CN113726389A - 基于可重构反射超表面的无小区组网系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于可重构反射超表面的无小区组网系统及方法。其中，本发明提供的基于可重构反射超表面的无小区组网系统中设置有多个可重构反射超表面、一个基站和多个用户。在这样的系统结构中，基站和所有可重构反射超表面协同为所有用户提供服务。基站负责网络控制和规划，并根据可重构反射超表面和用户的位置来决定传输调度。接收到基站发送的信号后，多个工作在同一频率的可重构反射超表面会将这些信号同步反射给用户。用户既可以直接接收基站发送的信号，也可以通过多个可重构反射超表面接收各种反射信号，从而大大提高了数据传输速率。

Description

基于可重构反射超表面的无小区组网系统及方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种基于可重构反射超表面的无小区组网系统及方法。
背景技术
移动设备的数量爆炸式增长，引发了未来无线系统对高速且无缝数据服务的迫切需求。然而，现有的用于增强目标信号的方法均依赖于额外的硬件，这不可避免的带来高功耗和高复杂度的信号处理等问题，进而大大降低了数据传输速率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于可重构反射超表面的无小区组网系统及方法，以提高能量传输效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于可重构反射超表面的无小区组网系统，包括：多个可重构反射超表面、一个基站和多个用户；
所述可重构反射超表面用于将信号从所述基站反射到所述用户；所述基站用于根据所述可重构反射超表面的位置和所述用户的位置完成信号的传输和调度；所述用户用于接收基站发送的信号和所述可重构反射超表面的反射信号。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的基于可重构反射超表面的无小区组网系统中设置有多个可重构反射超表面、一个基站和多个用户。在这样的系统结构中，基站和所有可重构反射超表面协同为所有用户提供服务。基站负责网络控制和规划，并根据可重构反射超表面和用户的位置来决定传输调度。接收到基站发送的信号后，多个工作在同一频率的可重构反射超表面会将这些信号同步反射给用户。用户既可以直接接收基站发送的信号，也可以通过多个可重构反射超表面接收各种反射信号，从而大大提高了数据传输速率。
本发明还提供了一种基于可重构反射超表面的无小区组网方法，以应用于上述提供的基于可重构反射超表面的无小区组网系统；所述基于可重构反射超表面的无小区组网方法，包括：
基于混合波束成形方案对基站中形成的数字波束成形矩阵和可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵进行优化，得到优化结果；所述混合波束成形方案由基站生成的数字波束成形方案和可重构反射超表面生成的模拟波束成形方案整合得到；
采用所述优化结果对基于可重构反射超表面的无小区组网系统中信号的发射和接收进行控制。
优选地，所述基于混合波束成形方案对基站中形成的数字波束成形矩阵和可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵进行优化，得到优化结果，具体包括：
构建系统总用户速率最大化问题模型；
基于所述系统总用户速率最大化问题模型，保持所述可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵不变，采用所述混合波束成形方案确定所述基站中形成的数字波束成形矩阵的值，得到第一结果值；
基于所述系统总用户速率最大化问题模型，保持所述基站中形成的数字波束成形矩阵不变，采用所述混合波束成形方案确定所述可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵的值，得到第二结果值；
当所述第一结果值和第二结果值间的差值小于预设阈值时，得到优化结果。
优选地，构建系统总用户速率最大化问题模型，具体包括：
基于用户接受到的数据速率确定系统的总数据速率；
基于所述系统的总数据速率，根据基站的发射功率和可重构反射超表面的设置参数构建所述系统总用户速率最大化问题模型；所述可重构反射超表面的设置参数包括：可重构反射超表面中单元的配置和单元的相移。
优选地，所述系统总用户速率最大化问题模型为：
Figure BDA0003238912120000031
