CN114553279A - 可重构智能表面任意波束赋形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重构智能表面任意波束赋形方法，针对可重构表面辅助移动通信的多样性需求，设计了一种能够产生任意波束数量、波束空间指向、波束截面形状以及波束内部功率分配的灵活波束赋形方法，该方法具有闭合表达式，无需矩阵求逆和数值优化，具有极低的实现复杂度，有利于可重构智能表面反射状态的快速切换和建立。与现有波束赋形方法相比，本发明公开的方法波束赋形效果明显更优。

Description

可重构智能表面任意波束赋形方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种可重构智能表面任意波束赋形方法。

背景技术

随着无线通信应用需求的快速增长，移动通信频谱不断向高频扩展。在增大带宽的同时，高频电磁波也面临着路径损耗严重的问题，容易形成覆盖空洞和盲区。近年来，随着人工电磁材料的发展，以可重构智能表面(RIS,Reconfigurable Intelligent Surface)为代表的新技术被引入到无线通信中。RIS通过对大量微小反射单元的反射系数进行协同配置，在宏观上能够改变电磁波传输行为，实现波束聚焦、分裂和散射等各种波束赋形效果，从而有望在相当程度上解决高频电磁波的覆盖问题。

现有RIS波束赋形主要关注特定用户的接收信噪比等指标，不关注物理空间中波束形状本身的设计。然而，在移动通信中，由于用户的位置信息难以精确获取，且处于移动状态，以信噪比为指标的波束赋形方法对位置误差和移动的敏感性强，链路鲁棒性差。在某些场景中，基站需要发射较宽的波束进行信息广播。以上场景表明，有必要设计一种RIS的任意波束赋形方法，使得波束的形状、宽度、角度、功率任意可调，以满足移动通信中各种场景的需求，而且这种设计需要具备低复杂度的特征，以进行波束的快速切换。目前，文献中仅报道了使用频域采样法设计的波束赋形方法，但该方法仅在单元数足够多、波束功率均匀分布等特殊情形下才能达成一定赋形效果，难以满足实际需要。

发明内容

发明目的：针对背景技术中提到的RIS波束赋形需求和要求，以及现有方法的缺陷，本发明提出一种可重构智能表面任意波束赋形方法，该方法在波束形状、宽度、功率等参数任意可调的情形下，还具备低实现复杂度，从而为RIS在移动通信中的实际部署应用提供一种波束赋形技术路线。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种可重构智能表面任意波束赋形方法，包括如下步骤：

步骤1，配置可重构智能表面为N₁×N₂个单元的二维矩形平面，单元间隔为d米，并放置在基站的远场位置，记录基站到可重构智能表面的入射波束的方位角(即水平角)φ_in和俯仰角

步骤2，根据应用需求设定理想的三维反射波束图样，包括波束的数量、每个波束的指向、波束截面形状、截面不同区域的功率配比，将这些参数映射到二维角度域函数

其中一个维度是方位角φ_out，另一个维度是俯仰角

函数值

表示在方位角φ_out、俯仰角

方向所分配的波束响应的归一化幅度值，它的平方

表示在方位角φ_out、俯仰角

方向所分配的波束响应的归一化功率值。

步骤3，将函数

使用如下规则映射到另一个二维角度域函数H₁(ω₁,ω₂)：

其中，λ是系统工作频段的载波波长。

步骤4，对函数H₁(ω₁,ω₂)进行均匀采样，其中在维度ω₁上采样的点数记为M₁，在维度ω₂上采样的点数记为M₂，M₁，M₂分别满足M₁≥N₁，M₂≥N₂，并应当尽可能大，最后将采样后的函数值记为H₁(ω_1,k,ω_2,l)，其中k、l分别表示维度ω₁和维度ω₂上的采样序号。

步骤5，配置可重构表面第n₁行、第n₂列个反射单元的反射系数为

其中

0≤n₂≤N₂-1。另一半单元的反射系数由如下公式得到：

v(n₁,n₂)＝v^*(N₁-1-n₁,N₂-1-n₂)，

0≤n₂≤N₂-1.

