CN114785391A - 一种ris以及基于ris的波束赋形方法和装置 - Google Patents

一种ris以及基于ris的波束赋形方法和装置 Download PDF

Info

Publication number
CN114785391A
CN114785391A CN202210289071.2A CN202210289071A CN114785391A CN 114785391 A CN114785391 A CN 114785391A CN 202210289071 A CN202210289071 A CN 202210289071A CN 114785391 A CN114785391 A CN 114785391A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ris
unit
power
phase shift
base station
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210289071.2A
Other languages
English (en)
Inventor
戴凌龙
朱结奥
刘坤瓒
李智毅
万钟志超
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tsinghua University
Original Assignee
Tsinghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsinghua University filed Critical Tsinghua University
Priority to CN202210289071.2A priority Critical patent/CN114785391A/zh
Publication of CN114785391A publication Critical patent/CN114785391A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0617—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems
    • H04B7/0456—Selection of precoding matrices or codebooks, e.g. using matrices antenna weighting
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0619—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal using feedback from receiving side
    • H04B7/0621—Feedback content
    • H04B7/0626—Channel coefficients, e.g. channel state information [CSI]
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/08—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station
    • H04B7/0837—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station using pre-detection combining
    • H04B7/0842—Weighted combining
    • H04B7/0848—Joint weighting
    • H04B7/0857—Joint weighting using maximum ratio combining techniques, e.g. signal-to- interference ratio [SIR], received signal strenght indication [RSS]
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/08—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station
    • H04B7/0837—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station using pre-detection combining
    • H04B7/0842—Weighted combining
    • H04B7/086—Weighted combining using weights depending on external parameters, e.g. direction of arrival [DOA], predetermined weights or beamforming

Abstract

本发明涉及一种RIS以及基于RIS的波束赋形方法和装置，每个单元RIS在相移电路的两端并联一个功率传感器，用以获取所在位置处的信号功率。基于RIS的波束赋形方法，在每个预设时刻下，令基站和终端设备同时向RIS发送导频信号以使导频信号在RIS上发生电磁干涉产生相应的电磁场；利用每个RIS单元的功率传感器获取每个RIS单元所在位置处电磁场的功率；根据所有预设时刻对应获取的每个RIS单元所在位置处电磁场的功率确定RIS的最优相移矩阵，以便利用RIS的最优相移矩阵实现波束赋形。本发明设计了全新的波束赋形方法，使波束赋形所需的信道估计导频开销与RIS单元数无关，从而大幅度的降低波束赋形所需要的导频开销。

Description

一种RIS以及基于RIS的波束赋形方法和装置
技术领域
本发明涉及无线移动通信技术领域，尤其涉及一种RIS以及基于RIS的波束赋形方法和装置。
背景技术
RIS(Reconfigurable Intelligent Surface，智能超表面)，是由大量可调控信号相位的无源单元(RIS单元)组成的大规模阵列，可以对入射信号进行智能调控，使其能够以高增益反射到任意指定方向上，其具体结构如图1所示。由于RIS的成本和功耗都很低，它在克服中断、提升容量、节省发生功率等场景中都存在应用价值，因此RIS技术被认为是未来6G通信中一项极富潜力的技术。
在使用RIS辅助多天线系统通信时，为达到最大化的信噪比，每个RIS单元都需要调节合适的相移来实现最优波束赋形。目前基于RIS的波束赋形方法中，首先通过信道估计获取CSI(Channel State Information，信道状态信息)，再利用此CSI进行波束赋形，即信道估计是波束赋形的基础。鉴于此，RIS辅助通信还有两个方面的技术难题有待克服：第一，不同于传统天线阵列能够传输、接收和处理导频信号，RIS只能被动反射入射信号，没有对信号感知能力；第二，由于RIS系统的规模通常较大，随着RIS单元数量的增长，信道估计所需要的导频开销成倍急剧增大。
