CN114337871A - 一种ris辅助信道仿真及信道容量分析方法 - Google Patents

一种ris辅助信道仿真及信道容量分析方法 Download PDF

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Abstract

一种RIS辅助信道仿真及信道容量分析方法，属于无线通信技术领域。建立RIS辅助通信场景下的几何信道模型，初始化传播路径的参数，计算每个RIS单元的位置和相位，计算信道模型中的距离和角度参数，计算发射天线到接收天线的信道函数，计算信道相关函数，计算信道容量。本发明探究在含散射体的复杂环境中RIS信道的特性，为RIS在实际的复杂环境中的应用提供重要参考价值。本发明提出的RIS辅助信道仿真及信道容量分析方法，通过使接收信号功率最大化推导出RIS相位公式，并通过改变RIS的大小和位置探究信道的变化，并分析RIS的改变对信道容量的影响，从而有效改善通信系统的性能。

Description

一种RIS辅助信道仿真及信道容量分析方法
技术领域
本发明涉及一种RIS辅助信道仿真及信道容量分析方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
可重构智能面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)是一种基于数字超材料的新兴技术，具有低功耗、低成本、易部署等特点成为5G+/6G中的一种潜在技术。RIS通常由大量可重构的独立反射单元组成，通过实时操控反射单元的电磁特性，可以实现对每个反射单元幅度和相位的调控，进而改变无线通信环境，解决当前无线通信系统中存在的问题。由于任何无线技术的发展都依赖于相应的信道模型，因此需要对其信道特性进行准确且全面的理解。
现有的技术中公开了：
N.S.
Figure BDA0003443466440000011
M.D.Renzo and M.F.Flanagan的文献“Channel capacityoptimization using reconfigurable intelligent surfaces in indoor mmWaveenvironments,(基于可重构智能表面的室内毫米波信道容量优化)”IEEE ICC,Jun.2020,pp.1-7，提出在不存在视距(LoS)路径的情况下，利用RIS来最大化室内毫米波信道容量。
Figure BDA0003443466440000012
E.
Figure BDA0003443466440000013
and E.G.Larsson的文献“Intelligentreflecting surfaces:Physics,propagation,and pathloss modeling(智能反射面：物理、传播和路径损耗建模),”IEEE Wireless Communications Letters,vol.9,no.5,pp.581-585,May.2020，通过物理光学技术推导了RIS的路径损耗模型，并提出信号功率与路径的乘积有关。
Y.Sun,C.-X.Wang,J.Huang and J.Wang的文献“A 3D non-stationary channelmodel for 6G wireless systems employing intelligent reflecting surfaces withpractical phase shifts(6G无线系统中应用智能反射面实际相移的3D非平稳信道模型),”IEEE Transactions on Cognitive Communications and Networking,vol.7,no.2,pp.496-510,Jun.2021，虽然推导了RIS相位，但RIS相位取值还是采用了离散相位集合中的近似值，并发现离散相位对信道的相关性无影响。
H.Jiang,C.Ruan,Z.Zhang,J.Dang,L.Wu,M.Mukherjee,and D.B.da Costa的文献“A general wideband non-stationary stochastic channel model for intelligentreflecting surface-assisted MIMO communications(一种用于IRS辅助MIMO通信的通用宽带非平稳随机信道模型),”IEEE Transactions on Wireless Communications,vol.20,no. 8,pp.5314-5328,Aug.2021，提出了一个通用的宽带非平稳信道模型，只针对RIS的空间位置研究了时变RIS信道的时间-空间-频率时变特性。
综上所述，尽管这些工作探究了RIS对无线信道特性的影响，但是RIS 相位均被设置为随机变量，并未推导出合适的相位公式，这会导致在研究信道相关性时将RIS相位抵消，未能体现出RIS对信道的实质性改变。另一方面，目前对RIS信道的研究仅限于在理想的传播条件下探究RIS本身带来的影响，并未考虑实际的传播环境，即未考虑传播过程中散射体对RIS信道特性的影响。为此，有必要对RIS的相位进行推导并考虑实际传播环境中散射体的存在，从而研究一种RIS辅助信道仿真及信道容量分析方法。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种RIS辅助信道仿真及信道容量分析方法。