Figure BDA0003238912120000032
Figure BDA0003238912120000033
Figure BDA0003238912120000034
其中，Tr(VD VHD)表示，K表示用户总数量，PT表示基站的最大发射功率，qm,l表示第m个可重构反射超表面模拟波束成形矩阵的第(m,l)个元素，θm,l表示第m个可重构反射超表面的第l个单元的相移，im,l表示一个离散取值范围，VD表示数字波束成形矩阵，VHD表示数字波束成形矩阵的共轭转置矩阵，Q表示可重构反射超表面的模拟波束成形矩阵，j表示可重构反射超表面模拟波束成形矩阵的元素序号，b为自然数。
优选地，可重构反射超表面生成的模拟波束成形方案的确定过程为：
采用基站对要发射的信号进行数字波束成形处理，得到处理后的信号；
所述处理后的信号通过多条射频链同时发射给可重构反射超表面，所述可重构反射超表面通过改变电磁波的相移将处理后的信号反射到用户处，形成模拟波束成形方案。
因本发明提供的基于可重构反射超表面的无小区组网方法达到的技术效果与上述提供的基于可重构反射超表面的无小区组网系统达到的技术效果相同，故在此不再进行赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于可重构反射超表面的无小区组网系统信号传输的框架图；
图2为本发明提供的基于可重构反射超表面的无小区组网方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的系统总用户速率最大化问题模型求解流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
近年来，一种新的传输技术RIS应运而生，该技术通过控制多个散射体(下文统称为RIS元件)的电磁响应，将传播环境塑造成理想的形态。具体来说，RIS是一种超薄表面，嵌有多个RIS元件，它们的电磁响应(如相移)可以由简单的可编程PIN二极管控制。由于PIN二极管只能实现开/关两种操作，相应的，RIS也只能实现有限数量的离散相移。与传统天线发射的散射波不同，在基于RIS的可编程传播环境中，接收信号直接反射到接收机，没有额外的硬件功耗产生，并且提高了链路质量和覆盖面积。
基于RIS的这一特性，本发明提供的基于可重构反射超表面的无小区组网系统及方法，利用可重构反射超表面(RIS)技术，进一步提高无小区系统的通信容量。具体来说，RIS可以将入射信号进行反射并产生定向波束，因此，以RIS为中心的用户可以被RIS的无线通信信号覆盖。通过在感兴趣的区域部署多个RIS，并由一个中央基站协调，多个用户可以在没有任何小区边界的情况下获得无线通信服务，形成一个RIS辅助的无小区MIMO系统。在这样的一个系统中，多个RIS零散的分布在感兴趣区域中，并创造良好的传播条线，从而大大增强无线通信链路的通信质量，扩大基站的覆盖范围，进而可以大大提高系统中的总传输速率。
技术术语解释：
可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface)：一种超波表面，嵌有多个RIS元件，每个RIS元件的电磁响应(如相移)可以通过编程进行控制，进而将入射信号以定向波束的形式反射，最终传播环境塑造成理想的形态。
无小区(Cell-free)组网方案：传统的蜂窝网络中，把信号覆盖区域分为一个个的小区，每个小区中均有一个基站，负责与该区域内的用户进行通信。但这种组网方案存在明显弊端：用户受到小区间干扰的影响严重。因此，提出了无小区组网方案，即打破小区的边界，在一片区域内分布式部署多个基站，同时为该区域内的用户提供服务
混合波束成形(Hybrid Beamforming，HBF)：混合波束成形。所谓波束成形是指将一定几何形状排列的多元基阵各阵元输出经过处理(例如加权、时延、求和等)形成空间指向性的方法，包括数字波束成形和模拟波束成形。由于RIS元件不具有数字处理能力，本发明中采用一种混合波束成形，其中在基站采用数字波束成形，而在RIS采用模拟波束成形进行配置。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，考虑一个下行多用户系统，本发明提供的基于可重构反射超表面的无小区组网系统，包括：包括：多个可重构反射超表面、一个基站和多个用户。
可重构反射超表面用于将信号从基站反射到用户。基站用于根据可重构反射超表面的位置和用户的位置完成信号的传输和调度。用户用于接收基站发送的信号和可重构反射超表面的反射信号。