为克服RIS辅助通信存在的技术难题，现有研究主要从设计新的波束赋形方法或调整RIS的硬件结构以提升信号处理能力两个角度着手改进，其在一定程度上降低了信道估计所需的导频开销，但是很遗憾的是，不论何种改进在信道估计实现上都无法避免对信道矩阵的获取，这使得信道估计所需要的导频开销与RIS单元数量成正比，随着RIS单元数量的增大，信道估计所需的导频开销仍然巨大的令人难以接受。
发明内容
本发明的目的是提供一种RIS以及基于RIS的波束赋形方法和装置，以克服RIS单元无法为信道估计提供有效信息进而导致需要耗费巨大的导频开销才能实现波束赋形的问题，以降低导频开销并减少波束赋形的计算量。
第一方面，本发明提供一种RIS，所述RIS由众多以阵列方式排布的RIS单元组成；
所述RIS单元包括：相移电路和与所述相移电路并联的功率传感器；
其中，所述相移电路，用于调控相应RIS单元入射信号的相位；
所述功率传感器，用于感知相应RIS单元所在位置处电磁场的功率。
第二方面，本发明还提供一种基于RIS的波束赋形方法，所述方法包括：
在每个预设时刻下，令基站和终端设备同时向RIS发送导频信号以使所述导频信号在所述RIS上发生电磁干涉产生相应的电磁场；
利用每个RIS单元的功率传感器获取每个RIS单元所在位置处所述电磁场的功率；
根据所有预设时刻对应获取的每个RIS单元所在位置处电磁场的功率确定所述RIS的最优相移矩阵，以便利用所述RIS的最优相移矩阵实现波束赋形。
根据本发明提供的基于RIS的波束赋形方法，所述每个预设时刻为预设时序序列中的一个时刻；所述预设时序序列，具体用下述公式表示：
T＝{t0,…tl…,tL-1}
上式中，
Figure BDA0003559421040000031
L表示预设值，TS表示导频信号的周期；
所述基站向RIS发送导频信号满足下述约束：
S(tl)＝S
上式中，S(tl)表示预设时刻tl基站向RIS发送的导频信号，S表示初始导频信号；
所述终端设备向RIS发送导频信号满足下述约束：
Figure BDA0003559421040000032
上式中，
Figure BDA0003559421040000033
S′(tl)表示预设时刻tl终端设备向RIS发送的导频信号，ψ(tl)表示预设时刻tl对应的相位偏移值。
根据本发明提供的基于RIS的波束赋形方法，所述根据所有预设时刻对应获取的每个RIS单元所在位置处电磁场的功率，确定所述RIS的最优相移矩阵，包括：
根据预存的电磁场功率表达式以及所有预设时刻对应获取的每个RIS单元所在位置处电磁场的功率，并采用求解算法得到基站与每个RIS单元之间的信道和每个RIS单元与终端设备之间的信道的相位差；
基于所述相位差，确定每个RIS单元的最优相移；
根据每个RIS单元的最优相移，生成所述RIS的最优相移矩阵；
其中，所述电磁场功率表达式，是电磁场功率关于基站与RIS单元之间的信道和RIS单元与终端设备之间的信道的相位差的函数。
根据本发明提供的基于RIS的波束赋形方法，在初始导频信号S＝1的情况下，所述电磁场功率表达式，具体用下述公式表示：
Figure BDA0003559421040000041
上式中，
Figure BDA0003559421040000042
Figure BDA0003559421040000043
Pn(tl)表示预设时刻tl第n个RIS单元所在位置处电磁场的功率，A表示功率传感器的放大倍数，En,BB，IRF(tl)表示预设时刻tl第n个RIS单元处电磁场的信号，ξ表示对电磁场功率进行数字信号处理引入的噪声，ψ(tl)表示预设时刻tl对应的相位偏移值，
Figure BDA0003559421040000044
表示基站与第n个RIS单元之间的信道和第n个RIS单元与终端设备之间的信道的相位差，Re表示实部，v′*(tl)表示v′(tl)的共轭，v*(tl)表示v(tl)的共轭，v(tl)表示预设时刻tl电磁场的加性高斯白噪声，
Figure BDA0003559421040000045
表示gn的转置，
Figure BDA0003559421040000046
表示fn的共轭，gn表示基站到第n个RIS单元的传输信道，fn表示第n个RIS单元到终端设备的传输信道，W表示基站的波束赋形向量，n∈(1～N),N表示RIS中RIS单元数量。
根据本发明提供的基于RIS的波束赋形方法，所述基于所述相位差，确定每个RIS单元的最优相移，包括：
根据基站和RIS的空间几何关系估计基站与每个RIS单元之间的信道相位；
基于所述相位差和所述基站与每个RIS单元之间的信道相位确定每个RIS单元的最优相移；
其中，所述基站与第n个RIS单元之间的信道相位Ψn即为
Figure BDA0003559421040000051
根据本发明提供的基于RIS的波束赋形方法，所述求解算法，包括：傅里叶变换法、冯·米塞斯-最大期望算法和牛顿-最大似然估计法；
所述每个RIS单元的最优相移，具体用下述公式表示：
Figure BDA0003559421040000052
式中，θn表示第n个RIS单元的最优相移，
Figure BDA0003559421040000053
表示基站与第n个RIS单元之间的信道和第n个RIS单元与终端设备之间的信道的相位差，Ψn表示基站与第n个RIS单元之间的信道相位。
第三方面，本发明还提供一种基于RIS的波束赋形装置，所述装置包括：
导频信号发送单元，用于在每个预设时刻下，令基站和终端设备同时向RIS发送导频信号以使所述导频信号在所述RIS上发生电磁干涉产生相应的电磁场；
功率监测单元，用于利用每个RIS单元的功率传感器获取每个RIS单元所在位置处所述电磁场的功率；
最优相移矩阵确定单元，用于根据所有预设时刻对应获取的每个RIS单元所在位置处电磁场的功率确定所述RIS的最优相移矩阵，以便利用所述RIS的最优相移矩阵实现波束赋形。
第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所述基于RIS的波束赋形方法。
第四方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述基于RIS的波束赋形方法。
本发明提供的RIS的每个单元在传统RIS单元相移电路的基础上加装了一个功率传感器，在保留RIS单元对入射信号相位的调制功能的同时利用功率传感器获取RIS单元位置处的射频信号功率，为信道估计和波束赋形提供基础。
本发明提供的基于RIS的波束赋形方法和装置，首先，令基站和终端设备同时向RIS发送导频信号以使两个导频信号在RIS上相撞进行电磁干涉产生相应的电磁场；其次，因为电磁干涉产生的电磁场中隐含信道状态信息，因此利用每个RIS单元的功率传感器探测电磁场功率(即探测干涉条纹)；最后，利用电磁场功率进行信道状态信息估计确定RIS的最优相移矩阵，以便利用所述RIS的最优相移矩阵实现波束赋形。本发明设计了一种全新的波束赋形方法，使波束赋形所需的信道估计导频开销与RIS单元数无关，从而大幅度的降低波束赋形所需要的导频开销。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术提供的RIS结构示意图；
图2是本发明提供的RIS结构示意图；
图3是本发明提供的基于RIS的波束赋形方法流程图；
