CN115038121B - Ris辅助通信系统的半静态相位设计方法、系统及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法、系统及介质，其中方法包括：建立RIS辅助链路的信道模型；探究RIS不同场景中的工作模式，分析RIS在不同场景中的相位设计需求；根据RIS的覆盖范围需求和信道模型，对RIS元表面进行分组，利用波束展宽技术设计每个组元表面的相位补偿；通过增加元表面的个数对波束展宽造成的增益损失进行补偿。本发明根据室内的覆盖范围要求和用户数据传输速率要求，利用波束展宽技术，合理设计了子阵列的相位，为移动的用户终端提供了较为稳定的链路支持。本发明可广泛应用于无线通信优化技术领域。

Description

RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法、系统及介质

技术领域

本发明涉及无线通信优化技术领域，尤其涉及一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法、系统及介质。

背景技术

RIS功能简单，结构精简，易于部署，反射面的大小和形状都可以根据实际需求进行设计，可以部署在建筑物外墙、天花板、工厂内部、窗户、车顶甚至着装上。RIS作为6G通信系统中一种很有前途的技术方案，对于部署在不同的应用场景，主要有如下三种工作模式：静态波束覆盖，半静态波束覆盖，动态波束成形。对于静态波束覆盖的工作模式，显著的问题是信号覆盖范围较小，此时RIS作为无源反射面，未进行相位设计；动态波束成形的模式下，波束需要实时跟踪移动用户，且不断的调整优化相位和基站功率，实际应用中信道估计复杂，系统开销大。在一些特定的室内环境下，半静态波束覆盖的模式则可以为无超高传输速率要求的移动用户提供稳定的链路支持，并且不会增加控制开销，可用于一些特定的通信场景。但目前针三种模式在室内场景中，尚缺少对应的部署设计方案。

术语解释：

可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)：RIS技术是一项实现无线传输网络中无线信号优化的技术，RIS由大量低成本的无源反射元件构成，可以通过调整信号反射的相位/振幅，从而智能化的配置无线传播环境以提高通信系统性能。

半静态：RIS的元表面相位根据工作需要进行设计，通常固定之后波束方向也随之固定，无需实时调节相位，也无法针对用户进行波束成形。相位可根据工作状态的改变的重新设计。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法、系统及介质。

本发明所采用的技术方案是：

一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法，包括以下步骤：

建立RIS辅助链路的信道模型；

探究RIS不同场景中的工作模式，分析RIS在不同场景中的相位设计需求；

根据RIS的覆盖范围需求和信道模型，对RIS元表面进行分组，利用波束展宽技术设计每个组元表面的相位补偿；

通过增加元表面的个数对波束展宽造成的增益损失进行补偿。

进一步地，所述信道模型的表达式为：

其中，P_r为接收功率，P_t为发送功率，G_t，G_r，G_u分别代表发射天线增益，接收天线增益和单元反射增益，d_xd_y表示单元尺寸，d₁，d₂分别代表发射机-RIS的距离及RIS-接收机的距离，θ_t、φ_t分别为入射信号的俯仰角和方位角，θ_r、φ_r分别为出射信号的俯仰角和方位角，g₁，g₂表示可重构智能表面的第g₁行，第g₂列；为功率的辐射模式，为RIS单元反射系数；G为RIS元表面个数，G₁，G₂分别代表RIS在Y和X方向上的元表面个数。

进一步地，RIS部署在室内墙壁或天花板顶部，所述分析RIS在不同场景中的相位设计需求，包括：

当RIS工作于静态波束覆盖模式，作为无源反射面，所有RIS元表面相位补偿恒定；

当RIS工作于动态波束成形模式，实时优化RIS元表面的相位，使RIS的无源波束成形，以向移动的用户终端持续提供链路支持；

针对预设传输速率要求下的场景中，结合静态波束覆盖模式和动态波束成形模式两种工作模式，对RIS的无源反射面进行相位设计：一方面使得数据传输速率满足用户终端的最低要求，另一方面是能为移动的用户终端提供稳定的反射链路支持，无需实时进行相位优化。

进一步地，当RIS工作于静态波束覆盖模式，若用户终端处在使得信号入射角与出射角相等的位置时，用户终端获得较大的性能增益。

进一步地，所述RIS拥有G个元表面，呈正方形结构，分为G₁列，G₂行；将G₁列划分为Q_x个子区域，用Q_xq表示，每个区域有τ_x＝G/Q_x个元表面，Q_x＝1，2，...，G₁；将G₂列划分为Q_y个子区域，用Q_yq表示，每个区域有τ_y＝G/Q_y个元表面，Q_y＝1，2，...，G₂。