基于上述结构，在多个RIS的辅助下，一个基站为多个用户提供无线通信服务。其中，每个RIS可以通过控制其单元的相移来为周围的多个用户服务，并将信号从基站反射到用户。为了提高网络容量并实现更广泛的覆盖，本发明在感兴趣的领域部署了多个RIS，并由一个中央基站进行协调。与传统的以小区为中心的网络不同，本发明支持以用户为中心的传输，在没有任何小区边界的情况下为用户提供服务，形成RIS辅助的无小区MIMO系统。与传统的无小区系统不同，RIS技术使信号可以通过直接链路和反射链路传输，从而获得更多样化的传输，以提高求和速率性能。
在这样的系统中，基站和所有RIS协同为所有用户提供服务。基站负责网络控制和规划，并根据RIS和用户的位置来决定传输调度。接收到基站发送的信号后，多个工作在同一频率的RIS会将这些信号同步反射给用户。用户既可以直接接收基站发送的信号，也可以通过多个RIS接收各种反射信号，从而大大提高了数据传输速率。
为进一步提升网络容量，需要在基站处进行数字波束成形，在RIS处进行模拟波束成形，形成一种混合波束成形方案。通过优化数字/模拟波束成形矩阵，使系统的用户数据总速率最大化。基于这一背景，本发明还提供了一种基于可重构反射超表面的无小区组网方法，以应用于上述提供的基于可重构反射超表面的无小区组网系统。如图2所示，该基于可重构反射超表面的无小区组网方法，包括：
步骤100：基于混合波束成形方案对基站中形成的数字波束成形矩阵和可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵进行优化，得到优化结果。混合波束成形方案由基站生成的数字波束成形方案和可重构反射超表面生成的模拟波束成形方案整合得到。其中，可重构反射超表面生成的模拟波束成形方案的确定过程为：
采用基站对要发射的信号进行数字波束成形处理，得到处理后的信号。
处理后的信号通过多条射频链同时发射给可重构反射超表面，可重构反射超表面通过改变电磁波的相移将处理后的信号反射到用户处，形成模拟波束成形方案。
步骤200：采用优化结果对基于可重构反射超表面的无小区组网系统中信号的发射和接收进行控制。该步骤的具体实施过程可以为：
构建系统总用户速率最大化问题模型。
基于系统总用户速率最大化问题模型，保持可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵不变，采用混合波束成形方案确定基站中形成的数字波束成形矩阵的值，得到第一结果值。
基于系统总用户速率最大化问题模型，保持基站中形成的数字波束成形矩阵不变，采用混合波束成形方案确定可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵的值，得到第二结果值。
当第一结果值和第二结果值间的差值小于预设阈值时，得到优化结果。
其中，构建系统总用户速率最大化问题模型的过程本发明优选为：
基于用户接受到的数据速率确定系统的总数据速率。
基于系统的总数据速率，根据基站的发射功率和可重构反射超表面的设置参数构建系统总用户速率最大化问题模型。可重构反射超表面的设置参数包括：可重构反射超表面中单元的配置和单元的相移。
基于上述步骤构建得到的系统总用户速率最大化问题模型为：
Figure BDA0003238912120000071
Figure BDA0003238912120000072
Figure BDA0003238912120000073
Figure BDA0003238912120000074
其中，Tr(VD VHD)表示，K表示用户总数量，PT表示基站的最大发射功率，qm,l表示第m个可重构反射超表面模拟波束成形矩阵的第(m,l)个元素，θm,l表示第m个可重构反射超表面的第l个单元的相移，im,l表示一个离散取值范围，VD表示数字波束成形矩阵，VHD表示数字波束成形矩阵的共轭转置矩阵，Q表示可重构反射超表面的模拟波束成形矩阵，j表示可重构反射超表面模拟波束成形矩阵的元素序号，b为自然数。
本发明上述提供的基于可重构反射超表面的无小区组网方法中，在基站处进行数字波束成形，在RIS处进行模拟波束成形，形成一种混合波束成形方案。通过优化数字/模拟波束成形矩阵，使系统的数据速率最大化。
下面结合数据的具体处理过程对本发明上述提供的基于可重构反射超表面的无小区组网方法的实施过程进行举例说明。
基站(BS)首先对要发射的信号进行数字波束成形(Digital beamforming)，处理后的信号通过多条射频链(RF chain)同时发射到各个RIS，RIS再将信号反射到用户处。其中，RIS通过改变电磁波的相移对信号进行反射，相当于一种模拟波束成形，称之为RIS辅助的模拟波束成形。