图4是本发明提供的RIS辅助的多天线系统说明图；
图5本发明提供的基于RIS的波束赋形装置结构图；
图6本发明提供的实现基于RIS的波束赋形方法的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合图2-图6描述本发明提供的一种RIS以及基于RIS的波束赋形方法和装置。
第一方面，如图2所示，本发明提供了一种RIS，所述RIS由众多以阵列方式排布的RIS单元组成；
所述RIS单元包括：相移电路和与所述相移电路并联的功率传感器；
其中，所述相移电路，用于调控相应RIS单元入射信号的相位；
所述功率传感器，用于感知相应RIS单元所在位置处电磁场的功率。
需要注意的是，功率传感器的目的是获取其所在位置处的射频信号功率大小，其实现方式包括但不限于功率传感器，即任何能够产生等价作用的硬件均可以替换本申请的功率传感器，例如电压传感器。
同样，RIS单元中的相移电路能够对入射信号的相位进行调控，其硬件上可有多种实现方式，包括但不限于基于变容二极管的相移电路，任何能起到等效相移作用的硬件结构均可以作为本申请相移电路的结构；同时本发明的相移电路主持多种调控精度，例如1比特调控、2比特调控等。
对于无源RIS来说，其只能被动地调整入射信号相位并反射，不具备信号感知或处理的功能，因此无法为信道估计和波束赋形提供有效信息。故而对于无源RIS的信道估计通常按照下述方式进行：
RIS辅助的MISO系统中，利用N单元RIS增强M天线基站(BS)到单天线终端设备的信号传输，且RIS的每个单元可以连续且独立地对入射信号进行相移控制。因此，RIS预编码矩阵可以表示为
Θ＝diag(θ)＝diag([θ1,…,θN]T)
其中，θn(n∈[N])表示第i个RIS单元的相移，满足|θn|＝1，|θi|表示复数θn的模，diag(·)是对角运算，[θ1,…,θN]T表示[θ1,…,θN]的转置。
因此，终端设备收到的信号可以被表示成：
Figure BDA0003559421040000081
其中，
Figure BDA0003559421040000082
表示从RIS到终端设备的传输信道；
Figure BDA0003559421040000083
表示从基站到RIS的传输信道；
Figure BDA0003559421040000084
表示基站波束赋形向量，满足||w||2 2≤Pmax，
Figure BDA0003559421040000085
表示传输给终端设备的归一化信号；
Figure BDA0003559421040000086
表示终端设备收到的加性高斯白噪声；Pmax表示基站M根天线最大发射功率之和，σz表示加性高斯白噪声的方差，‖.‖2表示w的2范数。
基于终端设备收到的信号，可以制定用于设计波束形成向量w和预编码矩阵的信噪比(SNR)最大化问题，即：
Figure BDA0003559421040000087
约束条件：C1：||w||2 2≤Pmax，
Figure BDA0003559421040000088
在本发明中，假设基站和RIS的位置不变，因此波束赋形的方案可以表示为
Figure BDA0003559421040000089
其中，a(α)表示相对于基站天线阵列的波偏离角α的阵列方向矢量，从基站到RIS的传输信道G又可以表示为G＝[g1,…,gN]T的形式，gn为M*1的列向量，
Figure BDA00035594210400000810
表示gn的转置，
Figure BDA00035594210400000811
表示fn的共轭，gn表示基站到第n个RIS单元的传输信道，fn表示第n个RIS单元到终端设备的传输信道。
对于波束赋形设计，我们先估计级联信道H＝diag(f*G)。为了准确地获取级联信道，通常由终端设备向基站发射P个不同的导频信号x，即x＝{x1,…xp},{x1,…xp}分别对应离散傅里叶变换(DFT)矩阵FN，K的前P列。由于信道的相互作用，第p个导频信号基站收到的信号可以表示为：
yBS，p＝GTΘpf*x+np＝HTθpx+np
其中
Figure BDA0003559421040000091
是基站收到的加性高斯白噪声，θp是第p个导频信号对应的RIS预编码矩阵。
因此，基站所收到的信号可以表示为：
YBS＝HTFN，kx+N
其冲，YBS＝[yBS，1，…，yBS，p]，N＝[n1，…，np]。
在给定接收信号YBS且假设x＝1的情况下，RIS辅助系统中的信道估计问题可以表示为：
Figure BDA0003559421040000092
取最小二乘解，有
Figure BDA0003559421040000093
则得到了系统的信道估计结果。从上述方法可以看出，当RIS单元规模数量增大时，需要消耗的需要消耗的导频开销和计算复杂度也急剧增大。
鉴于此，本发明对RIS硬件结构进行改进，在传统的RIS结构基础之上添加组件，从而RIS单元空间位置处射频信号的功率，进而便于通过与每个RIS单元相连接的处理器得到信道估计所需的信道相位信息，为波束赋形提供基础。
本发明提供的RIS的每个单元在传统RIS单元相移电路的基础上加装了一个功率传感器，在保留RIS单元对入射信号相位的调制功能的同时利用功率传感器获取RIS单元位置处的射频信号功率，为信道估计和波束赋形提供基础。
第二方面，如图3所示，本发明提供一种基于RIS的波束赋形方法，所述方法包括：
S11:在每个预设时刻下，令基站和终端设备同时向RIS发送导频信号以使所述导频信号在所述RIS上发生电磁干涉产生相应的电磁场；
干涉是各种波中最基本的物理现象，最著名的双缝光干涉中波叠加时产生的干涉条纹揭示了两条光路的相位差。对于如图4所示的RIS辅助的多天线系统，基于同样的思路，我们认为当两种射频电磁波在RIS上相遇时，也会出现同样的干涉现象，这种干涉现象产生的电磁场(IRF)会揭示信道状态信息(CSI)。因此本发明采用同步发射导频信号的方式产生信道状态信息(CSI)的电磁场，以便从电磁场中提取信道状态信息(CSI)。
S12:利用每个RIS单元的功率传感器获取每个RIS单元所在位置处所述电磁场的功率；
为了利用IRF进行信道估计，我们需要探测干涉条纹，即IRF的功率。
S13:根据所有预设时刻对应获取的每个RIS单元所在位置处电磁场的功率确定所述RIS的最优相移矩阵，以便利用所述RIS的最优相移矩阵实现波束赋形。
本发明在已知IRF功率的条件下设计了一种全新的波束赋形方法，使波束赋形所需的信道估计导频开销与RIS单元数无关，从而大幅度的降低波束赋形所需要的导频开销。
本发明提供的基于RIS的波束赋形方法，首先，令基站和终端设备同时向RIS发送导频信号以使两个导频信号在RIS上相撞进行电磁干涉产生相应的电磁场；其次，因为电磁干涉产生的电磁场中隐含信道状态信息，因此利用每个RIS单元的功率传感器探测电磁场功率(即探测干涉条纹)；最后，利用电磁场功率进行信道状态信息估计确定RIS的最优相移矩阵，以便利用所述RIS的最优相移矩阵实现波束赋形。本发明设计了一种全新的波束赋形方法，使波束赋形所需的信道估计导频开销与RIS单元数无关，从而大幅度的降低波束赋形所需要的导频开销。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述每个预设时刻为预设时序序列中的一个时刻；所述预设时序序列，具体用下述公式表示：