进一步地，所述根据RIS的覆盖范围需求和信道模型，对RIS元表面进行分组，利用波束展宽技术设计每个组元表面的相位补偿，包括：

获取信道模型的增益，结合增益和波束展宽技术，对RIS上的各个区域的子阵列进行相位补偿，以牺牲增益的方式来提高覆盖范围，从而满足用户终端在整个移动范围内能得到相对稳定的链路支持。

进一步地，所述信道模型的增益β利用基站-RIS-用户终端的相对位置关系构建表示，具体表达式如下：

式中，G₁，G₂分别代表RIS在Y和X方向上的元表面个数，θ_t、φ_t分别为入射信号的俯仰角和方位角，θ_r、φ_r分别为出射信号的俯仰角和方位角，d_xd_y表示单元尺寸，λ表示信号波长。

进一步地，所述对RIS上的各个区域的子阵列进行相位补偿，包括：

将RIS的总相位补偿拆解为X方向和Y方向的ε_x和ε_y，令阵列增益β的第一项和第二项分别为S₁，S₂，β＝S₁·S₂，对不同区域Q_xq，Q_yq的元表面进行不同的相位设计：

令v_q＝sinθ_tcosφ_t+sinθ_rcosφ_r，

其中，X方向的相位补偿如下：

根据用户在室内环境中可能的位置变化获得出射角度θ_r，φ_r的波动范围，求解ψ(θ，φ)＝(sinθ_tcosφ_t+sinθ_rcosφ_r)的上界和下界v_max，v_min；

总覆盖范围受到子阵列数量Q_x和元表面个数G₁的影响，必须满足(Q_x-1)Δ_s-a≥v_max-v_min，才能满足用户在整个移动范围内能得到相对稳定的链路支持，根据移动用户的覆盖范围，设计位相ε_xq如下：

公式(1)中的设计总能使得v_q在某个子阵列Q_xq的波束覆盖区间内。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计系统，包括：

模型构建模块，用于建立RIS辅助链路的信道模型；

需求分析模块，用于探究RIS不同场景中的工作模式，分析RIS在不同场景中的相位设计需求；

相位补偿模块，用于根据RIS的覆盖范围需求和信道模型，对RIS元表面进行分组，利用波束展宽技术设计每个组元表面的相位补偿；

增益补偿模块，用于通过增加元表面的个数对波束展宽造成的增益损失进行补偿。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计系统，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如上所述方法。

本发明的有益效果是：本发明根据室内的覆盖范围要求和用户数据传输速率要求，利用波束展宽技术，合理设计了子阵列的相位，为移动的用户终端提供了较为稳定的链路支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例中RIS反射示意图；

图3是本发明实施例中RIS的几种应用场景的示意图；

图4是本发明实施例中RIS辅助的链路系统性能分布示意图；

图5是本发明实施例中波束展宽示意图；

图6是本发明实施例中RIS元表面结构扩充；

图7是本发明实施例中三种方案的相位设计对比图；

图8是本发明实施例中不同元表面个数补偿传输速率VS用户坐标示意图；

图9是本发明实施例中不同设计参数下的传输速率对比图；

图10是本发明实施例中多个RIS进行部署的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

现有第一技术方案提出一种新的基于空中RIS(ARIS)的三维(3D)无线系统架构，覆盖范围灵活。通过联合优化源节点的发射波束成形，以及AIRS的放置和三维被动波束成形最大化目标区域所有位置的最坏情况信噪比(SNR)。但是，该方案基于高空部署优化，主要面向室外开阔环境，不太适用于室内RIS的部署位置优化，且采用的信道模型未考虑辐射模式因素。

现有第二技术方案，在对RIS辅助的通信网络部署问题的研究中发现，将RIS作为无源反射面时(所有元表面相位固定，可以调整物理倾角)，在一定范围内的用户可以获得相当高的信道增益。而对于RIS作为可重构智能表面进行相位补偿后则可以覆盖较大范围的用户群体。但是，该方案未结合RIS作为可重构智能表面和作为无源反射面各自的优点，对固定位置部署的RIS进行相位设计。