在本发明上述提供的系统中，用户k接收到的数据速率可以表示为：
Figure BDA0003238912120000081
其中，Hk表示第k个用户相关的信道矩阵，这其中包括基站到该用户之间的直射径HD,k，以及基站经过多个RIS到该用户的反射径HRU,k和HBR。HRU,k表示各个RIS到用户k之间的信道矩阵，HBR表示基站到多个RIS之间的信道矩阵。假如每个基站有A根天线，有M个RIS，每个RIS有L个单元，那么，HRU,k是一个1×ML的矩阵，HBR是一个ML×A的矩阵，HD,k是一个1×A的矩阵。VD表示数字波束成形矩阵，VHD表示数字波束成形矩阵的共轭转置矩阵，VD,k表示VD的第k列，σ表示噪声，Q表示IOS配置矩阵，即RIS辅助的模拟波束成形矩阵。
假设系统中共有K个用户，则基于上述用户k接收到的数据速率可以构建得到上述的系统总用户速率最大化问题模型。
基于构建的这一系统总用户速率最大化问题模型，如图3所示，本发明采用迭代式算法，求解该问题模型，求解过程为：1)RIS辅助的模拟波束成形矩阵不变，求解数字波束成形矩阵。2)数字波束成形矩阵不变，优化RIS辅助的模拟波束成形矩阵，并确保该矩阵在可选范围之内。3)重复步骤1)，直到两次相邻的迭代的数据速率的差值小于预设的阈值。
其中，A、数字波束成形矩阵的推导过程为：
采用迫零波束成形和功率分配相结合的方法，即：
Figure BDA0003238912120000082
其中，H表示信道矩阵，上面所说的Hk是该矩阵的第k行。P是由pk构成的对角阵，pk表示所有基站分配给第k个用户的发射功率。迫零波束成形有以下两个特性：
Figure BDA0003238912120000091
Figure BDA0003238912120000092
由此，上述系统总用户速率最大化问题模型可以改写成
Figure BDA0003238912120000093
Figure BDA0003238912120000094
改写后的系统总用户速率最大化问题模型可以通过注水算法求解：每个
Figure BDA0003238912120000095
其中vk指
Figure BDA0003238912120000096
的第k个对角元素，λ是一个归一化因子，没有物理意义，可以通过求解公式
Figure BDA0003238912120000097
得到。
B、RIS辅助的模拟波束成形矩阵Q的求解过程为：
在已知数字波束成形矩阵的情况下，能效最大化问题可以改写成：
Figure BDA0003238912120000098
Figure BDA0003238912120000099
Figure BDA00032389121200000910
其中，
Figure BDA00032389121200000911
Tr(·)表示矩阵的迹运算。
由于Q和直射径无关，本发明忽略直射径进行优化。当K＝NA时，f(Q)可以改写为：
Figure BDA00032389121200000912
以下，本发明依次优化Q中的第(m,l)个元素，即qm,l。为了简洁，本发明重新记序号(m,l)为j，j＝(m-1)L+l。将Q的第j个对角元素设为0，处理之后的矩阵记为Q(-j)，可以进行以下改写：
Figure BDA0003238912120000101
其中，
Figure BDA0003238912120000102
B中的第一个因子表示
Figure BDA0003238912120000103
的第j列，第二个因子表示HBR的第j行。由此，f(Q)可以改写为：
Figure BDA0003238912120000104
其中，
Figure BDA0003238912120000105
由于上式中最后一行Tr里的第一项是一个满秩矩阵，第二项和第三项都是秩为1的矩阵，根据Sherman Morrison公式，f(Q)可以再次改写为：
Figure BDA0003238912120000106
上式中所有的a都是和θm,l无关的量，具体为：
Figure BDA0003238912120000107
其中所有的E：
Figure BDA0003238912120000111
至此，f(Q)的最小值可以通过对θm，l求导得到，导数为0时f(Q)最小，数学表示为：
Figure BDA0003238912120000112
展开来：
Figure BDA0003238912120000113
b1＝j(a1a6-a2a5)，b2＝2j(a1a7-a3a5)，b3＝j(3a1a8+a2a7-a3a6-3a4a5)，b4＝2j(a2a8-a4a6)，b5＝j(a3a8-a4a7).