T＝{t0,…tl…,tL-1}
上式中，
Figure BDA0003559421040000111
L表示预设值，TS表示导频信号的周期；
为了挖掘信道状态信息(CSI)，我们需要对从功率传感器检测到的功率信号进行足够的观测。为了简单且不失一般性，我们可以设定一个值L，将导频信号的周期进行等间隔划分，以选定发送导频信号的时刻。
所述基站向RIS发送导频信号满足下述约束：
S(tl)＝S
上式中，S(tl)表示预设时刻tl基站向RIS发送的导频信号，S表示初始导频信号；
所述终端设备向RIS发送导频信号满足下述约束：
Figure BDA0003559421040000112
上式中，
Figure BDA0003559421040000113
S′(tl)表示预设时刻tl终端设备向RIS发送的导频信号，ψ(tl)表示预设时刻tl对应的相位偏移值。
乍一看，在没有相位信息的情况下仅使用功率信号来实现波束赋形似乎不切实际。通常，只有振幅信号的信号处理称为非相干检测，RIS波束形成的目标是增强终端设备处的信号，因此需要在终端设备天线处进行相干信号合成。故而，对于非相干检测，相位信息的缺乏似乎使波束形成变得不可能。幸运的是，这种物理现象的干扰使得将相位差转换为强度差成为可能，从而使非相干器件能够用于相干检测。
为了阐明这个观点，我们只考虑了一个RIS元素，如果我们允许基站和用户同时发射电磁波，那么每个RIS单元上都会出现干涉现象。然而，基站和终端设备发射的相同载波频率的导频信号在RIS上会产生稳定的干涉条纹，它不携带有关信道的信息。相比之下，让终端设备处导频信号的载波频率比基站处导频信号的载波频率略高，使得IRF功率在时间上变化，反而能从变化的IRF功率信号中提取期望的CSI。例如设定基站发送的导频信号为固定符号，终端设备发送的导频信号幅度与固定符号相同且相位随时间匀速变化(即设定终端设备处的导频信号
Figure BDA0003559421040000121
基站处的导频信号S(tl)＝S)，以使RIS上形成了一种随时间变化的时域干涉场，这样从随时间变化的时域干涉场就可以提取期望的CSI。
需要说明的是，由于干涉条纹对整体相位变化不敏感，我们可以安全地假设S＝1，然后终端设备向RIS发送的导频信号与基站向RIS发送的导频信号之间的相对相位可以完全由时变相位函数ψ(t)表征。
本实施例对预设时刻，基站向RIS发送的导频信号以及终端设备向RIS发送的导频信号进行了简单规定，以减少波速赋形的运算量。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述根据所有预设时刻对应获取的每个RIS单元所在位置处电磁场的功率，确定所述RIS的最优相移矩阵，包括：
根据预存的电磁场功率表达式以及所有预设时刻对应获取的每个RIS单元所在位置处电磁场的功率，并采用求解算法得到基站与每个RIS单元之间的信道和每个RIS单元与终端设备之间的信道的相位差；
基于所述相位差，确定每个RIS单元的最优相移；
根据每个RIS单元的最优相移，生成所述RIS的最优相移矩阵；
其中，所述电磁场功率表达式，是电磁场功率关于基站与RIS单元之间的信道和RIS单元与终端设备之间的信道的相位差的函数。
需要注意的是，在计算每个RIS单元对应的相位差和最优相移时是相互独立的，因此若对其中每一个配备微处理器采用并行计算，算法的时间复杂度与RIS单元数量无关的，消耗的导频开销也是与RIS单元数量无关的(因为无论RIS的单元数为多少，RIS上各单元的干涉现象总是同时出现的)；若仅配备一个微处理器，算法的时间复杂度与RIS单元数量有关，但消耗的导频开销仍然与RIS单元数量无关。
本发明原理是通过检测每个RIS单元测得的功率值估计从基站到RIS的信道及从RIS到终端设备的信道之间相位差，进而得出RIS的最优相移矩阵，实现波束赋形。有别于现有的波束赋形方法，本发明基于所提RIS结构的波束赋形算法所需的信道估计导频开销与RIS单元数无关，有效克服了大规模RIS场景下导频开销急剧增加的难题，这一点已从理论分析和仿真结果上得到验证。同时本发明还设计了三种用于相位差的求解算法以佐证方案的实用性。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，在初始导频信号S＝1的情况下，所述电磁场功率表达式，具体用下述公式表示：
Figure BDA0003559421040000131
上式中，
Figure BDA0003559421040000132
Figure BDA0003559421040000133
Pn(tl)表示预设时刻tl第n个RIS单元所在位置处电磁场的功率，A表示功率传感器的放大倍数，En,BB，IRF(tl)表示预设时刻tl第n个RIS单元处电磁场的信号，ξ表示对电磁场功率进行数字信号处理引入的噪声，ψ(tl)表示预设时刻tl对应的相位偏移值，
Figure BDA0003559421040000141
表示基站与第n个RIS单元之间的信道和第n个RIS单元与终端设备之间的信道的相位差，Re表示实部，v′*(tl)表示v′(tl)的共轭，v*(tl)表示v(tl)的共轭，v(tl)表示预设时刻tl电磁场的加性高斯白噪声，
Figure BDA0003559421040000142
表示gn的转置，
Figure BDA0003559421040000143
表示fn的共轭，gn表示基站到第n个RIS单元的传输信道，fn表示第n个RIS单元到终端设备的传输信道，W表示基站的波束赋形向量，n∈(1～N)，N表示RIS中RIS单元数量。
电磁场功率表达式的推导过程如下：
令终端设备和基站同时向RIS发射导频信号，则在RIS上产生电磁干涉场。为进行信道估计，我们给定预设时刻tl终端设备发送的导频信号
Figure BDA0003559421040000144
基站发送的导频信号S(tl)＝S，S＝1，那么预设时刻tl第n个RIS单元上的基带等效信号用En，BB(tl)表示；
而预设时刻tl第n个RIS单元所对应的通带信号为
Figure BDA0003559421040000145
其中，ωc＝2πfc，ωc为载波频率，fc为载波角频率，系数
Figure BDA0003559421040000146
确保通带信号与基带信号的能量相等，即
Figure BDA0003559421040000147
因此，取基带信号的平方就相当于计算物理电磁信号的功率。
现在我们考虑IRF情况，其为BS-RIS信号、终端设备-RIS信号和噪声信号的叠加，即预设时刻tl第n个RIS单元上的IRF信号可表示为：
Figure BDA0003559421040000148
因为
Figure BDA0003559421040000151
表示复杂的基站-第n个RIS单元信号，
Figure BDA0003559421040000152
表示复杂的终端设备-第n个RIS单元信号，定义α和β分别表示
Figure BDA0003559421040000153
和
Figure BDA0003559421040000154
的振幅，即
Figure BDA0003559421040000155
因此，基站到第n个RIS之间信道与第n个RIS到终端设备之间信道的相移差
