CN114584238A - 一种面向智能超表面无线通信的射线追踪信道建模方法 - Google Patents

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CN114584238A CN202210214609.3A CN202210214609A CN114584238A CN 114584238 A CN114584238 A CN 114584238A CN 202210214609 A CN202210214609 A CN 202210214609A CN 114584238 A CN114584238 A CN 114584238A
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Abstract

本发明公开了一种面向智能超表面无线通信的射线追踪信道建模方法，包括：应用场景的设置；RIS的部署及调控方式的实现；非视距场景的接收功率分布分析；角度功率谱密度的分析；信道容量随发射功率、RIS单元数及RIS部署位置的变化而变化的具体分析。本发明建立的基于射线追踪的RIS信道确定性模型可用于静态射线追踪仿真软件，支持在场景中的任意位置部署任意规模的智能超表面，丰富了智能超表面的射线追踪建模方法，仿真结果的信道特性分析对RIS在室内场景的应用及部署具有指导意义。

Description

一种面向智能超表面无线通信的射线追踪信道建模方法
技术领域
本发明属于信道建模技术领域，尤其涉及一种面向智能超表面无线通信的射线追踪信道建模方法。
背景技术
第六代移动通信将继续扩展全频谱应用，毫米波(Millimeter Wave,mmWave)频段和太赫兹(terahertz,THz)频段由于拥有可分配的超大带宽成为研究热点，然而由于分子吸收作用导致的严重的路径损耗大大限制了其传播距离。智能超表面(ReconfigurableIntelligent Surface,RIS)由于其可调控电磁传播环境这一独特特性成为对抗高频通信传播距离问题的潜在解决方案。
目前，对RIS的研究主要集中于RIS信道的几何随机信道建模和信道特性评估。基于电磁理论，RIS信道的路损已有推导并在微波暗室的测量实验中得以验证(WirelessCommunications With Reconfigurable Intelligent Surface:Path Loss Modeling andExperimental Measurement)。此外，近期已有文献对RIS信道建立了三维几何随机信道模型，其仿真结果证实了RIS可以将信道分割成两个级联信道并改变信道特性(A 3D Non-Stationary Channel Model for 6G Wireless Systems Employing IntelligentReflecting Surfaces with Practical Phase Shifts)。对RIS信道的基于射线追踪的确定性建模研究较少，相比于几何随机信道模型，确定性模型能更加准确地描述特定环境中的多径效应。
目前对RIS信道的确定性建模均集中于RIS对非视距环境接收功率的增益研究，主要方法是在基于地图的三维动态射线追踪软件中加入聚焦和导向两个指令，使得发射端的波束能够根据指令传播到指定方向，以增加非视距环境下的接收功率，已有文献基于该方法实现了RIS信道的确定性建模。例如在60GHz频段下，将整个室内环境的垂直墙面设置成具有聚焦和导向功能的1m×1m大小的智能超表面，所有在非视距环境中的接收端平均获得了20.6dB的接收功率增益(A New Wireless Communication Paradigm throughSoftware-controlled Metasurfaces)。上述方法和案例均局限于对非视距环境中的接收功率增益的分析以证明智能超表面在室内环境中的应用可行性，并且该方法并不满足RIS单元通用的半波长尺寸设计且不能应用于现有的大多数静态射线追踪仿真软件中，普适性有待提升。另外，该方法并不能适用于RIS在室内环境中位置部署的研究，而位置部署研究对RIS的应用不可或缺。
综上所述，当前建立准确依照RIS通用设计方案、能用于分析RIS位置部署且适用于普通静态射线追踪仿真软件的确定性RIS信道模型是非常必要的。
发明内容