为了克服现有技术中存在的不足，本发明实施例提供一种基于RIS辅助的下行通信系统的半静态波束成形相位设计。对于一些常见的室内场景，通过RIS起到补盲/扩大覆盖范围的作用，且通过合理设计相位补偿，面对在覆盖范围内移动的用户，利用波束展宽技术，无需实时调整RIS元表面的相位补偿，就可以为移动的用户提供相对稳定的反射链路支持。结合RIS作为无源反射面和可重构智能表面的优势，大大简化RIS辅助的无线网络部署环境，为大规模部署RIS的研究提供一种新的思路。推动RIS辅助的通信系统优化，加快RIS在智慧工厂中的落地应用。

如图1所示，本实施例提供一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法，对于室内固定部署位置的RIS结构，结合RIS作为无源反射面和可重构智能表面的优势，利用波束展宽技术为一定覆盖范围内的用户提供相对稳定的链路支持，为将来大规模部署RIS提供一种新的部署思路。该方法具体包括以下步骤：

S1、建立RIS辅助链路的信道模型。

RIS辅助无线通信的自由空间路径损耗模型与发射/接收端到RIS的距离、RIS的大小、RIS的近场/远场效应之间，以及天线和单位单元的辐射模式相关，因此在室内环境中部署RIS时，需要充分考虑以上因素以最大化系统性能，同时还要兼顾部署/运营成本、用户需求/分布、空间约束以及传播环境等各种实际因素。

参见图2，θ_t、φ_t是有关入射角的信息参数，θ_r、φ_r是有关出射角的信息参数，根据现有的综合路损模型，信道模型的表达式如下所示：

其中P_r为接收功率，P_t为发送功率，G_t，G_r，G_u分别代表发射天线增益，接收天线增益和单元反射增益，d_xd_y表示单元尺寸，d₁，d₂分别代表发射机-RIS的距离及RIS-接收机的距离，为功率的辐射模式(发射天线方向图+接收天线方向图+单元反射方向图的综合系数)，为RIS单元反射系数。是由出入射角共同决定的元表面传播距离差，G为RIS元表面个数，G₁，G₂分别代表RIS在X和Y方向上的元表面个数(g₁，g₂代表第几个元表面)。假设发射天线和接收天线的峰值辐射方向都指向RIS中心，即

S2、探究RIS不同场景中的工作模式，分析RIS在不同场景中的相位设计需求。

可重构智能表面在室内较为复杂的环境中部署时，常见的工作模式有静态波束覆盖，如图3(a)中用户2的场景所示，RIS部署在室内墙壁或天花板顶部，此时用户2与发射机的直线链路被阻断。RIS工作于静态波束覆盖模式，作为无源反射面，所有元件的相位补偿恒定，此时只有当用户2处在入射角与出射角相等的位置时，可以获得较大的性能增益，RIS无法为需要移动的用户2在室内环境中提供稳定的链路支持；如图3(a)中用户1的场景所示，RIS部署在室内墙壁或天花板顶部，工作于动态波束成形模式，当用户1移动位置时，结合相应的算法实时优化RIS元表面的相位，RIS的无源波束成形就可以代替MIMO天线向移动用户持续提供较好的链路支持，但该种方式实现较为复杂且开销较大，尤其是在多用户的情况中。

在一些不需要特别高的传输速率的场景中，我们可以结合两种工作模式，对无源反射面做一些相位设计，一方面使得数据传输速率满足用户的最低要求，另一方面是能为移动的用户提供稳定的反射链路支持，无需实时进行相位优化。如图3(b)中用户1场景所示，经过适当设计的相位，牺牲了一定的阵列增益但扩大了波束的覆盖范围，使得用户可以在一定范围内移动式获得稳定的信道增益。如图3(b)中用户2和用户3所示，经过设计的相位即使对于多用户的场景，也无需进行相位调整，可以通过优化功率分配等其他方式提高多用户系统的性能增益，为多用户提供较为稳定的信道支持。

图4为RIS作为可重构智能表面实现动态波束成形和RIS作为无源反射面提供链路支持的信道增益仿真图：

由图4(a)可见，对于单用户系统，RIS作为可重构智能表面通过调整相位补偿，使得用户在一个圆形区域内获得较高的信道增益，信道增益随着半径的增大而逐渐衰减。图4(b)则表明RIS作为无源反射面也可以在极小的覆盖范围中提供较高的信道增益，但随着用户位置的不同呈现较大程度的衰减。

S3、根据RIS的覆盖范围需求和信道模型，对RIS元表面进行分组，利用波束展宽技术设计每个组元表面的相位补偿。

本发明实施例中利用波束展宽技术，通过改变相控阵天线的各种参数来改变天线方向图形状，使其具有较宽的主瓣。信道模型的增益部分β可以利用基站-RIS-用户的相对位置关系构建表示，令利用几何级数的知识我们可以得到：

当sinθ_tcosφ_t+sinθ_rcosφ_r＝0，sinθ_tsinφ_t+sinθ_rsinφ_r＝0，此时β取得最大值G₁G₂。而波束展宽技术就是通过设计相位使得天线阵列有较宽的主瓣以提高覆盖范围。如图3所示的室内场景，RIS部署在墙面，用户群体移动时，为保证覆盖范围，需要对X，Y两个方向同时进行相位补偿，具体的设计步骤如下：RIS拥有G个元表面，正方形结构，分为G₁列，G₂行。我们将G₁列划分为Q_x个子区域，用Q_xq表示，每个区域有τ_x＝G/Q_x个元表面，Q_x＝1，2，...，G₁，注意必须满足将G₂列划分为Q_y个子区域，用Q_yq表示，每个区域有τ_y＝G/Q_y个元表面，Q_y＝1，2，...，G₂，满足设计各个区域的子阵列，均匀的进行相位补偿，以牺牲一定增益的方式来获得较大的覆盖范围。

我们将RIS的总相位补偿拆解为X方向和Y方向的ε_x和ε_y。为方便表达，令阵列增益β的第一项和第二项分别为S₁，S₂，β＝S₁·S₂。我们对不同区域Q_xq，Q_yq的元表面进行不同的相位设计：

令v_q＝sinθ_tcosφ_t+sinθ_rcosφ_r，上述转换过程我们可以利用函数的图像性质进行说明：

如图5所示，该函数的峰值在v_q＝0时获得，有|S(0)|＝G₁。对于某一个单用户来说，函数值为0的集合为g₁＝1，2，...，G₁-1。S(v_q)是一个震荡衰减的多峰的函数，本发明采用波束展宽技术，仅考虑v_q在零附近的三个主峰，覆盖宽度为最大主峰宽度的一半，忽略其余波形。未优化相位前，波束覆盖宽度用户只有满足位置条件v_q→0时有较好的信道增益其余位置信号强度衰减较大；而优化相位后，用户的位置条件v_q满足v_min≤v_q≤v_max时，都可以获得较为稳定的信道增益。由于最外侧的两个子阵列增益较小，我们定义经过优化的Q_x个子阵列叠加的总波束覆盖范围为(Q_x-1)Δ_s-a。

其中为每个子阵列的波束覆盖宽度。我们以X轴方向举例分析，根据用户在室内环境中可能的位置变化获得出射角度θ_r，φ_r的波动范围，求解Ψ(θ，φ)＝(sinθ_tcosφ_t+sinθ_rcosφ_r)的上界和下界v_max，v_min。

总覆盖范围受到子阵列数量Q_x和元表面个数G₁的影响，必须满足(Q_x-1)Δ_s-a≥v_max-ν_min，才能满足用户在整个移动范围内能得到相对稳定的链路支持，本发明根据移动用户的覆盖范围，设计位相ε_xq如下：

上述设计总能使得v_q在某个子阵列Q_xq的波束覆盖区间内，对于该子阵列函数，有|S(-ε_xq)|＝G₁/Q_x，Y轴方向相位设计方法同上。

以下结合具体实施例进行说明：

仿真主要参数设置：为突出仿真结果，RIS的部署方式与图3略有不同，紧贴墙面部署，入射角度sinθ_t、cosφ_t不发生变化，令θ_t＝90°，φ_t＝180°。RIS元表面个数G＝256，G₁＝G₂＝16，θ_t＝90°，φ_t＝180°，将RIS在X方向和Y方向均分为4个区域(Q＝4)。根据部署高度12(m)，计算得到在该区域内移动的用户出射角度θ_r的变化范围约为φ_r的范围是(0，2π)，

子阵列的波束覆盖宽度此时满足v_max-v_min≤(Q-1)Δ_s-a，根据上述设计方案进一步设计X方向的相位补偿，Y方向进行相同的设计。

上述方案无需根据用户/设备位置情况实时优化相位，可以大大简化大规模RIS部署网络架构和控制开销。但波束展宽技术牺牲了一定的阵列增益，由于RIS元表面低成本的特性，如图6所示，本发明通过增加RIS元表面数量补偿阵列增益的损失。在X(或Y)方向上增加低成本元表面个数N₁·G₁(N₂·G₂)来进行增益补偿(N代表增加的行数)。仍以X方向为例，增加N₁列元表面，令阵列增益β的第一项S₁：