Figure BDA0003559421040000156
在初始导频信号S＝1的情况下所述电磁场功率为：
Figure BDA0003559421040000157
需要说明的是，为简化表述，本实施例给定的电磁场功率表达式是以S＝1为条件的，但是并不代表S＝1是必然的，技术人员完全由能力按照上述推导过程推导出S≠1情况下对应的电磁场功率表达式。
本发明给定符合物理现象的电磁场功率表达式，以表述电磁场功率以及基站与RIS单元之间的信道和RIS单元与终端设备之间的信道的相位差这两者之间的相互关系，为基站与RIS单元之间的信道和RIS单元与终端设备之间的信道的相位差的求解提供基础。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述基于所述相位差，确定每个RIS单元的最优相移，包括：
根据基站和RIS的空间几何关系估计基站与每个RIS单元之间的信道相位；
可以理解，第n个RIS单元的最佳相移与基站与第n个RIS单元之间的信道和第n个RIS单元与终端设备之间的信道的相位和(即等于
Figure BDA0003559421040000158
)相关，因此在给定相位差
Figure BDA0003559421040000159
Figure BDA0003559421040000161
的情况下，只需要获得
Figure BDA0003559421040000162
或
Figure BDA0003559421040000163
中的一个就可以进行最优的RIS波束形成。虽然通常很难获得
Figure BDA0003559421040000164
或
Figure BDA0003559421040000165
但是由于BS和RIS安装在固定的位置，有理由假设
Figure BDA0003559421040000166
比
Figure BDA0003559421040000167
更稳定和可预测，因此，在我们的算法中，可以假设
Figure BDA0003559421040000168
时可得到的，且值与由几何参数决定，即BS和RIS的位置决定。
基于所述相位差和所述基站与每个RIS单元之间的信道相位确定每个RIS单元的最优相移；
其中，所述基站与第n个RIS单元之间的信道相位Ψn即为
Figure BDA0003559421040000169
本发明通过合理的设计，能计算得到每个RIS单元的最优相移，为基于RIS的波束赋形提供了准确数据。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述求解算法，包括：傅里叶变换法、冯·米塞斯-最大期望算法和牛顿-最大似然估计法；
所述每个RIS单元的最优相移，具体用下述公式表示：
Figure BDA00035594210400001610
式中，θn表示第n个RIS单元的最优相移，
Figure BDA00035594210400001611
表示基站与第n个RIS单元之间的信道和第n个RIS单元与终端设备之间的信道的相位差，Ψn表示基站与第n个RIS单元之间的信道相位。
在本发明中，最重要也最困难的部分是求出相位差
Figure BDA00035594210400001612
下面对3种求解算法进行详细介绍：
第一种：傅里叶变换法；
对于任一个RIS单元，由于干涉产生的功率信号Pn(tl)以简谐波形式呈现，因此使用傅里叶变换可以直接获取其相位。对离散时间观测得到的功率信号P[t0]，…，P[tL-1]做L个点的离散傅里叶变换：
Figure BDA00035594210400001613
特别地，当l＝l时，对于基波的复振幅p[l]，有
Figure BDA0003559421040000171
因此，可以得到相位估计
Figure BDA0003559421040000172
根据得到的相位差
Figure BDA0003559421040000173
即可完成对RIS相移矩阵Θ的估计，因此完成信道估计与波束赋形。需要注意，对于高斯噪声此方法是理想的，但噪声模型中含有高斯噪声的平方项，而在求解时将其忽略了，势必会造成一定程度的估计不准确。
第二种：牛顿-最大似然估计法；
对于噪声场，有
Figure BDA0003559421040000174
传感器的功率噪声，有
Figure BDA0003559421040000175
则Sn(tl)：＝A|En，BB，IRF(tl)|2满足自由度k＝2的非中心卡方分布
Figure BDA0003559421040000176
Figure BDA0003559421040000177
Figure BDA0003559421040000178
因此，传感器的输出信号功率可以表示成
Pn(tl)＝A((v′R+μn，R)2+(v′I+μn，l)2)+ζ
定义非中心参数λn(tl)，有
Figure BDA0003559421040000179
则根据非中心卡方分布的定义，Sn(tl)的概率分布函数可以由零阶修饰的贝塞尔函数给出
Figure BDA0003559421040000181
根据第n个RIS单元在tl时刻的观测数据
Figure BDA0003559421040000182
有
Figure BDA0003559421040000183
因此，可以直接以牛顿迭代法求相位差
Figure BDA0003559421040000184
的估计值
Figure BDA0003559421040000185
需要说明的是，I0(。)表示的是0阶Bessel修饰函数，v′R(tl)表示v′(tl)的实部，v′I(tl)表示v′(tl)的虚部。
以牛顿迭代法作用于最大似然估计法中，收敛情况下得到的解是渐进准确的。但由于涉及了特殊函数的计算(如以上的修饰贝塞尔函数)，计算复杂度偏高。
第三种：冯·米塞斯-最大期望算法；
Figure BDA0003559421040000186
对随机噪声进行估计：
令
Figure BDA0003559421040000187
Figure BDA0003559421040000191
由于
Figure BDA0003559421040000192
均相互独立，则对于θn(tl)，有
Figure BDA0003559421040000193
因此，可以通过最大似然估计的方法得到
Figure BDA0003559421040000194
在得到中间变量
Figure BDA0003559421040000195
后，根据贝叶斯规则，可以得到
Figure BDA0003559421040000196
因此，可以通过以上两个式子迭代修正
Figure BDA0003559421040000197
的精确度。在以上最大期望迭代算法中，无需计算复杂的修饰贝塞尔函数，使得计算简化。以下给出冯·米塞斯-最大期望算法的具体步骤：
1.计算
Figure BDA0003559421040000198
2.计算
Figure BDA0003559421040000199
3.κ＝1；
4.计算
Figure BDA00035594210400001910
5.计算
Figure BDA00035594210400001911
6.计算
Figure BDA00035594210400001912
