CN115065979B - 一种基于RIS技术的室内Wi-Fi信号增强和分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于RIS技术的室内Wi‑Fi信号增强和分配方法，在无需更改Wi‑Fi协议和设备的基础上，将室内墙壁上覆盖智能反射表面，整个房间成为大型的Wi‑Fi信号匣，创造虚拟视距（LOS）环境，通过定向反射，结合无线环境的感知和估计算法，设计最佳的传播路径，实现所有房间的全覆盖，以及在不同房间对无线资源进行分配。本发明提升了通信性能的效果，同时也提高了系统的安全性。

Description

一种基于RIS技术的室内Wi-Fi信号增强和分配方法
技术领域
本发明属于RIS辅助的无线通信领域。
背景技术
随着无线通信技术不断的发展，用户对无线设备的需求量越来越大，对通信的质量要求越来越高，对于室内Wi-Fi的信号质量的要求也越来越高。因此需要采用更先进的无线通信技术，开发具有更高性能的通信系统，来应对未来通信高速率低功耗的需求。随着无线局域网技术的发展，Wi-Fi克服了通过网线进行设备连接，节省了复杂有线接口技术，采用无线电波进行连网，各类移动设备无需有线网口也可以接入Internet，促进了三网融合进程的推进。移动设备的井喷式增长，使得室内Wi-Fi成为了家家户户的必需品。为了解决目前通信系统硬件成本高、功耗大、结构复杂的问题，提出了可重构智能表面（RIS）即智能反射表面的技术。智能反射表面由电磁材料制成，是一个平面阵列，包含大量的被动反射单元，能够特定地改变入射电磁波的相位或者幅度，成为受到广泛关注的热点。
当前Wi-Fi最常见的工作频段是2.4GHz和5GHz，并且Wi-Fi 6协议会使6GHz也成为工作频段。虽然提高了Wi-Fi信号的容量和速率，但“穿墙”能力等性能也会显著下降。由于Wi-Fi信号绕射能力有限，“穿墙”能力不强，因此很难实现整户的全覆盖。
发明内容
发明目的：为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于RIS技术的室内Wi-Fi信号增强和分配方法。
技术方案：本发明提供了一种基于RIS技术的室内Wi-Fi信号增强和分配方法，具体包括如下步骤：
步骤1：在每个房间的墙壁表面覆盖RIS；
步骤2：将每个房间作为信号匣；将无线路由器所在的房间作为Wi-Fi信号发射匣，没有路由器的房间作为Wi-Fi信号发射接收匣；
步骤3：判断信号发射匣内是否存在移动设备；如果存在则转步骤4；否则转步骤5；
步骤4：计算出移动设备所在位置，RIS选择当前信号匣内的部分波束，并将该部分波束反射至移动设备；
步骤5：判断是否存在与当前信号匣相邻的信号匣，如果存在，则转步骤6，否则停止信号的进一步传播；
步骤6：根据与该相邻的信号匣的信号接受口的位置，采用优化算法，选择损耗最小的反射路径；RIS选择当前信号匣内的部分波束，根据反射路径，将该部分波束反射至相应的信号匣信号接受口；然后判断该相邻的信号匣内是否存在移动设备，如果存在则转步骤4，否则将该相邻的信号匣作为当前信号匣，并转步骤5。
进一步的，所述步骤4中采用波束追踪算法获取移动设备的定位信息。
进一步的，所述步骤6中采用优化算法规划出最佳反射路径具体为：将RIS反射系数、反射波束指向和反射波束能够到达的房间位置进行匹配，形成数据库，将该数据库作为训练集采用优化算法选择信号到达相应信号匣信号接受口损耗的最小的反射路径。
进一步的，当当前信号匣内存在移动设备，以及相邻信号匣时，RIS选择反射至移动设备的波束数量大于反射至相邻信号匣的波束数量；当当前信号匣内存在移动设备，且不存在相邻信号匣时，RIS选择反射至移动设备的波束数量大于留在当前信号匣内未反射至移动设备的波束数量；当当前信号匣内存在相邻信号匣，且不存在移动设备时，RIS选择反射至相邻信号匣的波束数量大于留在当前信号匣内的波束数量。
有益效果：
（1）本发明方法将房间变成由RIS组成的大型信号接收匣形成了一个封闭的系统，将Wi-Fi信号限制在匣内，避免了信号的泄露。在RIS辅助下的定向Wi-Fi信号被限制在了室内的各个房间中，在物理层屏蔽了室外的非法用户，提高了系统的安全性。
