CN113163325B - 一种多个智能反射面辅助的无线通信方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种多个智能反射面辅助的无线通信方法及其系统，该系统包括单天线基站和单天线用户端，以及在基站与用户端间随机分布式布设的多个智能反射面；首先智能反射面按照距离乘积的升序顺序进行排序，基站选择第一个智能反射面，用户端发送导频信号通过所选智能反射面级联链路以及直接链路到基站端，从而基站估计出此时所选级联链路与直接链路信道；其次在选择后，基站端调整所选智能反射面的相位到最优并计算出此时系统的净数据速率；然后基站依次选择下一个智能反射面，用户端发送导频到基站端并估计出信道，基站端计算出所选一组智能反射面的最优相位以及该系统的净数据速率并与前一个净数据速率值进行比较。

Description

一种多个智能反射面辅助的无线通信方法及其系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种多个智能反射面辅助的无线通信方法及其系统。

背景技术

智能反射面被认为是一种新的革命性技术，它通过使用集成在平面上的大量低成本无源反射元件来智能地重新配置无线传播环境，从而显著提高无线通信网络的性能。具体地说，智能反射面的不同元件可以通过控制入射信号的幅度和相位来独立地反射入射信号，从而协作地实现用于定向信号增强或清零的无源波束形成。智能反射面不仅在概念上具有吸引力，而且在实施方面具有各种实际优势。首先，它的反射元件只被动地反射信号，而不需要任何发射射频链，因此与传统的有源天线阵列或最近提出的有源表面相比，可以用较低的硬件、能量成本来实现和操作。其次，智能反射面的工作模式没有多余的天线噪声放大和自干扰，因此与传统的有源中继相比具有竞争优势，例如频谱效率低的半双工中继，以及需要复杂技术进行自干扰消除的全双工中继。最后，智能反射面作为无线网络中的辅助设备，可以透明地集成到它们中，从而为现有无线通信系统提供了巨大的灵活性和兼容性。

多个智能反射面辅助的无线通信系统的性能在一定程度上比一个智能反射面辅助的无线通信系统性能好，因为多个智能反射面可以提供多个链路来增强接收到的信号强度，并且分布在不同位置的多个智能反射面可以提供灵活的链路，从而减少其中一个或多个链路被某些障碍物阻塞的情况所带来的影响。虽然多个智能反射面辅助可以提高系统的性能，但是智能反射面个数增加导致高导频开销带来的系统数据速率性能下降是不可避免的。面对该挑战，本申请需要设计一种多个智能反射面辅助的无线通信方法及其系统来减少导频开销给系统性能带来的影响。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提供一种多个智能反射面辅助的无线通信方法及其系统，用于权衡导频开销与净数据速率大小。

为了达到上述目的，本发明提出的一种多个智能反射面辅助的无线通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤201、将多个智能反射面在基站和用户端之间分布式布设；基站以及所有的智能反射面布设位置在基站端全部已知；用户终端设备自带全球定位系统，从而其位置信息通过信令反馈给基站已知；

步骤202、基站端根据已知的位置信息，求出各个智能反射面与基站和用户的距离乘积，并按照距离乘积大小进行升序排序，智能反射面按照距离乘积升序排序的集合为：M＝{IRS₁,...,IRS_M}，设置m＝1，初始多个智能反射面集合为I＝{IRS_m}；

步骤203、在同一相干时间内，用户分时隙将导频信号通过距离乘积最小的智能反射面反射到基站以及通过直接链路发送到基站；

步骤204、基站端在已知距离乘积最小的智能反射面与用户以及与基站间的级联信道状态信息后，计算出此时智能反射面集合I上最优相位使得其净数据速率最大，在已知相位的基础上计算净数据速率R_|I|，|I|表示智能反射面集合I中智能反射面个数；

步骤205、在同一相干时间内，用户分时隙将导频信号经过距离乘积排序下一个的智能反射面IRS_m，m＝m+1，并经其反射到基站端；基站端计算出此时智能反射面集合

上最优的相位，并计算所选的多个智能反射面集合

协助的通信系统的净数据速率

步骤206、将上述步骤204和步骤205计算得到的净数据速率值进行比较，如果前一个计算结果大于后一个计算结果，则结束计算过程转步骤207；否则将后一个计算结果和所选智能反射面替换前一轮结果

返回步骤205；

步骤207、被选的一组最优智能反射面I与其相应的基站和用户端在同一相干时间内进行通信；

步骤208、如若改变用户位置，则需对智能反射面重新排序，转步骤202。

所述步骤202中，按照距离乘积大小进行升序排序，此处距离乘积为用户与智能反射面的距离乘以智能反射面与基站的距离；在由第m个智能反射面(m≤M且M为智能反射面的总个数)协助通信的系统遍历可达速率公式可表示为：R＝E[log₂(1+γ_m)]，其中N为智能反射面的元件个数且M＜N,

是此时系统的信噪比，P是发送功率，

是加性高斯白噪声的方差，h_BU是基站到用户的直接链路的信道，

代表基站到智能反射面m的信道，Θ_m是智能反射面m上的幅度相位对角阵，

是智能反射面m到用户的信道，在信道均可由大尺度和小尺度衰落表示的情况下，此时的信噪比的均值

α是大尺度衰落因子，

是基站到第m个智能反射面的距离，

是第m个智能反射面到用户的距离，因此系统的净遍历可达速率

从而可以将距离乘积按照从小到大的顺序来排序，得到最优的智能反射面的选择顺序。

优选地，所述步骤203中，在同一相干时间内，用户分时隙将导频信号通过距离乘积最小的智能反射面反射到基站以及通过直接链路发送到基站，其具体步骤如下：

步骤301、用户分时隙发送导频信号，在第一个时隙中，基站通过智能反射面控制器控制距离乘积最小的智能反射面，使其打开平面阵的第一个反射元件；

步骤302、第一个反射元件的振幅为1，相位为0，导频信号经过该元件反射到基站，基站通过最小均方误差(MMSE)方法估计出该时隙下的信道；

步骤303、在下一个时隙中，基站通过智能反射面控制器控制距离乘积最小的智能反射面，使其关闭前一个反射元件，打开平面阵下一个反射元件，设置其反射幅度为1，相位为0；导频信号经过该智能反射面反射到基站，基站使用MMSE估计出下一个时隙的信道；

步骤304、重复步骤303直到该平面阵上每一行的所有元件按照同一次序打开一遍；

步骤305、智能反射面上的所有元件都关闭后，用户再将导频通过直接链路发送到基站端，至此，基站端估计出直接链路以及所有级联链路的信道。

优选地，所述步骤205中，用户分时隙将导频信号经过距离乘积排序下一个的智能反射面IRS_m，m＝m+1，并经其反射到基站端；基站端计算出此时智能反射面集合

上最优的相位，并计算所选的多个智能反射面集合

协助的通信系统的净数据速率

基站通过多个智能反射面集合

以及直接链路发送信号到用户端，此时用户收到的信号为：

其中

表示智能反射面集合

中智能反射面的个数，P和x分别是发送功率和发送信号，

是均值为0，方差为

的加性高斯白噪声，h_BU是基站到用户的直接链路的信道，

分别代表基站到集合

中第m的智能反射面的信道以及集合

中第m的智能反射面到用户间的信道。η_im,θ_im分别是集合

中第m的智能反射面的第i个元件的振幅和相位，且有η_im∈[0,1],θ_im∈[0,2π]；为使得所选的智能反射面协助通信的系统净数据速率最大，设置幅度

为相位设计，arg(h_BU)是直接链路的相位，

是集合

中第m个智能反射面中的第i个元件的级联链路相位；

因此在使用多个智能反射面集合

进行辅助无线系统通信后，其计算的净数据速率结果可以表示为：

为此时的信噪比。

本发明还提供了一种多个智能反射面辅助的无线通信系统，包括一个固定的单天线的基站端、一个自由移动的单天线的用户端、以及多个固定位置的智能反射面，多个所述智能反射面在基站端以及用户端之间随机分布式布设，所述用户端通过所选智能反射面的级联链路或直接链路与基站端连接。

优选地，多个所述智能反射面在M个智能反射面中进行选择，每个智能反射面有N根天线。

优选地，多个所述智能反射面按照距离乘积的升序顺序进行排序。

其中，基站选择第一个智能反射面，用户端发送导频信号通过所选智能反射面级联链路以及直接链路到基站端，从而基站估计出此时所选级联链路与直接链路信道；

在选择后，基站端调整所选智能反射面的相位到最优并计算出此时系统的净数据速率；基站依次选择下一个智能反射面，用户端发送导频到基站端并估计出信道，基站端计算出所选一组智能反射面的最优相位以及该系统的净数据速率并与前一个净数据速率值进行比较；

重复上述步骤直到所选的多个智能反射面的净数据速率不高于前一轮所选智能反射面净数据速率为止，并选择净数据速率最大的多个智能反射面进行辅助通信。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明利用智能反射面取代传统的放大转发，解码转发等无线通信系统中的中继设备，通过近似无源、成本低廉的智能反射面反射信号以提供辅助链路，保证用户与基站端的通信质量。