按照上述公式对可重构智能表面的反射系数进行配置，完成任意波束赋形。

在实际中，由于工艺制造等原因，可重构智能表面的单元反射系数往往只能取有限种值，常见的情况及其系数设定方法整理如下：

情况1：反射系数幅度值需小于或等于1，幅度和相位均连续取值。

情况1的反射系数设定方法：设定反射系数为

情况2：反射系数幅度值需小于或等于1，幅度和相位都仅能取若干个离散值。

情况2的反射系数设定方法：设定反射系数为v⁽²⁾(n₁,n₂)，v⁽²⁾(n₁,n₂)是所有反射系数可能的有限个取值中，距离v⁽¹⁾(n₁,n₂)最近的。

情况3：反射系数幅度值等于1，相位取有限个离散值。

情况3的反射系数设定方法：设定反射系数为v⁽³⁾(n₁,n₂)＝exp(j∠v(n₁,n₂))，其中∠v(n₁,n₂)表示取的v(n₁,n₂)相位。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明能够对可重构智能表面的反射波束进行任意赋形，具有更高的应用灵活性，同时，计算复杂度极低，有利于可重构智能表面反射状态的快速切换和建立。

附图说明

图1为实例一中波束的方位角与俯仰角的覆盖范围；

图2为实例一中波束的方位角与俯仰角映射到二维角度域后的覆盖范围；

图3为实例一中使用本发明方法设计出的波束图样；

图4为实例一中本发明方法与频率采样法的波束对比效果图；

图5为实例二中波束的方位角与俯仰角的覆盖范围；

图6为实例二中使用本发明方法量化后的反射系数设计出的波束图样；

图7为实例二中给定方位角的情况下本发明方法与理想幅度相应的效果对比图；

图8为实例二中给定俯仰角的情况下本发明方法与理想幅度相应的效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例一：

一种可重构智能表面任意波束赋形方法，包括如下步骤：

步骤1，配置可重构智能表面为N₁×N₂＝32×32个单元的二维矩形平面，单元间隔为

米，其中λ为载波波长，将可重构智能表面放置在基站的远场位置，基站到可重构智能表面的入射波束的方位角(即水平角)φ_in＝60°和俯仰角

步骤2，假设有两个用户，其定位信息不够准确，因此，需要产生两个相对较宽的波束分别指向这两个用户。其中用户1的波束的方位角范围是[0.4π,0.8π]，俯仰角范围是[0.1π,0.4π]，用户2的波束的方位角范围是[1.4π,1.65π]，俯仰角范围是[0.2π,0.45π]，它们的幅度值均设为1，如图1所示。

步骤3，将函数

使用如下规则映射到另一个二维角度域函数H₁(ω₁,ω₂)：

其中，代入上述数值，可得波束1和波束2对应的ω₁及ω₂范围，在上述范围中，H₁(ω₁,ω₂)取值为1，如图2所示。

步骤4，对函数H₁(ω₁,ω₂)进行均匀采样，其中在维度ω₁上采样的点数记为M₁＝100，在维度ω₂上采样的点数记为M₂＝100，将采样后的函数值记为H₁(ω_1,k,ω_2,l)，其中k、l分别表示维度ω₁和维度ω₂上的采样序号。

步骤5，配置可重构表面第n₁行、第n₂列个反射单元的反射系数为

其中

另一半单元的反射系数由如下公式得到：

v(n₁,n₂)＝v^*(N₁-1-n₁,N₂-1-n₂)，

本实施例中，可重构智能表面的单元反射系数幅度值需小于或等于1，幅度和相位可连续取值，此时，设定反射系数为

使用上述反射系数检验可重构智能表面反射波束的图样，如图3所示，与图1期望的形状非常接近。图4中给出了在给定俯仰角为0.25π的情况下，本发明方法与频率采样法所得波束的对比效果图，可以看到，本发明的方法波束赋形效果更优。

实施例二：

一种可重构智能表面任意波束赋形方法，包括如下步骤：

步骤1，配置可重构智能表面为N₁×N₂＝32×32个单元的二维矩形平面，单元间隔为

米，其中λ为载波波长，将可重构智能表面放置在基站的远场位置，基站到可重构智能表面的入射波束的方位角(即水平角)φ_in＝60°和俯仰角

步骤2，假设有单个用户，该用户处于匀速移动状态，为保证其稳定通信，需为其分配一个功率均匀的矩形反射波束，假设该波束的方位角范围是[0.3π,0.7π]，俯仰角范围是[0.1π,0.2π]，其幅度值设为1，如图5所示。

步骤3，将函数

使用如下规则映射到另一个二维角度域函数H₁(ω₁,ω₂)：

其中，代入上述数值，在该波束对应的ω₁和ω₂范围中，H₁(ω1₁,ω₂)取值为1。

步骤4，对函数H₁(ω1₁,ω₂)进行均匀采样，其中在维度ω₁上采样的点数记为M₁＝100，在维度ω₂上采样的点数记为M₂＝100，将采样后的函数值记为H₁(ω1_1,k,ω_2,l)，其中k、l分别表示维度ω₁和维度ω₂上的采样序号。

步骤5，配置可重构表面第n₁行、第n₂列个反射单元的反射系数为

其中

另一半单元的反射系数由如下公式得到：

v(n₁,n₂)＝v^*(N₁-1-n₁,N₂-1-n₂)，

本实施例中，可重构智能表面的单元反射系数幅度值需小于或等于1，幅度和相位分别由3个比特量化表征，即幅度和相位仅各能取8个离散值，此时，设定反射系数为v⁽²⁾(n₁,n₂)，v⁽²⁾(n₁,n₂)是所有反射系数可能的有限个取值中，距离

最近的。使用上述反射系数检验可重构智能表面反射波束的图样，如图6所示。图7给出了方位角为0.5π的情况下，本实施例中的幅度相应与理想幅度相应的对比效果图。图8给出了俯仰角为0.15π的情况下，本实施例中的幅度相应与理想幅度相应的对比效果图。从图中可观察到，本发明的方法在将反射系数的幅度和相位进行离散之后，仍能获得较好的波束赋形效果，因此是一种较有优势的任意波束赋形候选方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种可重构智能表面任意波束赋形方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，配置可重构智能表面为N₁×N₂个单元的二维矩形平面，单元间隔为d米，并放置在基站的远场位置，记录基站到可重构智能表面的入射波束的方位角和俯仰角

步骤2，根据应用需求设定期望的三维反射波束图样，将波束信息映射到二维角度域函数

其中一个维度是方位角φ_out，另一个维度是俯仰角

函数值

表示在方位角φ_out、俯仰角

方向所分配的波束响应的归一化幅度值；

步骤3，将函数

使用如下规则映射到另一个二维角度域函数H₁(ω₁,ω₂)：

其中，λ是系统工作频段的载波波长；

步骤4，对函数H₁(ω₁,ω₂)进行均匀采样，其中在维度ω₁上采样的点数记为M₁，在维度ω₂上采样的点数记为M₂，M₁、M₂分别满足M₁≥N₁、M₂≥N₂，最后将采样后的函数值记为H₁(ω_1,k,ω_2,l)，其中k、l分别表示维度ω₁和维度ω₂上的采样序号；

步骤5，配置可重构表面第n₁行、第n₂列个反射单元的反射系数为

其中

另一半单元的反射系数由如下公式得到：

v(n₁,n₂)=v^*(N₁-1-n₁,N₂-1-n₂)，

0≤n₂≤N₂-1。

2.根据权利要求1所述可重构智能表面任意波束赋形方法，其特征在于：步骤4中维度ω₁和ω₂的采样点选取方式分别为：

3.根据权利要求1所述可重构智能表面任意波束赋形方法，其特征在于：当可重构智能表面的单元反射系数幅度值需小于或等于1，幅度和相位均连续取值时，设定反射系数为

4.根据权利要求1所述可重构智能表面任意波束赋形方法，其特征在于：当可重构智能表面的单元反射系数幅度值需小于或等于1，幅度和相位都仅能取若干个离散值时，设定反射系数为v⁽²⁾(n₁,n₂)，其中v⁽²⁾(n₁,n₂)是所有反射系数可能的有限个取值中，距离

最近的。

5.根据权利要求1所述可重构智能表面任意波束赋形方法，其特征在于：当可重构智能表面的单元反射系数幅度值需等于1，相位取有限个离散值时，设定反射系数为v⁽³⁾(n₁,n₂)＝exp(j∠v(n₁,n₂))，其中∠v(n₁,n₂)表示取的v(n₁,n₂)相位。

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