7.计算
Figure BDA00035594210400001913
8.计算
Figure BDA0003559421040000201
9.重复步骤4～8，直至
Figure BDA0003559421040000202
足够精确。
在得到相位差
Figure BDA0003559421040000203
的估计值后，即得到RIS的相移矩阵Θ，完成信道估计及波束赋形。
傅里叶变换法、牛顿-最大似然估计算法及冯·米塞斯-最大期望算法中，傅里叶变换法计算简单，但由于其对噪声的处理不佳，影响算法效果；牛顿-最大似然估计算法在收敛条件下是渐进精确的，但其涉及到复杂的特殊函数(修饰贝塞尔函数)的计算，导致计算较为复杂；冯·米塞斯-最大期望算法，该算法在保证精度的情况下避免了对复杂函数的计算，提出了准确而高效的方案。相比于傅里叶变换法，冯·米塞斯-最大期望算法有更高的精确度，接近牛顿-最大似然估计算法。
第三方面，对本发明提供的基于RIS的波束赋形装置进行描述，下文描述的基于RIS的波束赋形装置与上文描述的基于RIS的波束赋形方法可相互对照。图5示例了基于RIS的波束赋形装置的结构示意图，如图5所示，该装置包括：
导频信号发送单元21，用于在每个预设时刻下，令基站和终端设备同时向RIS发送导频信号以使所述导频信号在所述RIS上发生电磁干涉产生相应的电磁场；
功率监测单元22，用于利用每个RIS单元的功率传感器获取每个RIS单元所在位置处所述电磁场的功率；
最优相移矩阵确定单元23，用于根据所有预设时刻对应获取的每个RIS单元所在位置处电磁场的功率确定所述RIS的最优相移矩阵，以便利用所述RIS的最优相移矩阵实现波束赋形。
本发明提供的基于RIS的波束赋形装置，首先，令基站和终端设备同时向RIS发送导频信号以使两个导频信号在RIS上相撞进行电磁干涉产生相应的电磁场；其次，因为电磁干涉产生的电磁场中隐含信道状态信息，因此利用每个RIS单元的功率传感器探测电磁场功率(即探测干涉条纹)；最后，利用电磁场功率进行信道状态信息估计确定RIS的最优相移矩阵，以便利用所述RIS的最优相移矩阵实现波束赋形。本发明设计了一种全新的波束赋形方法，使波束赋形所需的信道估计导频开销与RIS单元数无关，从而大幅度的降低波束赋形所需要的导频开销。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述每个预设时刻为预设时序序列中的一个时刻；所述预设时序序列，具体用下述公式表示：
T＝{t0，…tl…，tL-1}
上式中，
Figure BDA0003559421040000211
L表示预设值，TS表示导频信号的周期；
所述基站向RIS发送导频信号满足下述约束：
S(tl)＝S
上式中，S(tl)表示预设时刻tl基站向RIS发送的导频信号，S表示初始导频信号；
所述终端设备向RIS发送导频信号满足下述约束：
Figure BDA0003559421040000212
上式中，
Figure BDA0003559421040000213
S′(tl)表示预设时刻tl终端设备向RIS发送的导频信号，ψ(tl)表示预设时刻tl对应的相位偏移值。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述最优相移矩阵确定单元，包括：
相位差计算单元，用于根据预存的电磁场功率表达式以及所有预设时刻对应获取的每个RIS单元所在位置处电磁场的功率，并采用求解算法得到基站与每个RIS单元之间的信道和每个RIS单元与终端设备之间的信道的相位差；
最优相移计算单元，用于基于所述相位差，确定每个RIS单元的最优相移；
最优相移矩阵生成单元，用于根据每个RIS单元的最优相移，生成所述RIS的最优相移矩阵；
其中，所述电磁场功率表达式，是电磁场功率关于基站与RIS单元之间的信道和RIS单元与终端设备之间的信道的相位差的函数。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，在初始导频信号S＝1的情况下，所述电磁场功率表达式，具体用下述公式表示：
Figure BDA0003559421040000221
上式中，
Figure BDA0003559421040000222
Figure BDA0003559421040000223
Pn(tl)表示预设时刻tl第n个RIS单元所在位置处电磁场的功率，A表示功率传感器的放大倍数，En，BB，IRF(tl)表示预设时刻tl第n个RIS单元处电磁场的信号，ξ表示对电磁场功率进行数字信号处理引入的噪声，ψ(tl)表示预设时刻tl对应的相位偏移值，
Figure BDA0003559421040000224
表示基站与第n个RIS单元之间的信道和第n个RIS单元与终端设备之间的信道的相位差，Re表示实部，
Figure BDA0003559421040000225
表示v′(tl)的共轭，v*(tl)表示v(tl)的共轭，v(tl)表示预设时刻tl电磁场的加性高斯白噪声，
Figure BDA0003559421040000226
表示gn的转置，
Figure BDA0003559421040000227
表示fn的共轭，gn表示基站到第n个RIS单元的传输信道，fn表示第n个RIS单元到终端设备的传输信道，W表示基站的波束赋形向量，n∈(1～N)，N表示RIS中RIS单元数量。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述最优相移计算单元，包括：
信道相位估计子单元，用于根据基站和RIS的空间几何关系估计基站与每个RIS单元之间的信道相位；
最优相移确定子单元，用于基于所述相位差和所述基站与每个RIS单元之间的信道相位确定每个RIS单元的最优相移；
其中，所述基站与第n个RIS单元之间的信道相位Ψn即为
Figure BDA0003559421040000231
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述求解算法，包括：傅里叶变换法、冯·米塞斯-最大期望算法和牛顿-最大似然估计法；
所述每个RIS单元的最优相移，具体用下述公式表示：
Figure BDA0003559421040000232
式中，θn表示第n个RIS单元的最优相移，
Figure BDA0003559421040000233
表示基站与第n个RIS单元之间的信道和第n个RIS单元与终端设备之间的信道的相位差，Ψn表示基站与第n个RIS单元之间的信道相位。
第四方面，图6示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)610、通信接口(Communications Interface)620、存储器(memory)630和通信总线640，其中，处理器610，通信接口620，存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的逻辑指令，以执行基于RIS的波束赋形方法，所述方法包括：在每个预设时刻下，令基站和终端设备同时向RIS发送导频信号以使所述导频信号在所述RIS上发生电磁干涉产生相应的电磁场；利用每个RIS单元的功率传感器获取每个RIS单元所在位置处所述电磁场的功率；根据所有预设时刻对应获取的每个RIS单元所在位置处电磁场的功率确定所述RIS的最优相移矩阵，以便利用所述RIS的最优相移矩阵实现波束赋形。