（2）相比现有技术，本发明将随着频率提高而增强系统性能。在特定的位置处，如门、窗户等，采用具有信号穿透损耗极小的材质，作为信号发射匣的出口或信号接收匣的入口，实现房间之间的信号传播。随着频率的提高，这种穿透能力也会增强，因此这种设计不会被容量和速率的提升所限制。
（3）本发明方法将RIS应用至Wi-Fi信号增强的方案，低成本、低功耗的RIS将会大大提高系统的性能，无需更改现有的Wi-Fi设备和协议，实现低复杂度的和高性价比的增益提升。
附图说明
图1 是应用于本发明的场景模型示意图。
图2 是本发明的方法流程图。
具体实施方式
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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。
本发明针对RIS辅助的室内多房间Wi-Fi信号增强和分配方案的应用场景，基于低功耗、低成本的RIS技术应用，它公开了一种基于RIS技术的室内Wi-Fi信号增强和分配方法。本发明中的RIS技术作为一种辅助手段进行增加Wi-Fi信号和提升“穿墙”能力，并不会改变原有设备和协议。本发明所述的一种基于RIS技术的室内Wi-Fi信号增强方法的系统模型，如附图1所示，在不同房间内的移动设备可以接收到经过虚拟视距（LOS）路径的信号，实现信号增强和信号“穿墙”能力提升。
本发明在无需更改Wi-Fi协议和设备的基础上采用最小的设备成本，将室内墙壁上覆盖智能反射表面RIS，通过定向反射，将Wi-Fi信号的波束集中，传播到特定方向，减小散射、绕射损耗，设计最佳的传播路径，实现传播较强的信号幅度和所有房间的全覆盖。
按照通信系统三要素的划分，室内Wi-Fi的信源、信道、信宿分别是无线路由器、室内无线信道、移动设备。本发明无需对信源和信宿进行更改，仅对信道进行低成本的设计和配置，可以有效提高通信性能。在无线路由器所在的房间墙壁表面覆盖RIS后，可以使整个房间成为大型的Wi-Fi信号发射匣，使信号从房间的特定方向和位置传播至其他房间，使得非视距（NLOS）环境传播减少，创造虚拟视距（LOS）环境，有效降低了其他各种损耗。在其他房间墙壁表面覆盖RIS后，可以使整个房间成为大型的Wi-Fi信号接收匣，使得房间内信号大幅度增强。Wi-Fi信号接收匣也可以在房间的特定方向和位置设置出口，成为Wi-Fi信号发射匣，将信号传播至其他房间，进而增强了信号的“穿墙”能力。在每个信号匣的内部可以实现房间内的信号全覆盖，进一步可以实现根据移动设备的定位信息进行特定方向和位置的信号覆盖。这种设计重新配置了无线信号传播环境，使在房间之间的信号传播的损耗达到最小，并且能够有效提高房间内的信号强度。
除此之外，目前大部分无线路由器采用2.4GHz和5GHz的双工作频段或者2.4GHz和双5GHz的三个工作频段，并将采用6GHz的工作频段。本发明无需对现有的Wi-Fi设备、协议和工作频段进行更改，仅添加RIS作为辅助通信设备，即可有效提高通信性能。随着工作频率和带宽的提高，电磁波的绕射能力逐渐降低，穿透能力逐渐提升。根据穿墙损耗的经验值，2.4GHz的Wi-Fi信号通过木板、玻璃后的穿透损耗（1~3dB）远小于通过水泥墙和砖墙后的穿墙损耗（20~30dB）。因此可以选择合适的材料作为信号发射匣的出口和信号接收匣的入口，在系统容量和速率提升的同时，增强信号的“穿墙”能力。
如图2所示，本发明的方法具体为：首先，无线路由器与总网线连接配置完毕后，在室内发射Wi-Fi信号，RIS接收无线信号。接着，判断由无线路由器所在房间的RIS组成的信号发射匣内是否存在移动设备。当存在移动设备时，对信号匣内的无线信道环境进行感知估计，计算出移动设备所在位置（本实施例采用波束追踪算法），进行资源分配，也既RIS选择当前信号匣内的部分波束（本实施例中选择大部分波束反射至当前信号匣内的移动设备处），并将该部分波束反射至移动设备，然后再判断是否存在与当前信号匣相邻的信号匣，如果不存在，则停止信号传播，将当前信号匣的波束用于留在房间内进行广播监听；如果存在，则调整RIS的参数进行调整（路由器端将信号匣出口的定位信息通过单独的链路反馈给信号发射匣内的RIS控制器，由控制器改变RIS的各个单元的反射系数使得RIS控制器反射到达信号匣出口），并根据其他信号闸信号接受口的位置，采用优化算法规划出最佳反射路径，RIS选择部分波束，将该部分波束通过相应的最佳路径传送到相应信号闸的信号接受口。
