CN115278810B - 一种分布式可重构智能表面辅助的海上通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海上无线通信技术领域，特别涉及一种分布式可重构智能表面辅助的海上通信方法，包括：多个配置可重构智能表面的高空平台在岸基基站和终端船舶设备之间随机分布式布设；基站依据净能量效率最大准则选择一组可重构智能表面，在确定最优的一组可重构智能表面后，岸基基站端和终端船舶设备同时向所选的可重构智能表面发送正交导频进行信道估计，在获取信道状态信息后对所选的一组可重构智能表面相位进行调整，最后从岸基基站通过可重构智能表面辅助的海上通信系统发送数据信号给终端船舶设备。本发明通过对多个可重构智能表面进行调度协助海上中继系统进行通信，进一步增强了海上通信系统净能量效率，具有低成本，低能耗以及高速率等优点。

Description

一种分布式可重构智能表面辅助的海上通信方法

技术领域

本发明涉及海上无线通信技术领域，特别是涉及一种分布式可重构智能表面辅助的海上通信方法。

背景技术

可重构智能表面被认为是6G通信技术中最有潜力的技术之一，它是由大量无源、低成本以及可调的反射元件组成的平面，每个反射元件都可以使无线传播环境可编程和可调控。通过动态调整可重构智能表面每个元件的反射振幅和相移，使其反射的信号相位能够同相或反向，从而减轻其向不期望的方向反射产生的共信道干扰。

由于海上无线信号传播环境复杂，岸基基站有时难以建立与中继船舶和船舶终端用户之间的直接链路，为此将可重构智能表面结合到当前海上无线通信系统，智能调控可重构智能表面来改变海上传播环境，可提高海上覆盖范围，同时进一步克服通过海上两径信道通信出现的深衰落现象。与此同时，多个可重构智能表面辅助的无线通信系统的性能在一定程度上比单个可重构智能表面辅助的无线通信系统性能好，因为其可以提供多个反射链路来增强接收到的信号强度，并且分布在不同位置的可重构智能表面可以提供灵活的通信链路。虽然将多个可重构智能表面结合到海上中继无线通信系统中能提高系统性能，但是这也增加了获取信道状态信息所带来的导频开销。除此之外，能耗问题作为下一代通信的热点在海上通信系统中同样十分重要。面对这些挑战，本申请需要设计一种分布式可重构智能表面辅助的海上中继通信方法来减少导频开销以及能耗给系统性能带来的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，而提出的一种分布式可重构智能表面辅助的海上通信方法，用于提高导频开销影响下的净能量效率的大小。

为了达到上述目的，本发明提出的一种分布式可重构智能表面辅助的海上通信方法，包括如下步骤：

步骤201、多个挂有可重构智能表面的无人机、热气球等高空平台在岸基基站，海上中继船舶以及终端船舶设备周围随机布设。岸基基站和高空平台的位置由GPS获得已知，海上中继船舶以及终端船舶设备自带AIS；岸基基站无法通过直接链路与海上中继船舶和终端船舶设备通信，岸基基站通过高空平台的可重构智能表面与海上中继船舶和终端船舶设备存在级联信道；

步骤202、岸基基站、高空平台以及终端船舶设备将位置信息发送给海上中继船舶，海上中继船舶端根据获取的位置信息，计算出海上中继船舶与所有配备可重构智能表面的高空平台间的距离，并将距离按照从小到大排序，海上中继船舶端可以选择通信的可重构智能表面排序集合为：S_R＝{RIS₁,...,RIS_M}；

步骤203、海上中继船舶端根据净能量效率最大准则，选择一组最优的可重构智能表面L_R；

步骤204、海上中继船舶端选择高空平台中最优的一组可重构智能表面后，岸基基站端和终端船舶设备同时向所选的可重构智能表面发送正交导频进行信道估计；

步骤205、海上中继船舶端和岸基基站估计到信道状态信息后，岸基基站通过可重构智能表面控制器对所选的一组可重构智能表面相位进行调整，岸基基站发送数据信号给终端船舶设备；

步骤206、若终端船舶设备、高空平台以及海上中继船舶的位置改变，则需重新获取位置信息并计算系统的净能量效率，转步骤202。

优选地，所述步骤202中，海上中继船舶端根据获取的位置信息，计算出海上中继船舶与所有配备可重构智能表面的高空平台间的距离，并将距离按照从小到大排序；对于第m个可重构智能表面辅助的通信系统，其净能量效率可以表示为：其中T为信道相干时间，N为可重构智能表面的元件个数，γ_Rm和γ_Dm分别为海上中继船舶端和终端船舶设备端的信噪比，P_m为系统总功耗，海上中继船舶端信噪比的数学期望可以近似表示为：/>其中/>和/>分别为岸基基站端到第m个可重构智能表面的距离以及第m个可重构智能表面到海上中继船舶端的距离，α为路径损失指数；终端船舶设备信噪比的数学期望可以近似表示为： 和/>分别为岸基基站端到第m个可重构智能表面的距离，海上中继船舶端到第m个可重构智能表面的距离，以及第m个可重构智能表面到船舶用户中终端的距离。/>表示从岸基基站端到第m个可重构智能表面再到终端船舶设备的近似信噪比，/>表示海上中继船舶端到第m个可重构智能表面再到终端船舶设备的近似信噪比。对于同一个可重构智能表面，要达到系统净能量效率的最大，则有