此外，上述的存储器630中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
第五方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的基于RIS的波束赋形方法，所述方法包括：在每个预设时刻下，令基站和终端设备同时向RIS发送导频信号以使所述导频信号在所述RIS上发生电磁干涉产生相应的电磁场；利用每个RIS单元的功率传感器获取每个RIS单元所在位置处所述电磁场的功率；根据所有预设时刻对应获取的每个RIS单元所在位置处电磁场的功率确定所述RIS的最优相移矩阵，以便利用所述RIS的最优相移矩阵实现波束赋形。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种RIS，其特征在于，所述RIS由众多以阵列方式排布的RIS单元组成；
所述RIS单元包括：相移电路和与所述相移电路并联的功率传感器；
其中，所述相移电路，用于调控相应RIS单元入射信号的相位；
所述功率传感器，用于感知相应RIS单元所在位置处电磁场的功率。
2.一种基于RIS的波束赋形方法，其特征在于，所述方法包括：
在每个预设时刻下，令基站和终端设备同时向RIS发送导频信号以使所述导频信号在所述RIS上发生电磁干涉产生相应的电磁场；
利用每个RIS单元的功率传感器获取每个RIS单元所在位置处所述电磁场的功率；
根据所有预设时刻对应获取的每个RIS单元所在位置处电磁场的功率确定所述RIS的最优相移矩阵，以便利用所述RIS的最优相移矩阵实现波束赋形。
3.根据权利要求2所述的基于RIS的波束赋形方法，其特征在于，所述每个预设时刻为预设时序序列中的一个时刻；所述预设时序序列，具体用下述公式表示：
T＝{t0,…tl…,tL-1}
上式中，
Figure FDA0003559421030000011
L表示预设值，TS表示导频信号的周期；
所述基站向RIS发送导频信号满足下述约束：
S(tl)＝S
上式中，S(tl)表示预设时刻tl基站向RIS发送的导频信号，S表示初始导频信号；
所述终端设备向RIS发送导频信号满足下述约束：
Figure FDA0003559421030000021
上式中，
Figure FDA0003559421030000022
S′(tl)表示预设时刻tl终端设备向RIS发送的导频信号，ψ(tl)表示预设时刻tl对应的相位偏移值。
4.根据权利要求3所述的基于RIS的波束赋形方法，其特征在于，所述根据所有预设时刻对应获取的每个RIS单元所在位置处电磁场的功率，确定所述RIS的最优相移矩阵，包括：
根据预存的电磁场功率表达式以及所有预设时刻对应获取的每个RIS单元所在位置处电磁场的功率，并采用求解算法得到基站与每个RIS单元之间的信道和每个RIS单元与终端设备之间的信道的相位差；
基于所述相位差，确定每个RIS单元的最优相移；
根据每个RIS单元的最优相移，生成所述RIS的最优相移矩阵；
其中，所述电磁场功率表达式，是电磁场功率关于基站与RIS单元之间的信道和RIS单元与终端设备之间的信道的相位差的函数。
5.根据权利要求4所述的基于RIS的波束赋形方法，其特征在于，在初始导频信号S＝1的情况下，所述电磁场功率表达式，具体用下述公式表示：
Figure FDA0003559421030000023
上式中，
Figure FDA0003559421030000024
Figure FDA0003559421030000025
Pn(tl)表示预设时刻tl第n个RIS单元所在位置处电磁场的功率，A表示功率传感器的放大倍数，En,BB，IRF(tl)表示预设时刻tl第n个RIS单元处电磁场的信号，ξ表示对电磁场功率进行数字信号处理引入的噪声，ψ(tl)表示预设时刻tl对应的相位偏移值，
Figure FDA0003559421030000031
表示基站与第n个RIS单元之间的信道和第n个RIS单元与终端设备之间的信道的相位差，Re表示实部，v′*(tl)表示v′(tl)的共轭，v*(tl)表示v(tl)的共轭，v(tl)表示预设时刻tl电磁场的加性高斯白噪声，
Figure FDA0003559421030000032
表示gn的转置，
Figure FDA0003559421030000033
表示fn的共轭，gn表示基站到第n个RIS单元的传输信道，fn表示第n个RIS单元到终端设备的传输信道，W表示基站的波束赋形向量，n∈(1～N),N表示RIS中RIS单元数量。
6.根据权利要求5所述的基于RIS的波束赋形方法，其特征在于，所述基于所述相位差，确定每个RIS单元的最优相移，包括：
根据基站和RIS的空间几何关系估计基站与每个RIS单元之间的信道相位；
基于所述相位差和所述基站与每个RIS单元之间的信道相位确定每个RIS单元的最优相移；
其中，所述基站与第n个RIS单元之间的信道相位Ψn即为
Figure FDA0003559421030000034
7.根据权利要求6所述的基于RIS的波束赋形方法，其特征在于，所述求解算法，包括：傅里叶变换法、冯·米塞斯-最大期望算法和牛顿-最大似然估计法；
所述每个RIS单元的最优相移，具体用下述公式表示：
Figure FDA0003559421030000035
式中，θn表示第n个RIS单元的最优相移，
Figure FDA0003559421030000036
表示基站与第n个RIS单元之间的信道和第n个RIS单元与终端设备之间的信道的相位差，Ψn表示基站与第n个RIS单元之间的信道相位。
8.一种基于RIS的波束赋形装置，其特征在于，所述装置包括：
导频信号发送单元，用于在每个预设时刻下，令基站和终端设备同时向RIS发送导频信号以使所述导频信号在所述RIS上发生电磁干涉产生相应的电磁场；
功率监测单元，用于利用每个RIS单元的功率传感器获取每个RIS单元所在位置处所述电磁场的功率；
最优相移矩阵确定单元，用于根据所有预设时刻对应获取的每个RIS单元所在位置处电磁场的功率确定所述RIS的最优相移矩阵，以便利用所述RIS的最优相移矩阵实现波束赋形。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求2至7任一项所述基于RIS的波束赋形方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求2至7任一项所述基于RIS的波束赋形方法。
CN202210289071.2A 2022-03-22 2022-03-22 一种ris以及基于ris的波束赋形方法和装置 Pending CN114785391A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210289071.2A CN114785391A (zh) 2022-03-22 2022-03-22 一种ris以及基于ris的波束赋形方法和装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210289071.2A CN114785391A (zh) 2022-03-22 2022-03-22 一种ris以及基于ris的波束赋形方法和装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114785391A true CN114785391A (zh) 2022-07-22