根据欧拉公式，可以写为：
Figure BDA0003238912120000114
其中，
Figure BDA0003238912120000115
通过三角函数公式，将公式
Figure BDA0003238912120000116
等号左边的部分展开，则该公式可以写成关于
Figure BDA0003238912120000117
的一元四次方程，该方程的解用X表示，则θm，l＝2arctanX。
由于θ只能取到离散值，本发明将可取集合中离2arctanX最近的值作为θm，l本次迭代中的最终取值。
Q中的每个元素均以上述方法计算，每计算完所有的元素一次，算作一次迭代，迭代多次，直到f(Q)的值不再变化为止。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于可重构反射超表面的无小区组网系统，其特征在于，包括：多个可重构反射超表面、一个基站和多个用户；
所述可重构反射超表面用于将信号从所述基站反射到所述用户；所述基站用于根据所述可重构反射超表面的位置和所述用户的位置完成信号的传输和调度；所述用户用于接收基站发送的信号和所述可重构反射超表面的反射信号。
2.一种基于可重构反射超表面的无小区组网方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的基于可重构反射超表面的无小区组网系统；所述基于可重构反射超表面的无小区组网方法，包括：
基于混合波束成形方案对基站中形成的数字波束成形矩阵和可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵进行优化，得到优化结果；所述混合波束成形方案由基站生成的数字波束成形方案和可重构反射超表面生成的模拟波束成形方案整合得到；
采用所述优化结果对基于可重构反射超表面的无小区组网系统中信号的发射和接收进行控制。
3.根据权利要求2所述的基于可重构反射超表面的无小区组网方法，其特征在于，所述基于混合波束成形方案对基站中形成的数字波束成形矩阵和可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵进行优化，得到优化结果，具体包括：
构建系统总用户速率最大化问题模型；
基于所述系统总用户速率最大化问题模型，保持所述可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵不变，采用所述混合波束成形方案确定所述基站中形成的数字波束成形矩阵的值，得到第一结果值；
基于所述系统总用户速率最大化问题模型，保持所述基站中形成的数字波束成形矩阵不变，采用所述混合波束成形方案确定所述可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵的值，得到第二结果值；
当所述第一结果值和第二结果值间的差值小于预设阈值时，得到优化结果。
4.根据权利要求3所述的基于可重构反射超表面的无小区组网方法，其特征在于，构建系统总用户速率最大化问题模型，具体包括：
基于用户接受到的数据速率确定系统的总数据速率；
基于所述系统的总数据速率，根据基站的发射功率和可重构反射超表面的设置参数构建所述系统总用户速率最大化问题模型；所述可重构反射超表面的设置参数包括：可重构反射超表面中单元的配置和单元的相移。
5.根据权利要求4所述的基于可重构反射超表面的无小区组网方法，其特征在于，所述系统总用户速率最大化问题模型为：
Figure FDA0003238912110000021
Figure FDA0003238912110000022
Figure FDA0003238912110000023
Figure FDA0003238912110000024
其中，Tr(VD VHD)表示，K表示用户总数量，PT表示基站的最大发射功率，qm,l表示第m个可重构反射超表面模拟波束成形矩阵的第(m,l)个元素，θm,l表示第m个可重构反射超表面的第l个单元的相移，im,l表示一个离散取值范围，VD表示数字波束成形矩阵，VHD表示数字波束成形矩阵的共轭转置矩阵，Q表示可重构反射超表面的模拟波束成形矩阵，j表示可重构反射超表面模拟波束成形矩阵的元素序号，b为量化等级。
6.根据权利要求2所述的基于可重构反射超表面的无小区组网方法，其特征在于，可重构反射超表面生成的模拟波束成形方案的确定过程为：
采用基站对要发射的信号进行数字波束成形处理，得到处理后的信号；
所述处理后的信号通过多条射频链同时发射给可重构反射超表面，所述可重构反射超表面通过改变电磁波的相移将处理后的信号反射到用户处，形成模拟波束成形方案。
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