N₁的选取有两点要求，第一，由可知，当元表面个数增加时，阵列增益函数的覆盖范围会越来越小，覆盖范围必须满足(Q_x-1)Δ_s-a≥v_max-v_min；第二，随着RIS元表面尺寸的增加，远场近场的划分边界也会发生改变，本发明中我们需要保证用户位置符合RIS的远场信道模型条件。

作为可选的实施方式，相位补偿的具体步骤如下表1所示：

表1

注：选取时要结合实际，确保划分区域数，元表面个数等参数为整数。

进一步作为可选的实施方式，如图10所示，在不同环境中(实际参数不同)采用一个或多个RIS进行相同的相位设计，能够实现与本实施例相同效果均为本发明的替代方案。

本实施例的方法分析的仿真结果如下：

图7为沿X轴方向，数据传输速率和用户位置的仿真关系图。本发明中对比了RIS在三种工作模式下相应的性能曲线：采用波束成形技术可以获得最高的数据传输速率，同时提供最大的覆盖范围，为移动的用户提供稳定的链路支持，该技术需要RIS实时的调整相位补偿，存在一定的能源消耗；当RIS作为无源反射面，未进行相位优化，其覆盖范围大大缩小，用户只能在极小范围内获得较高的传输速率。

本发明采用的波束展宽技术，则是根据室内的覆盖范围和用户的传输速率要求，对RIS的相位进行分块设计，为移动的用户持续提供较为稳定的链路支持(移动过程中无需调整RIS的相位补偿)。相比于无源反射面，波束展宽技术通过合理的设计RIS相位大大提高了覆盖范围，适用于稳定的连接；相比于波束成形技术，波束展宽损失了一定的阵列增益，但无需实时调节相位，减小了无线网络的控制开销。仿真结果与上述理论分析完全吻合。

S4、通过增加元表面的个数对波束展宽造成的增益损失进行补偿。

图8为沿X轴方向，不同元表面个数下，数据传输速率和用户位置的仿真关系图。仿真结果表明，采用波束展宽造成的增益损失，可以通过适当的增加元表面个数进行相应的补偿，在半静态工作模式下，波束展宽技术与增加元表面个数相结合带来的性能提升十分显著。仿真结果与理论分析一致，同时由于RIS元表面低成本的特性，增加元表面个数的开销较小，可行性较强。

图9为沿X轴方向，根据本发明提供的覆盖范围优化流程，选取不同参数，得到的数据传输速率和用户位置的仿真关系图。经过合理的调参，波束展宽技术与增加元表面个数相结合，最终的覆盖范围和最高传输速率可以优于波束成形技术，证明了本发明的有效性。

综上所述，本实施例相对于现有技术，具有如下优点及有益效果：

(1)、在一些室内环境中，面向一些无高速率数据传输要求的设备或用户，采用波束展宽技术可以为用户提供较为稳定的链路支持。面对移动的用户，无需实时调整相位补偿即可起到提供较大增益的性能。

(2)、作为一种新型的室内部署方案，本发明提供的部署方式可以适用于一些特定的室内场景，通过适当的相位设计扩大波束覆盖范围和增加元表面个数提高反射链路增益，无需进行实时相位优化，一定程度上可以简化大规模RIS部署的架构。

(3)、对于波束展宽技术造成的阵列增益损失，本发明通过增加低成本元表面的个数进行了补偿。

本实施例还提供一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计系统，包括：

模型构建模块，用于建立RIS辅助链路的信道模型；

需求分析模块，用于探究RIS不同场景中的工作模式，分析RIS在不同场景中的相位设计需求；

相位补偿模块，用于根据RIS的覆盖范围需求和信道模型，对RIS元表面进行分组，利用波束展宽技术设计每个组元表面的相位补偿；

增益补偿模块，用于通过增加元表面的个数对波束展宽造成的增益损失进行补偿。

本实施例的一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计系统，可执行本发明方法实施例所提供的一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

本实施例还提供一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计系统，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现图1所示方法。

本实施例的一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计系统，可执行本发明方法实施例所提供的一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

本申请实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图1所示的方法。

本实施例还提供了一种存储介质，存储有可执行本发明方法实施例所提供的一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法的指令或程序，当运行该指令或程序时，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以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。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立RIS辅助链路的信道模型；