本发明目的在于提供一种面向智能超表面无线通信的确定性信道建模方法,以解决现有方法不满足RIS单元通用的半波长尺寸设计且不能应用于现有的大多数静态射线追踪仿真软件中，普适性有待提升和现有方法不能适用于RIS在室内环境中位置部署的研究的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种面向智能超表面无线通信的射线追踪信道建模方法，包括以下步骤：
步骤S1、确定环境布局及环境中应用的材料，在射线追踪软件中绘制仿真环境；
步骤S2、确定天线参数、收发端布局、信号波形参数，并依据信号中心频率确定材料参数，完成仿真设置；
步骤S3、确定智能超表面的单元尺寸、单元数、部署位置以及预设的调控方向，具体预设调控方向为智能超表面板中心位置与接收端天线的连线方向；
步骤S4、根据调控方向计算每个智能超表面单元的方位角与俯仰角调控角度以完成调控；
步骤S5、确定射线追踪仿真使用的算法、反射的最高次数及输出结果类型；
步骤S6、实现射线追踪仿真并根据输出数据分析信道特性。
进一步的，所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S201、在步骤S1确定的应用场景中，确定天线类型、天线极化方式、天线口径、天线驻波比；发射端与接收端的位置、发射端与接收端的点位布局、发射端与接收端匹配的天线类型、接收端接收门限；信号类型、中心频率和信号带宽；
步骤S202、依据仿真的中心频率，确定材料的介电常数，完成仿真的设置。
进一步的，步骤4具体包括以下步骤：
步骤S401、以智能超表面单元的中心点代表每个智能超表面单元的位置，记第m行、第n列的智能超表面单元坐标为Cm，n(cx，cy，cz),发射端坐标为Tx(tx，ty，tz),接收端坐标为Rx(rx，ry，rz),计算连线TxCm，n与连线Cm，nRx的角平分线
Figure BDA0003533889420000031
步骤S402、在角平分线
Figure BDA0003533889420000032
的正半轴上任取一点D,过点D做一条平行于Z轴的直线，在该垂直直线上取一点E使其纵坐标等于cz；
步骤S403、过Cm，n点，沿y轴正半轴方向任取一点D,沿z轴负方向任取一点G；
步骤S404、根据余弦定理计算方位角θm，n即为∠ECm，nF，俯仰角
Figure BDA0003533889420000041
即为∠GCm，nD；
步骤S405、根据计算获得的俯仰角
Figure BDA0003533889420000042
将第m行、第n列的智能超表面单元绕y轴旋转，若
Figure BDA0003533889420000043
旋转角度为
Figure BDA0003533889420000044
若
Figure BDA0003533889420000045
则旋转的角度为
Figure BDA0003533889420000046
步骤S406、根据计算获得的俯仰角θm，n，将第m行、第n列的智能超表面单元绕z轴旋转，若θm，n＜90°，旋转角度为90-θm，n,若θm，n＞90°，则旋转的角度为θm，n-90。
进一步的，所述步骤S5具体包括以下步骤：
步骤S501、设定仿真区域和噪声功率谱密度；
步骤S502、设定射线追踪仿真中反射最高次数，不考虑透射和绕射机制；
步骤S503、设定发射端射线的寻径间隔以及接收端最高可接收的多径数；
步骤S504、设定所需输出的仿真结果类型，具体包括多径信息，水平到达角和俯仰到达角。
进一步的，所述步骤S6具体包括以下步骤：
步骤S601、根据仿真获得的多径信息计算每个接收端的接收功率，仿真所得的多径信息
Figure BDA0003533889420000047
其中Pi为第i条多径的接收功率，ψi为第i条多径的相位，则接收端的接收功率为所有多径接收功率之和，其表达式为：
Figure BDA0003533889420000048
表达式中Pr为接收端的接收功率，Np为总的多径数；
步骤S602、根据计算获得的接收功率和既定的噪声功率谱密度及信号带宽分析信道容量，信道容量计算表达式为：
SNR(dB)＝10log10(PR)-10log10(Ntotal)
Capacity＝Blog2(1+SNR)
表达式中SNR为信噪比，PR为接收端的接收功率，Ntotal为总的噪声，B为信号带宽，Capacity为信道容量；
步骤S603、根据多径信息中每条径的接收功率和到达角获得角度功率谱密度。
本发明的一种面向智能超表面无线通信的确定性信道建模方法，具有以下优点：