2.本发明通过利用距离乘积排序选择智能反射面，减少了选择过程中的计算复杂度。

3.本发明通过在基站端设计所选智能反射面的相位使其达到最优从而提升整个系统的通信性能。

4.本发明通过对多个智能反射面进行调度，在考虑导频开销的情况下选择出最优的多个智能反射面协助系统进行通信，为未来无线通信中应用多个智能反射面辅助通信解决方案增加了可能性。

附图说明

图1为多个智能反射面辅助的无线通信系统模型示意图；

图2为多个智能反射面辅助的无线通信方法步骤的流程图；

图3为多个智能反射面辅助的无线通信系统中用户发送导频到基站端的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

参照图1-图3，本发明提供了一种多个智能反射面辅助的无线通信方法，包括如下步骤：

步骤201、将多个智能反射面在基站和用户间分布式布设；基站以及所有的智能反射面布设位置在基站端全部已知；用户终端设备自带全球定位系统，从而其位置信息通过信令反馈给基站已知；

步骤202、基站端根据已知的位置信息，求出各个智能反射面与基站和用户的距离乘积，并按照距离乘积大小进行升序排序，智能反射面按照距离乘积升序排序的集合为：M＝{IRS₁,...,IRS_M}，设置m＝1，初始多个智能反射面集合为I＝{IRS_m}；

步骤203、在同一相干时间内，用户分时隙将导频信号通过距离乘积最小的智能反射面IRS₁反射到基站以及通过直接链路发送到基站；

步骤204、基站端在已知距离乘积最小的智能反射面与用户以及与基站间的级联信道状态信息后，计算出此时智能反射面集合I上的最优相位使得其净数据速率最大，在已知相位的基础上计算净数据速率R_|I|，|I|表示智能反射面集合I中智能反射面的个数；

步骤205、在同一相干时间T内，用户分时隙将导频信号经过距离乘积排序下一个的智能反射面IRS_m，m＝m+1，并经其反射到基站端；基站端通过级联链路的相位与直接链路相位相同的方法，即

其中θ_im是集合

中第m个智能反射面中的第i个元件的最优相位，arg(h_BU)是直接链路的相位，

是集合

中第m个智能反射面中的第i个元件的级联链路相位，计算出此时智能反射面集合

上最优的相位，并使用

其中信噪比

计算所选的多个智能反射面集合

协助的通信系统的净数据速率

步骤206、将上述步骤204和步骤205计算得到的净数据速率值进行比较，如果前一个计算结果大于后一个计算结果，则结束计算过程转步骤207；否则将后一个计算结果和所选智能反射面替换前一轮结果

返回步骤205；

步骤207、被选的一组最优智能反射面I与其相应的基站和用户端在同一相干时间内进行通信；

步骤208、如若改变用户位置，则需对智能反射面重新，转步骤202。

其中，步骤202中，按照距离乘积大小进行升序排序，此处距离乘积为用户与智能反射面的距离乘以智能反射面与基站的距离；在由第m个智能反射面(m≤M且M为智能反射面的总个数)协助通信的系统遍历可达速率公式可表示为：R＝E[log₂(1+γ_m)]，其中N为智能反射面的元件个数且M＜N,

是此时系统的信噪比，P是发送功率，

是加性高斯白噪声的方差，h_BU是基站到用户的直接链路的信道，

代表基站到智能反射面m的信道，Θ_m是智能反射面m上的幅度相位对角阵，

是智能反射面m到用户的信道，在信道均可由大尺度和小尺度衰落表示的情况下，此时的信噪比的均值

α是大尺度衰落因子，

是基站到第m个智能反射面的距离，

是第m个智能反射面到用户的距离，因此系统的净遍历可达速率

从而可以将距离乘积按照从小到大的顺序来排序，得到最优的智能反射面的选择顺序。

优选地，参照图3，所述步骤203中，在同一相干时间内，用户分时隙将导频信号通过距离乘积最小的智能反射面反射到基站以及通过直接链路发送到基站，其具体步骤如下：

步骤301、用户分时隙发送导频信号，在第一个时隙中，基站通过智能反射面控制器控制距离乘积最小的智能反射面，使其打开平面阵的第一个反射元件；

步骤302、第一个反射元件的振幅为1，相位为0，导频信号经过该元件反射到基站，基站通过最小均方误差(MMSE)方法估计出该时隙下的信道；

步骤303、在下一个时隙中，基站通过智能反射面控制器控制距离乘积最小的智能反射面，使其关闭前一个反射元件，打开平面阵下一个反射元件，设置其反射幅度为1，相位为0；导频信号经过该智能反射面反射到基站，基站使用MMSE估计出下一个时隙的信道；