探究RIS不同场景中的工作模式，分析RIS在不同场景中的相位设计需求；

根据RIS的覆盖范围需求和信道模型，对RIS元表面进行分组，利用波束展宽技术设计每个组元表面的相位补偿；

通过增加元表面的个数对波束展宽造成的增益损失进行补偿；

所述信道模型的表达式为：

其中，P_r为接收功率，P_t为发送功率，G_t，G_r，G_u分别代表发射天线增益，接收天线增益和单元反射增益，d_xd_y表示单元尺寸，d₁，d₂分别代表发射机-RIS的距离及RIS-接收机的距离，θ_t、φ_t分别为入射信号的俯仰角和方位角，θ_r、φ_r分别为出射信号的俯仰角和方位角，g₁,g₂表示可重构智能表面的第g₁行，第g₂列；为功率的辐射模式，为RIS单元反射系数；G为RIS元表面个数，G₁，G₂分别代表RIS在Y和X方向上的元表面个数；

RIS部署在室内墙壁或天花板顶部，所述分析RIS在不同场景中的相位设计需求，包括：

当RIS工作于静态波束覆盖模式，作为无源反射面，所有RIS元表面的相位补偿恒定；当RIS工作于动态波束成形模式，实时优化RIS元表面的相位，使RIS的无源波束成形，以向移动的用户终端持续提供链路支持；

针对预设传输速率要求下的场景中，结合静态波束覆盖模式和动态波束成形模式两种工作模式，对RIS的无源反射面进行相位设计：一方面使得数据传输速率满足用户终端的最低要求，另一方面是能为移动的用户终端提供稳定的反射链路支持，无需实时进行相位优化；

所述根据RIS的覆盖范围需求和信道模型，对RIS元表面进行分组，利用波束展宽技术设计每个组元表面的相位补偿，包括：

获取信道模型的增益，结合增益和波束展宽技术，对RIS上的各个区域的子阵列进行相位补偿，以牺牲增益的方式来提高覆盖范围，从而满足用户终端在整个移动范围内能得到相对稳定的链路支持；

所述信道模型的增益β利用基站-RIS-用户终端的相对位置关系构建表示，具体表达式如下：

式中，G₁，G₂分别代表RIS在Y和X方向上的元表面个数，θ_t、φ_t分别为入射信号的俯仰角和方位角，θ_r、φ_r分别为出射信号的俯仰角和方位角，d_xd_y表示单元尺寸，λ表示信号波长；

所述对RIS上的各个区域的子阵列进行相位补偿，包括：

将RIS的总相位补偿拆解为X方向和Y方向的ε_x和ε_y，令阵列增益β的第一项和第二项分别为S₁，S₂，β＝S₁·S₂，对不同区域Q_xq，Q_yq的元表面进行不同的相位设计：

令v_q＝sinθ_tcosφ_t+sinθ_rcosφ_r，其中，X方向的相位补偿如下：

根据用户在室内环境中可能的位置变化获得出射角度θ_r，φ_r的波动范围，求解Ψ(θ，φ)＝(sinθ_tcosφ_t+sinθ_rcosφ_r)的上界和下界v_max，v_min；

总覆盖范围受到子阵列数量Q_x和元表面个数G₁的影响，必须满足(Q_x-1)Δ_s-a≥v_max-v_min，才能满足用户在整个移动范围内能得到相对稳定的链路支持，根据移动用户的覆盖范围，设计位相ε_xq如下：

公式(1)中的设计总能使得ν_q在某个子阵列Q_xq的波束覆盖区间内。

2.根据权利要求1所述的一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法，其特征在于，所述RIS拥有G个元表面，呈正方形结构，分为G₁列，G₂行；将G₁列划分为Q_x个子区域，用Q_xq表示，每个区域有τ_x＝G/Q_x个元表面，Q_x＝1，2，...，G₁；将G₂列划分为Q_y个子区域，用Q_yq表示，每个区域有τ_y＝G/Q_y个元表面，Q_y＝1，2，...，G₂。

3.一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计系统，应用于权利要求1或2所述的一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法，其特征在于，包括：

模型构建模块，用于建立RIS辅助链路的信道模型；

需求分析模块，用于探究RIS不同场景中的工作模式，分析RIS在不同场景中的相位设计需求；

相位补偿模块，用于根据RIS的覆盖范围需求和信道模型，对RIS元表面进行分组，利用波束展宽技术设计每个组元表面的相位补偿；

增益补偿模块，用于通过增加元表面的个数对波束展宽造成的增益损失进行补偿。

4.一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计系统，其特征在于，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现权利要求1-2任一项所述方法。

5.一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如权利要求1-2任一项所述方法。