本发明在静态射线追踪仿真软件中，通过几何计算调整智能超表面每个单元的法向量方向，实现智能超表面对电磁环境的调控功能，智能超表面的单元尺寸严格按照理论要求的半波长大小设计，且能将任意数目的RIS单元以任意的排列方式，部署在环境中的任意位置，并分析智能超表面对非视距场景的接收功率增益和不同部署位置的影响。
附图说明
图1为本发明的实施例1中提供的面向智能超表面无线通信的确定性信道建模方法的流程示意图；
图2为本发明的实施例1中应用智能超表面的室内场景的示意图；
图3为本发明的实施例1中收发端天线布局示意图；
图4(a)为本发明的未布局智能超表面时寻径结果图；
图4(b)为本发明的布局智能超表面时寻径结果图；
图5为本发明的实施例1中提供的未部署智能超表面的接收功率分布图；
图6为本发明的实施例1中提供的将智能超表面部署于墙面中央时的接收功率分布图；
图7为本发明的实施例1中提供的信道容量随发射功率和RIS单元数变化的容量分析图；
图8为本发明的实施例1中提供的未部署智能超表面的Rx1点的角度功率谱密度；
图9为本发明的实施例1中提供的将智能超表面部署于墙面中央时的Rx1点的角度功率谱密度。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种面向智能超表面无线通信的确定性信道建模方法做进一步详细的描述。
实施例1
参见图1-图5，本实施例提供一种面向智能超表面无线通信的确定性信道建模方法，所述信道建模方法包括如下步骤：
步骤1、确定环境布局及环境中应用的材料，在射线追踪软件中绘制仿真环境；
具体的说，在本实施例中，模型采用基于射线追踪的确定性信道建模方法，首先确定应用场景为室内(Indoor),具体房间尺寸为10m×8m×3m，房间中心设有长为8m的墙以创造非视距环境，以房间中布有智能超表面的墙面底端中心为整个场景的原点，两侧墙面设有6m长的玻璃窗，下端墙面设有一个宽为1m,高为2.7m的门。同时确定墙面的材料为三层复合干燥墙面，窗户的材料为玻璃，门的材料为木材，地面的材料为水泥。依据上述设定，即可在射线追踪仿真软件中完成仿真环境绘制；
步骤2、确定天线、收发端布局及信号波形等基本参数，完成仿真设置；
具体的说，发射端和接收端分别放置在阻挡墙的两侧，在接收端侧还布局了70×39的水平天线阵列，用于分析该区域的接收功率分布，且所有天线都保持在1.5m高度，具体布局参考示意图3，为简洁考虑，在后续的仿真结果展示中将水平天线阵列设为不可见。
更具体的说，在本实施例中，天线、收发端布局及信号波形等基本参数设置包含如下步骤：
步骤S201、根据确定的应用场景，确定天线类型；发射端与接收端的位置、发射端与接收端的点位布局、发射端与接收端匹配的天线类型、接收端接收门限；信号类型、中心频率和信号带宽
本实施例中，如图1所示，在阻挡墙的两侧分别设有一个单点的发射端TX和接收端RX1，发射端的坐标为(4，-2,1.5)，接收端的坐标为(4,2,1.5)，在接收端一侧额外布局了70×39的水平天线阵列，用于分析该区域的接收功率分布，且所有天线都保持在1.5m高度，所有天线都采用垂直极化的全向天线，接收端门限设为-250dBm。本实施例中采用中心频率为5.4GHz，带宽为320MHz的正弦波。
步骤S202、依据仿真的中心频率，确定材料的介电常数，完成仿真的设置
依据5.4GHz的中心频率，修正环境中采用的玻璃、木材、水泥等材料的介电常数，完成设置。
步骤3、确定RIS的单元尺寸、单元数、部署位置以及预设的调控方向，具体调控方向为RIS板中心位置与接收端天线的连线方向；
在本实施例中，采用12×12，共144个RIS单元的智能超表面，其单元尺寸依据仿真的中心频率5.4GHz，设置为半波长。智能超表面布局在收发端共同可视的墙面上，为保持智能超表面的中心与收发端保持在同一高度，将其中心位置设于(0,0,1.5)处，将智能超表面中心点与Rx1的连线方向作为预设的调控方向，以x轴正半轴为参考，该调控方向的方位到达角为-153°，俯仰到达角为90°。
步骤4、根据调控方向计算每个RIS(智能超表面)单元的方位角与俯仰角调控角度以完成调控；
具体的说，计算每个RIS单元的方位角与俯仰角调控角度以完成调控包含如下步骤：
步骤S401、以RIS单元的中心点代表每个RIS单元的位置，记第m行、第n列的RIS单元坐标为Cm，n(cx，cy，cz),发射端坐标为Tx(tx，ty，tz),接收端坐标为Rx(rx，ry，rz),计算连线TxCm，n与连线Cm，nRx的角平分线