Family

ID=82424388

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210289071.2A Pending CN114785391A (zh) 2022-03-22 2022-03-22 一种ris以及基于ris的波束赋形方法和装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114785391A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115732937A (zh) * 2022-12-08 2023-03-03 清华大学 基于集中放大架构的有源智能超表面天线
CN115941001A (zh) * 2022-11-10 2023-04-07 浙江辰时科技集团有限公司 一种基于mimo系统的信息传输收发装置、系统和方法
WO2024027945A1 (en) * 2022-08-01 2024-02-08 NEC Laboratories Europe GmbH Reconfigurable intelligent surface, ris, with sensing capabilities and method for operating the same

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024027945A1 (en) * 2022-08-01 2024-02-08 NEC Laboratories Europe GmbH Reconfigurable intelligent surface, ris, with sensing capabilities and method for operating the same
CN115941001A (zh) * 2022-11-10 2023-04-07 浙江辰时科技集团有限公司 一种基于mimo系统的信息传输收发装置、系统和方法
CN115941001B (zh) * 2022-11-10 2023-09-19 浙江辰时科技集团有限公司 基于mimo系统的信息传输收发装置、系统、方法和存储介质
CN115732937A (zh) * 2022-12-08 2023-03-03 清华大学 基于集中放大架构的有源智能超表面天线
CN115732937B (zh) * 2022-12-08 2023-11-07 清华大学 基于集中放大架构的有源智能超表面天线

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114785391A (zh) 一种ris以及基于ris的波束赋形方法和装置
Noroozi et al. Algebraic solution for three‐dimensional TDOA/AOA localisation in multiple‐input–multiple‐output passive radar
Du et al. Integrated sensing and communications for V2I networks: Dynamic predictive beamforming for extended vehicle targets
CN111010219A (zh) 可重构智能表面辅助的多用户mimo上行链路传输方法
Luan et al. Phase design and near-field target localization for RIS-assisted regional localization system
Dai et al. Non-uniform burst-sparsity learning for massive MIMO channel estimation
CN106059640B (zh) 一种基于QoS的VLC保密通信系统发射端设计方法
CN108512787B (zh) 大规模mimo系统的超精细信道估计方法
CN109831233B (zh) 一种多小区协调大规模mimo波束域多播功率分配方法
WO2022165872A1 (zh) 一种针对毫米波3d mimo信道的路径参数提取方法
Khan et al. A robust channel estimation scheme for 5G massive MIMO systems
CN104539340A (zh) 一种基于稀疏表示和协方差拟合的稳健波达角估计方法
Zhao et al. Robust beamspace design for direct localization
CN109039403A (zh) 大规模mimo系统中基于冗余字典的下行链路信道估计方法
Ronquillo et al. Sequential learning of CSI for mmWave initial alignment
CN110430147B (zh) 一种面向fdd系统的信道跟踪方法
Wang et al. Joint localization and communication study for intelligent reflecting surface aided wireless communication system
Guo et al. Bistatic MIMO DFRC system waveform design via Fractional programming
D'Amico et al. DFT-based channel estimation for holographic MIMO
Lee et al. A novel location estimation based on pattern matching algorithm in underwater environments
CN115079090A (zh) 基于esprit与加权降维搜索的多阵列非圆源快速定位方法
Shi et al. Weighted direct position determination via the dimension reduction method for noncircular signals
Zhang et al. Non-circular signal DOA estimation based on coprime array MIMO radar
WO2017049914A1 (zh) 一种终端定位方法、装置及系统
CN113839696A (zh) 一种在线鲁棒的分布式多小区大规模mimo预编码方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination