要位置信息，而且能够获得闭式的基站波束和反射面波束，而基准波束设计方案是基于瞬时状态信息的SDP优化方法，信道估计开销大，算法复杂度高。
因此，本发明提出的多智能反射面系统的波束成形设计方法可以为未来多智能表面通信系统提供一种简单有效的波束设计方法。

Claims (6)

1.一种多智能反射面系统的波束成形设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)基站通过GPS获取K个用户的位置
Figure FDA0003191782420000011
其中，k＝1,2, ...,K；
2)基站将所获得的K个用户的位置通过单独的硬件链路传递给智能反射面；
3)基站计算基站到K个智能反射面的有效出发角
Figure FDA0003191782420000015
其中，m＝1,2, ...,K；
4)每个智能反射面计算基站到每个智能反射面的有效到达角
Figure FDA0003191782420000016
以及每个智能反射面到每个用户的有效出发角
Figure FDA0003191782420000012
m＝1,2, ...,K，k＝1,2, ...,K；
5)基站根据基站到K个智能反射面的有效出发角设计发射波束；
6)每个智能反射面通过基站到每个智能反射面的有效到达角，以及每个智能反射面到服务用户的有效出发角来设计相移波束，第m个智能反射面对应的服务用户表示为km。
2.根据权利要求1所述的多智能反射面系统的波束成形设计方法，其特征在于，步骤3)中的基站到K个智能反射面的有效出发角为：
Figure FDA0003191782420000013
其中，(xI,m,yI,m,zI,m)表示第m个智能反射面的位置，(xB,yB,zB)表示基站的位置，
Figure FDA0003191782420000014
表示基站到第m个智能反射面的距离。
3.根据权利要求1所述的多智能反射面系统的波束成形设计方法，其特征在于，步骤4)中智能反射面的有效到达角为：
第m个智能反射面的到达角为：
Figure FDA0003191782420000021
其中，(xI,m,yI,m,zI,m)表示第m个智能反射面的位置，(xB,yB,zB)表示基站的位置，
Figure FDA0003191782420000022
表示基站到第m个智能反射面的距离。
4.根据权利要求1所述的多智能反射面系统的波束成形设计方法，其特征在于，步骤4)中智能反射面的有效出发角为：
第m个智能反射面到第k个用户的出发角为：
Figure FDA0003191782420000023
其中，(xI,m,yI,m,zI,m)表示第m个智能反射面的位置，
Figure FDA0003191782420000024
是第m个智能反射面到第k个用户的距离。
5.根据权利要求1所述的多智能反射面系统的波束成形设计方法，其特征在于，步骤5)中发射波束的设计方法为：
基站给第km个用户的发射波束为：
Figure FDA0003191782420000025
其中，
Figure FDA0003191782420000027
表示基站的阵列响应向量，对于均匀线阵
Figure FDA0003191782420000028
其中N是基站的天线数，
Figure FDA0003191782420000029
表示
Figure FDA00031917824200000210
的共轭。
6.根据权利要求1所述的多智能反射面系统的波束成形设计方法，其特征在于，步骤6)中相移波束的设计方法为：
第m个智能反射面的相移波束为：
Figure FDA0003191782420000026
其中，
Figure FDA0003191782420000034
表示智能反射面的阵列响应向量，对于均匀线阵
Figure FDA0003191782420000031
其中M是智能反射面的反射元数，
Figure FDA0003191782420000032
表示第m个智能反射面到第km个用户的出发角，⊙表示Hadamard乘积，
Figure FDA0003191782420000033
表示第m个智能反射面的到达角。
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