为适应多变的传播条件与开发更智能、可控的电波传播环境，本发明提出一种综合考虑RIS辅助通信、相位设计、存在散射体等因素的RIS辅助信道仿真及信道容量分析方法。
一种RIS辅助信道仿真及信道容量分析方法，含有以下步骤：建立RIS 辅助通信场景下的几何信道模型，初始化传播路径的参数，计算每个RIS单元的位置和相位，计算信道模型中的距离和角度参数，计算发射天线到接收天线的信道函数，计算信道相关函数，计算信道容量。
建立RIS辅助通信场景下的几何信道模型，含有以下步骤：包括三条传播路径：
发射端到接收端的视距路径：
Figure BDA0003443466440000031
发射端到RIS及接收端的非视距路径(SBR)：
Figure BDA0003443466440000032
发射端到RIS、散射体及接收端的非视距路径(DB)：
Figure BDA0003443466440000033
本发明具有如下有益效果：
本发明提出的RIS辅助信道仿真，探究在含散射体的复杂环境中RIS信道的特性，为RIS在实际的复杂环境中的应用提供重要参考价值。
本发明提出的RIS辅助信道仿真及信道容量分析方法，通过使接收信号功率最大化推导出RIS相位公式，并通过改变RIS的大小和位置探究信道的变化，并分析RIS的改变对信道容量的影响，从而有效改善通信系统的性能。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：
图1是本发明方法的流程图。
图2是本发明基于RIS辅助通信场景下的几何信道模型示意图。
图3是时间对SBR和DB信道影响示意图。
图4是RIS的高度变化对信道影响示意图。
图5是改变RIS大小对信道影响示意图。
图6是改变RIS大小对信道容量影响示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对发明实施例的限定。
实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5及图6所示，一种RIS辅助信道仿真及信道容量分析方法，具体实施步骤如下：
第一步：建立RIS辅助通信场景下的几何信道模型，其中包括三条传播路径：
1)发射端--接收端的视距路径：
Figure BDA0003443466440000051
2)发射端--RIS--接收端的非视距路径(SBR)：
Figure BDA0003443466440000052
3)发射端--RIS--散射体--接收端的非视距路径(DB)：
Figure BDA0003443466440000053
第二步：初始化传播路径的参数，步骤如下：
步骤一：将接收端建模为半径为R的圆柱体，并假设存在MR个散射体分布于圆柱表面(mR＝1,2,...,MR)。令发、收端的天线个数分别为LT和LR，相邻天线之间的间隔分别为δT和δR；初始化发射天线的水平角(相对于x轴)为θT；初始化接收天线的水平角(相对于x轴)和仰角(相对于xz平面)分别为θR和
Figure BDA0003443466440000055
步骤二：初始化接收端的运动速度与水平角(相对于x轴)分别为υR和γR；
步骤三：初始化发射端、RIS、接收端的高度分别为HT、HRIS与HR。
步骤四：求解发射端与接收端之间的仰角，计算公式如下：
Figure BDA0003443466440000054
第三步：计算每个RIS单元的位置和相位，步骤如下：
步骤一：初始化RIS相关参数，令RIS共有M行N列个单元，相邻单元之间的间隔为dRIS。
步骤二：将RIS中心(mc,nc)作为参考位置，其x,y,z坐标为(lc,yc,hc)
步骤三：根据RIS中心位置，计算RIS第(mi,ni)单元的三维位置坐标
Figure BDA0003443466440000061
公式如下：
Figure BDA0003443466440000062
Figure BDA0003443466440000063
Figure BDA0003443466440000064
其中mi＝1,2,...,M，ni＝1,2,...,N。
步骤四：根据接收功率最大化，计算RIS的相位，方法如下：
Figure BDA0003443466440000065
其中，d(·)表示距离参数，根据SBR和DB不同的传播路径，可得到SBR 和DB的相位公式如下：
SBR:
Figure BDA0003443466440000066
DB:
Figure BDA0003443466440000067
其中，mi＝1，2，...，M，ni＝1，2，...，N，i＝1，2。
Figure BDA0003443466440000068
和
Figure BDA0003443466440000069
分别是SBR传播路径中第p根发射天线到RIS第(m1,n1)单元的距离和RIS第(m1,n1)单元到第q 根接收天线的距离。
Figure BDA00034434664400000610
Figure BDA00034434664400000611
和
Figure BDA00034434664400000612
分别是DB传播路径中第p根发射天线到RIS第(m2,n2)单元的距离、RIS第(m2,n2)单元到第mR个散射体的距离以及第mR个散射体到第q根接收天线的距离。
第四步：计算信道模型中的距离和角度参数，包括点
Figure BDA00034434664400000613
和
Figure BDA00034434664400000614
的间距εp,q、 RIS与
Figure BDA00034434664400000615
和散射体的距离