步骤304、重复步骤303直到该平面阵上每一行的所有元件按照同一次序打开一遍；

步骤305、智能反射面上的所有元件都关闭后，用户再将导频通过直接链路发送到基站端，至此，基站端估计出直接链路以及所有级联链路的信道。

具体的，所述步骤205中，用户分时隙将导频信号经过距离乘积排序下一个的智能反射面IRS_m，m＝m+1，并经其反射到基站端；基站端计算出此时智能反射面集合

上最优的相位，并计算所选的多个智能反射面集合

协助的通信系统的净数据速率

基站通过多个智能反射面集合

以及直接链路发送信号到用户端，此时用户收到的信号为：

其中

表示智能反射面集合

中智能反射面的个数，P和x分别是发送功率和发送信号，

是均值为0，方差为

的加性高斯白噪声，h_BU是基站到用户的直接链路的信道，

分别代表基站到集合

中第m的智能反射面的信道以及集合

中第m的智能反射面到用户间的信道。η_im,θ_im分别是集合

中第m的智能反射面的第i个元件的振幅和相位，且有η_im∈[0,1],θ_im∈[0,2π]。

本实施例中，为使得所选的智能反射面协助通信的系统净数据速率最大，设置幅度

为相位设计，arg(h_BU)是直接链路的相位，

是集合

中第m个智能反射面中的第i个元件的级联链路相位；因此在使用多个智能反射面集合

进行辅助无线系统通信后，其计算的净数据速率结果可以表示为：

为此时的信噪比。

参照图1，一种多个智能反射面辅助的无线通信系统，该无线通信系统采用时分双工传输方式，包括一个固定的单天线的基站端101、一个自由移动的单天线的用户端104、以及多个固定位置的智能反射面105，多个所述智能反射面105在基站端101以及用户端104之间随机分布式布设，所述用户端104通过所选智能反射面105的级联链路102或直接链路103与基站端101连接。

具体的，多个所述智能反射面105在M个智能反射面中进行选择，每个智能反射面105有N根天线。

本实施例中，基站端101，主要作用是信道估计，收发数据以及计算系统数据速率；级联链路102，主要作用是收发用户端和基站端通过智能反射面的反射来发送或接受信号；直接链路103，主要作用是当智能反射面上的所有元件关闭时，收发用户端和基站端用此来发送或接受信号；用户端104，主要作用是用户发送上行导频，收发数据的设备；智能反射面105，主要作用是反射用户端的导频信号以及基站端发送的信号，其采用时分双工的工作模式。

具体的，多个所述智能反射面105按照距离乘积的升序顺序进行排序。

其中，基站选择第一个智能反射面，用户端发送导频信号通过所选智能反射面级联链路以及直接链路到基站端，从而基站估计出此时所选级联链路与直接链路信道；

在选择后，基站端调整所选智能反射面的相位到最优并计算出此时系统的净数据速率；基站依次选择下一个智能反射面，用户端发送导频到基站端并估计出信道，基站端计算出所选一组智能反射面的最优相位以及该系统的净数据速率并与前一个净数据速率值进行比较；

重复上述步骤直到所选的多个智能反射面的净数据速率不高于前一轮所选智能反射面净数据速率为止，并选择净数据速率最大的多个智能反射面进行辅助通信。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种多个智能反射面辅助的无线通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤201、将多个智能反射面在基站和用户端之间分布式布设；基站以及所有的智能反射面布设位置在基站端全部已知；用户终端设备自带全球定位系统，从而其位置信息通过信令反馈给基站已知；

步骤202、基站端根据已知的位置信息，求出各个智能反射面与基站和用户的距离乘积，并按照距离乘积大小进行升序排序，智能反射面按照距离乘积升序排序的集合为：M＝{IRS₁,...,IRS_M}，设置m＝1，初始多个智能反射面集合为I＝{IRS_m}；

步骤203、在同一相干时间内，用户分时隙将导频信号通过距离乘积最小的智能反射面反射到基站以及通过直接链路发送到基站；

步骤204、基站端在已知距离乘积最小的智能反射面与用户以及与基站间的级联信道状态信息后，计算出此时智能反射面集合I上的最优相位使得其净数据速率最大，在已知相位的基础上计算净数据速率R_|I|，|I|表示智能反射面集合I中智能反射面的个数；

步骤205、在同一相干时间内，用户分时隙将导频信号经过距离乘积排序下一个的智能反射面IRS_m，m＝m+1，并经其反射到基站端；基站端计算出此时智能反射面集合

上最优的相位，并计算所选的多个智能反射面集合

协助的通信系统的净数据速率

步骤206、将上述步骤204和步骤205计算得到的净数据速率值进行比较，如果前一个计算结果大于后一个计算结果，则结束计算过程转步骤207；否则将后一个计算结果和所选智能反射面替换前一轮结果