如果由无线路由器所在房间的RIS组成的信号发射匣内不存在移动设备，且存在相邻的其他信号闸，则调整RIS的参数进行调整（路由器端将信号匣出口的定位信息通过单独的链路反馈给信号发射匣内的RIS控制器，由控制器改变RIS的各个单元的反射系数使得RIS控制器反射到达信号匣出口），并根据其他信号闸信号接受口的位置，采用优化算法规划出最佳反射路径，RIS选择部分波束，将该部分波束通过相应的最佳路径传送到相应信号闸的信号接受口；如果不存在相邻的其他信号闸，则停止信号传播。
波束进入下一个信号接收匣，下一个信号接收匣中的RIS接收无线信号。最后，重复信号发射匣内的无线信号传播和处理的流程，判断是否存在移动设备，并根据需要调整RIS参数，将无线信号反射至移动设备处。若仍需将信号反射至下一个信号接收匣，则重复上述操作。若无需反射至下一个信号接收匣，则流程结束。
本实施例中的采用优化算法规划出最佳反射路径具体为：离线阶段：将移动设备放在每个房间的信号接收口处，采用基于位置指纹的定位算法计算得到每个移动设备的位置；控制器会在离线训练阶段将反射系数、反射波束指向和能够到达的房间位置进行匹配，形成数据库。改变RIS的各个单元的反射系数。优化算法规划属于离线训练阶段的内容，即实现反射系数和到达各个房间位置最小损耗路径的匹配，可以通过现有的匹配算法“NN、KNN、神经网络等”来实现。
本实施例选择选择衰减小（穿透损耗小）的材料作为信号发射匣的出口和信号接收匣的入口。
如图１所示，本发明所考虑的室内Wi-Fi信号系统包含多个房间，在RIS的辅助下，每一个房间可以成为独立的信号匣，移动设备在任意房间内均可以获得较强的信号，实现所有房间的信号全覆盖。如附图1所示，房间A作为无线路由器所在房间，可以通过配置墙壁上的RIS参数将无线信号反射至其它房间。当房间B和房间C存在移动设备时，可以通过配置墙壁上的RIS参数将无线资源集中分配在移动设备所在房间B和房间C，而在房间D和房间E只分配感知移动设备的无线信号资源。可以根据感知信息，实现最优的资源规划。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (2)

1.一种基于RIS技术的室内Wi-Fi信号增强和分配方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1：在每个房间的墙壁表面覆盖RIS；
步骤2：将每个房间作为信号匣；将无线路由器所在的房间作为Wi-Fi信号发射匣，没有路由器的房间作为Wi-Fi信号发射接收匣；
步骤3：判断Wi-Fi信号发射匣内是否存在移动设备；如果存在则转步骤4；否则转步骤5；
步骤4：计算出移动设备所在位置，RIS选择当前信号匣内的部分波束，并将该部分波束反射至移动设备；
步骤5：判断是否存在与当前信号匣相邻的信号匣，如果存在，则转步骤6，否则停止信号的进一步传播；
步骤6：根据相邻的信号匣的信号接受口的位置，采用优化算法，选择损耗最小的反射路径；RIS选择当前信号匣内的部分波束，根据反射路径，将该部分波束反射至相应的信号匣信号接受口；然后判断该相邻的信号匣内是否存在移动设备，如果存在则转步骤4，否则将该相邻的信号匣作为当前信号匣，并转步骤5；
所述步骤6中采用优化算法规划出最佳反射路径具体为：将RIS反射系数、反射波束指向和反射波束能够到达的房间位置进行匹配，形成数据库，将该数据库作为训练集，采用优化算法，选择信号到达相应信号匣信号接受口损耗最小的反射路径；
当当前信号匣内存在移动设备以及相邻信号匣时，RIS选择反射至移动设备的波束数量大于反射至相邻信号匣的波束数量；当当前信号匣内存在移动设备，且不存在相邻信号匣时，RIS选择反射至移动设备的波束数量大于留在当前信号匣内未反射至移动设备的波束数量；当当前信号匣内存在相邻信号匣，且不存在移动设备时，RIS选择反射至相邻信号匣的波束数量大于留在当前信号匣内的波束数量。
2.根据权利要求1所述的一种基于RIS技术的室内Wi-Fi信号增强和分配方法，其特征在于，所述步骤4中采用波束追踪算法获取移动设备的定位信息。
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