Figure BDA00034434664400000616
Figure BDA00034434664400000617
和
Figure BDA00034434664400000618
散射体与
Figure BDA00034434664400000619
的距离
Figure BDA00034434664400000620
以及传播路径中经过RIS和散射体的到达角和离开角，公式如下：
Figure BDA0003443466440000071
Figure BDA0003443466440000072
Figure BDA0003443466440000073
Figure BDA0003443466440000074
Figure BDA0003443466440000075
其中，D是发射机和接收机之间的距离，dT和dR分别是收发端阵列天线p 和q到阵列中心的距离。其中，距离参数
Figure BDA0003443466440000076
Figure BDA0003443466440000077
Figure BDA0003443466440000078
参数
Figure BDA0003443466440000079
和
Figure BDA00034434664400000710
分别是是经散射体散射的到达方位角和仰角，
Figure BDA00034434664400000711
是电磁波经过第(mi,ni)个RIS单元反射的到达方位角。
第五步：计算第p根发射天线到第q根接收天线的信道函数，方法如下：
Figure BDA00034434664400000712
其中，
Figure BDA00034434664400000713
Figure BDA00034434664400000714
Figure BDA0003443466440000081
其中，Ωpq是传输功率，KRice是莱斯因子，ηSBR和ηDB是功率相关参数，ηSBR+ηDB＝1。参数fD,LoS，fD,SBR和fD,DB分别是三条传播路径的多普勒，τD,LoS，τD,SBR和τD,DB是三条传播路径的时延。
第六步：计算信道相关函数。
Figure BDA0003443466440000082
Figure BDA0003443466440000083
Figure BDA0003443466440000091
第七步：计算不同路径的信道容量，公式如下：
Figure BDA0003443466440000092
其中，det(·)表示取矩阵行列式，ρ是信噪比，I为单位矩阵。
实施例2：一种RIS辅助信道仿真及信道容量分析方法，本案例仿真时长为0.25s，具体仿真参数如表1所示。
表1仿真参数
f<sub>c</sub> 10GHz D 100m R 30m H<sub>T</sub> 30m
M 10 N 10 L<sub>T</sub> 2 H<sub>R</sub> 10m
L<sub>R</sub> 2 υ<sub>R</sub> 10m/s v<sub>T</sub> 0m/s H<sub>RIS</sub> 20m
γ<sub>T</sub> 0° γ<sub>R</sub> 0° ψ<sub>R</sub> 45° l<sub>c</sub> 50m
θ<sub>T</sub> 45° θ<sub>R</sub> 45° d<sub>RIS</sub> λ/2 h<sub>c</sub> 20m
为了探究在含散射体的复杂环境中RIS信道的特性，研究了两条路径：SBR(电磁波仅由RIS反射的信道)与DB(电磁波经由RIS和散射体反射的信道)，并分别计算了它们的信道相关性和信道容量。从图3可以看出，SBR 的信道相关性高于DB，并且随着时间的增大，相关性减小。从图4可以看到， RIS的高度越大，越接近发射机的高度，从而使得信道的相关性越大。从图 5可以看出，随着RIS尺寸的增大，信道的相关性减小，证明RIS可以减小信道的相关性。从图6可以看出，DB信道容量大于SBR信道容量，并且随着 RIS个数的增大，均增大了无散射体的SBR和含散射体的DB的信道容量，证明本发明所提RIS算法可以在复杂环境中提高信道容量，改善传播质量。
如上，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种RIS辅助信道仿真及信道容量分析方法，其特征在于含有以下步骤：建立RIS辅助通信场景下的几何信道模型，初始化传播路径的参数，计算每个RIS单元的位置和相位，计算信道模型中的距离和角度参数，计算发射天线到接收天线的信道函数，计算信道相关函数，计算信道容量。
2.根据权利要求1所述的一种RIS辅助信道仿真及信道容量分析方法，其特征在于建立RIS辅助通信场景下的几何信道模型，含有以下步骤：包括三条传播路径：
发射端到接收端的视距路径：
Figure FDA0003443466430000011
发射端到RIS及接收端的非视距路径(SBR)：
Figure FDA0003443466430000012
发射端到RIS、散射体及接收端的非视距路径(DB)：
Figure FDA0003443466430000013
3.根据权利要求1所述的一种RIS辅助信道仿真及信道容量分析方法，其特征在于初始化传播路径的参数，步骤如下：
步骤一：将接收端建模为半径为R的圆柱体，并假设存在MR个散射体分布于圆柱表面(mR＝1,2,...,MR)，令发、收端的天线个数分别为LT和LR，相邻天线之间的间隔分别为δT和δR；初始化发射天线的水平角(相对于x轴)为θT；初始化接收天线的水平角(相对于x轴)和仰角(相对于xz平面)分别为θR和