Figure BDA0003533889420000081
步骤S402、在角平分线
Figure BDA0003533889420000088
的正半轴上任取一点D,过点D做一条平行于Z轴的直线，在该垂直直线上取一点E使其纵坐标等于cz；
步骤S403、过Cm，n点，沿y轴正半轴方向任取一点D,沿z轴负方向任取一点G；
步骤S404、根据余弦定理计算方位角θm，n即为∠ECm，nF，俯仰角
Figure BDA0003533889420000082
即为∠GCm，nD；
步骤S405、根据计算获得的俯仰角
Figure BDA0003533889420000083
将第m行、第n列的RIS单元绕y轴旋转，若
Figure BDA0003533889420000084
旋转角度为
Figure BDA0003533889420000085
若
Figure BDA0003533889420000086
则旋转的角度为
Figure BDA0003533889420000087
步骤S406、根据计算获得的俯仰角θm，n，将第m行、第n列的RIS单元绕z轴旋转，若θm，n＜90°，旋转角度为(90-θm，n),若θm，n＞90°，则旋转的角度为(θm，n-90)；
步骤5、确定射线追踪仿真使用的算法、反射的最高次数及输出结果类型；
具体的说确定射线追踪仿真使用的算法、反射最高次数及输出结果类型包含如下步骤：
步骤S501、设定射线追踪算法采用Wireless Insite仿真软件内置的X3D算法，仿真区域为整个室内场景，噪声功率谱密度定为-174dBm；
步骤S502、设定射线追踪仿真中反射最高次数为6次，不考虑投射和绕射机制；
步骤S503、设定发射端射线的寻径间隔为0.25，接收端每个接收点最高可接收的多径数为250条；
步骤S504、设定所需输出的仿真结果类型，具体包括多径信息，水平到达角和俯仰到达角；
步骤6、实现射线追踪仿真并根据输出数据分析信道特性；
具体的说，信道特性分析包含如下步骤:
步骤S601、根据仿真获得的多径信息计算每个接收端的接收功率，多径表达式为
Figure BDA0003533889420000091
其中Pi为第i条多径的接收功率，ψi为第i条多径的相位，则接收端的接收功率为所有多径接收功率之和，其表达式为：
Figure BDA0003533889420000092
表达式中Pr为接收端的接收功率，Np为总的多径数。通过叠加水平阵列中每个接收点的每条多径的功率，得到该点的接收功率。在未布局智能超表面时的接收功率分布图参照图5，智能超表面布局于墙面中心的接收功率分布图参照图6。
步骤S602、根据计算获得的接收功率和既定的噪声功率谱密度及信号带宽分析信道容量，信道容量计算表达式为：
SNR(dB)＝10log10(PR)-10log10(Ntotal)
Capacity＝Blog2(1+SNR)
表达式中SNR为信噪比，PR为接收端的接收功率，Ntotal为总的噪声，B为信号带宽，Capacity为信道容量。由于仿真设置中固定了噪声功率谱密度和信号带宽，可将发射功率代替信噪比，通过改变发射端的发射功率和智能超表面的单元数可比较信噪比和智能超表面单元数对信道容量的影响，仿真结果可参照图7。将智能超表面布局于墙面的不同位置，可分析智能超表面的位置部署对信道容量的影响，比较结果可参照表1。
表1
RIS位置部署 收发端中间 发射端一侧 接收端一侧
接收功率(dBm) -51.9836 -41.7814 -41.7748
信道容量(bit/s/Hz) 13.2796 16.6686 16.6708
步骤S603、根据多径信息中每条径的接收功率和到达角获得角度功率谱密度，未部署智能超表面时Rx1的角度功率谱可参照图8，将RIS部署于收发端中间时Rx1的角度功率谱可参照图9。
综上所述，本发明建立的基于射线追踪的RIS信道确定性模型可用于静态射线追踪仿真软件，支持在场景中的任意位置部署任意规模的智能超表面，丰富了智能超标面的确定性建模方法，仿真结果的信道特性分析对RIS在室内场景的应用及部署具有指导意义。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种面向智能超表面无线通信的射线追踪信道建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、确定环境布局及环境中应用的材料，在射线追踪软件中绘制仿真环境；