返回步骤205；

步骤207、被选的一组最优智能反射面I与其相应的基站和用户端在同一相干时间内进行通信；

步骤208、如若改变用户位置，则需对智能反射面重新排序，转步骤202。

2.根据权利要求1所述的一种多个智能反射面辅助的无线通信方法，其特征在于：所述步骤202中，按照距离乘积大小进行升序排序，此处距离乘积为用户与智能反射面的距离乘以智能反射面与基站的距离；在由第m个智能反射面协助通信的系统遍历可达速率公式可表示为：R＝E[log₂(1+γ_m)]，其中，m≤M且M为智能反射面的总个数；

其中，N为智能反射面的元件个数且

是此时系统的信噪比，P是发送功率，

是加性高斯白噪声的方差，h_BU是基站到用户的直接链路的信道，

代表基站到智能反射面m的信道，Θ_m是智能反射面m上的幅度相位对角阵，

是智能反射面m到用户的信道，在信道均可由大尺度和小尺度衰落表示的情况下，此时的信噪比的均值

α是大尺度衰落因子，

是基站到第m个智能反射面的距离，

是第m个智能反射面到用户的距离，系统的净遍历可达速率

从而可以将距离乘积按照从小到大的顺序来排序，得到最优的智能反射面的选择顺序。

3.根据权利要求1所述的一种多个智能反射面辅助的无线通信方法，其特征在于：所述步骤203中，在同一相干时间内，用户分时隙将导频信号通过距离乘积最小的智能反射面反射到基站以及通过直接链路发送到基站，其具体步骤如下：

步骤301、用户分时隙发送导频信号，在第一个时隙中，基站通过智能反射面控制器控制距离乘积最小的智能反射面，使其打开平面阵的第一个反射元件；

步骤302、第一个反射元件的振幅为1，相位为0，导频信号经过该元件反射到基站，基站通过最小均方误差(MMSE)方法估计出该时隙下的信道；

步骤303、在下一个时隙中，基站通过智能反射面控制器控制距离乘积最小的智能反射面，使其关闭前一个反射元件，打开平面阵下一个反射元件，设置其反射幅度为1，相位为0；导频信号经过该智能反射面反射到基站，基站使用MMSE估计出下一个时隙的信道；

步骤304、重复步骤303直到该平面阵上每一行的所有元件按照同一次序打开一遍；

步骤305、智能反射面上的所有元件都关闭后，用户再将导频通过直接链路发送到基站端，至此，基站端估计出直接链路以及所有级联链路的信道。

4.根据权利要求1所述的一种多个智能反射面辅助的无线通信方法，其特征在于：所述步骤205中，用户分时隙将导频信号经过距离乘积排序下一个的智能反射面IRS_m，m＝m+1，并经其反射到基站端；基站端计算出此时智能反射面集合

上最优的相位，并计算所选的多个智能反射面集合

协助的通信系统的净数据速率

基站通过多个智能反射面集合

以及直接链路发送信号到用户端，此时用户收到的信号为：

其中，

表示智能反射面集合

中智能反射面的个数，P和x分别是发送功率和发送信号，

是均值为0，方差为

的加性高斯白噪声，h_BU是基站到用户的直接链路的信道，

分别代表基站到集合

中第m的智能反射面的信道以及集合

中第m的智能反射面到用户间的信道；η_im,θ_im分别是集合

中第m的智能反射面的第i个元件的振幅和相位，且有η_im∈[0,1],θ_im∈[0,2π]。

5.一种用于实现如权利要求1所述的一种多个智能反射面辅助的无线通信方法的无线通信系统，其特征在 于，所述无线通信系统包括一个固定的单天线的基站端(101)、一个自由移动的单天线的用户端(104)、以及多个固定位置的智能反射面(105)，多个所述智能反射面(105)在基站端(101)以及用户端(104)之间随机分布式布设，所述用户端(104)通过所选智能反射面(105)的级联链路(102)或直接链路(103)与基站端(101)连接。

6.根据权利要求5所述的一种多个智能反射面辅助的无线通信方法的无线通信系统，其特征于，多个所述智能反射面(105)在M个智能反射面中进行选择，每个智能反射面(105)有N根天线。

7.根据权利要求5所述的一种多个智能反射面辅助的无线通信方法的无线通信系统，其特征于，多个所述智能反射面(105)按照距离乘积的升序顺序进行排序。

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