Figure FDA0003443466430000014
步骤二：初始化接收端的运动速度与水平角(相对于x轴)分别为υR和γR；
步骤三：初始化发射端、RIS、接收端的高度分别为HT、HRIS与HR，
步骤四：求解发射端与接收端之间的仰角，计算公式如下：
Figure FDA0003443466430000021
4.根据权利要求1所述的一种RIS辅助信道仿真及信道容量分析方法，其特征在于计算每个RIS单元的位置和相位，步骤如下：
步骤一：初始化RIS相关参数，令RIS共有M行N列个单元，相邻单元之间的间隔为dRIS，
步骤二：将RIS中心(mc,nc)作为参考位置，其x,y,z坐标为(lc,yc,hc)
步骤三：根据RIS中心位置，计算RIS第(mi,ni)单元的三维位置坐标
Figure FDA0003443466430000022
公式如下：
Figure FDA0003443466430000023
Figure FDA0003443466430000024
Figure FDA0003443466430000025
其中mi＝1,2,...,M，ni＝1,2,...,N，
步骤四：根据接收功率最大化，计算RIS的相位：
Figure FDA0003443466430000026
其中，d(·)表示距离参数，根据SBR和DB不同的传播路径，可得到SBR和DB的相位公式如下：
SBR:
Figure FDA0003443466430000027
DB:
Figure FDA0003443466430000028
其中，mi＝1,2,...,M，ni＝1,2,...,N，i＝1,2。
Figure FDA0003443466430000029
和
Figure FDA00034434664300000210
分别是SBR传播路径中第p根发射天线到RIS第(m1,n1)单元的距离和RIS第(m1,n1)单元到第q根接收天线的距离，
Figure FDA00034434664300000211
和
Figure FDA00034434664300000212
分别是DB传播路径中第p根发射天线到RIS第(m2,n2)单元的距离、RIS第(m2,n2)单元到第mR个散射体的距离以及第mR个散射体到第q根接收天线的距离。
5.根据权利要求1所述的一种RIS辅助信道仿真及信道容量分析方法，其特征在于计算信道模型中的距离和角度参数，包括点
Figure FDA0003443466430000031
和
Figure FDA0003443466430000032
的间距εp,q、RIS与
Figure FDA0003443466430000033
和散射体的距离
Figure FDA0003443466430000034
和
Figure FDA0003443466430000035
散射体与
Figure FDA0003443466430000036
的距离
Figure FDA0003443466430000037
以及传播路径中经过RIS和散射体的到达角和离开角，公式如下：
Figure FDA0003443466430000038
Figure FDA0003443466430000039
Figure FDA00034434664300000310
Figure FDA00034434664300000311
Figure FDA00034434664300000312
其中，D是发射机和接收机之间的距离，dT和dR分别是收发端阵列天线p和q到阵列中心的距离，其中，距离参数
Figure FDA00034434664300000313
Figure FDA00034434664300000314
参数
Figure FDA00034434664300000315
和
Figure FDA00034434664300000316
分别是是经散射体散射的到达方位角和仰角，
Figure FDA00034434664300000317
是电磁波经过第(mi,ni)个RIS单元反射的到达方位角。
6.根据权利要求1所述的一种RIS辅助信道仿真及信道容量分析方法，其特征在于计算第p根发射天线到第q根接收天线的信道函数，方法如下：
Figure FDA0003443466430000041
其中，
Figure FDA0003443466430000042
Figure FDA0003443466430000043
Figure FDA0003443466430000044
其中，Ωpq是传输功率，KRice是莱斯因子，ηSBR和ηDB是功率相关参数，ηSBR+ηDB＝1，参数fD,LoS，fD,SBR和fD,DB分别是三条传播路径的多普勒，τD,LoS，τD,SBR和τD,DB是三条传播路径的时延。
7.根据权利要求1所述的一种RIS辅助信道仿真及信道容量分析方法，其特征在于计算信道相关函数：
Figure FDA0003443466430000045
Figure FDA0003443466430000051
Figure FDA0003443466430000052
8.根据权利要求1所述的一种RIS辅助信道仿真及信道容量分析方法，其特征在于计算不同路径的信道容量，公式如下：
Figure FDA0003443466430000053
其中，det(·)表示取矩阵行列式，ρ是信噪比，I为单位矩阵。
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