步骤S2、确定天线参数、收发端布局、信号波形参数，并依据信号中心频率确定材料参数，完成仿真设置；
步骤S3、确定智能超表面的单元尺寸、单元数、部署位置以及预设的调控方向，具体预设调控方向为智能超表面板中心位置与接收端天线的连线方向；
步骤S4、根据调控方向计算每个智能超表面单元的方位角与俯仰角调控角度以完成调控；
步骤S5、确定射线追踪仿真使用的算法、反射的最高次数及输出结果类型；
步骤S6、实现射线追踪仿真并根据输出数据分析信道特性。
2.根据权利要求1所述的面向智能超表面无线通信的射线追踪信道建模方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S201、在步骤S1确定的应用场景中，确定天线类型、天线极化方式、天线口径、天线驻波比；发射端与接收端的位置、发射端与接收端的点位布局、发射端与接收端匹配的天线类型、接收端接收门限；信号类型、中心频率和信号带宽；
步骤S202、依据仿真的中心频率，确定材料的介电常数，完成仿真的设置。
3.根据权利要求2所述的面向智能超表面无线通信的射线追踪信道建模方法，其特征在于，步骤4具体包括以下步骤：
步骤S401、以智能超表面单元的中心点代表每个智能超表面单元的位置，记第m行、第n列的智能超表面单元坐标为Cm，n(cx，cy，cz),发射端坐标为Tx(tx，ty，tz),接收端坐标为Rx(rx，ry，rz),计算连线TxCm，n与连线Cm，nRx的角平分线
Figure FDA0003533889410000027
步骤S402、在角平分线
Figure FDA0003533889410000028
的正半轴上任取一点D,过点D做一条平行于Z轴的直线，在该垂直直线上取一点E使其纵坐标等于cz；
步骤S403、过Cm，n点，沿y轴正半轴方向任取一点D,沿z轴负方向任取一点G；
步骤S404、根据余弦定理计算方位角θm，n即为∠ECm，nF，俯仰角
Figure FDA0003533889410000021
即为∠GCm，nD；
步骤S405、根据计算获得的俯仰角
Figure FDA0003533889410000022
将第m行、第n列的智能超表面单元绕y轴旋转，若
Figure FDA0003533889410000023
旋转角度为
Figure FDA0003533889410000024
若
Figure FDA0003533889410000025
则旋转的角度为
Figure FDA0003533889410000026
步骤S406、根据计算获得的俯仰角θm，n，将第m行、第n列的智能超表面单元绕z轴旋转，若θm，n＜90°，旋转角度为90-θm，n,若θm，n＞90°，则旋转的角度为θm，n-90。
4.根据权利要求3所述的面向智能超表面无线通信的射线追踪信道建模方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下步骤：
步骤S501、设定仿真区域和噪声功率谱密度；
步骤S502、设定射线追踪仿真中反射最高次数，不考虑透射和绕射机制；
步骤S503、设定发射端射线的寻径间隔以及接收端最高可接收的多径数；
步骤S504、设定所需输出的仿真结果类型，具体包括多径信息，水平到达角和俯仰到达角。
5.根据权利要求4所述的面向智能超表面无线通信的射线追踪信道建模方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括以下步骤：
步骤S601、根据仿真获得的多径信息计算每个接收端的接收功率，仿真所得的多径信息
Figure FDA0003533889410000031
其中Pi为第i条多径的接收功率，ψi为第i条多径的相位，则接收端的接收功率为所有多径接收功率之和，其表达式为：
Figure FDA0003533889410000032
表达式中Pr为接收端的接收功率，Np为总的多径数；
步骤S602、根据计算获得的接收功率和既定的噪声功率谱密度及信号带宽分析信道容量，信道容量计算表达式为：
SNR(dB)＝10log10(PR)-10log10(Ntotal)
Capacity＝Blog2(1+SNR)
表达式中SNR为信噪比，PR为接收端的接收功率，Ntotal为总的噪声，B为信号带宽，Capacity为信道容量；
步骤S603、根据多径信息中每条径的接收功率和到达角获得角度功率谱密度。
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