优选地，所述步骤203中，选择一组最优的可重构智能表面的步骤为：

步骤301、当m＝1时，初始可重构智能表面集合可以表示为：L_R＝{RIS₁}；选择集合L_R中的距离中继船舶最近的可重构智能表面辅助通信，海上中继船舶端算出此时系统的净能量效率η，其中净能量效率可以表示为：其中P_tol为系统总功耗，可以表示为：/>这里的P_B和P_R为岸基基站端和海上中继船舶端的发送功率，/>和/>为岸基基站、海上中继船舶和终端船舶设备的电路功耗，/>代表排序集合中第1个可重构智能表面中第n个反射元件的功耗。

步骤302、按照顺序依次在集合中往下选择可重构智能表面RIS_m，m＝m+1，此时海上中继船舶端所选的可重构智能表面集合为：计算出此时所选多个可重构智能表面辅助海上系统的净能量效率/>其中净能量效率可以表示为其中/>为系统总功耗，可以表示为：其中/>为集合/>中可重构智能表面的个数，代表排序集合中第m个可重构智能表面中第n个反射元件的功耗，/>和/>分别为此时海上船舶中继端和终端船舶设备端的信噪比。

步骤303、将步骤302计算出来的净能量效率值与前一轮计算的净能量效率值进行比较，如果对比净能量效率值不再增加，则结束此计算过程，否则将当前计算结果和所选可重构智能表面替换前一轮结果，即：和/>返回步骤302。

优选地，所述步骤204中，海上中继船舶端选择出最优的一组可重构智能表面后，岸基基站端和终端船舶设备同时向所选的可重构智能表面发送正交导频进行信道估计：

步骤401、岸基基站和终端船舶设备分时隙发送导频信号，可重构智能表面控制器控制集合L_R中的可重构智能表面依次打开反射元件；

步骤402、可重构智能表面控制器控制打开集合L_R中第一块可重构智能表面的第一个反射元件，第一个反射元件的振幅为1，相位为0，导频信号经过集合L_R的可重构智能表面上的第一个反射元件分别反射到海上中继船舶端，岸基基站端和终端船舶设备端；海上中继船舶端同时通过最小均方误差方法估计出该相干时间下的岸基基站与海上中继船舶之间以及海上中继船舶与终端船舶设备之间的级联信道，岸基基站端和终端船舶设备端估计出岸基基站与终端船舶设备之间的级联信道；

步骤403、岸基基站和终端船舶设备通过可重构智能表面控制器控制集合L_R中排序第一的可重构智能表面，使其关闭前一个反射元件，打开反射面下一个反射元件，设置其反射幅度为1，相位为0；导频信号分别经过集合L_R中排序第一的可重构智能表面反射到海上中继船舶端，岸基基站端和终端船舶设备端，海上中继船舶端同时通过最小均方误差方法估计出该相干时间下的岸基基站与海上中继船舶之间以及海上中继船舶与终端船舶设备之间的级联信道，岸基基站端和终端船舶设备端估计出岸基基站与终端船舶设备之间的级联信道；

步骤404、重复步骤403直到集合L_R中的所有可重构智能表面的每一个反射元件依次打开一遍；

步骤405、可重构智能表面上的所有反射元件都关闭后，海上中继船舶端再将估计的信道全部反馈给岸基基站以便下一步通信。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用高空平台载有可重构智能表面，取代传统的放大转发，解码转发等中继设备，通过近似无源、低成本的可重构智能表面反射信号以提供辅助链路，保证终端船舶设备与岸基基站端的通信质量。

2、本发明通过利用海上中继船舶与可重构智能表面间依据净能量效率最大选择可重构智能表面进行通信，减少了整个系统导频开销和能量消耗。

3、本发明通过利用信道互异性对导频开销做进一步简化，无需两跳导频进行信道估计，借助岸基基站、中继船舶和终端用户设备获取信道状态信息，并通过反馈链路控制可重构智能表面。

4、本发明通过对多个可重构智能表面进行调度，可有效减少海上通信带来的深衰落特性，为未来无线通信中应用多个可重构智能表面辅助的海上中继通信解决方案增加了可能性。

附图说明

图1为本发明海上通信系统的模型结构示意图；

图2为本发明海上通信方法的步骤流程图；

图3为本发明中分布式可重构智能表面选择方法的步骤流程图；

图4为本发明中岸基基站端和终端船舶设备分别发送导频到海上中继船舶端的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

参照图1，本发明提供了一种分布式可重构智能表面辅助的海上通信系统，所述通信系统由一个固定的单天线的岸基基站端101、一个固定的单天线中继船舶102、一个自由移动的单天线终端船舶设备103以及多个固定位置的挂有可重构智能表面104的无人机、热气球等高空平台组成，每一个可重构智能表面104均有N根天线，多个所述可重构智能表面104在岸基基站端101、海上中继船舶端102和终端船舶设备103周围随机布设，所述海上中继船舶端102通过所选可重构智能表面104的级联链路105与岸基基站端101连接；终端船舶设备103通过所选可重构智能表面104的级联链路105与海上中继船舶端102连接，终端船舶设备103通过所选可重构智能表面104的级联链路106与岸基基站端101连接。

其中，岸基基站端101，主要作用是收发数据以及计算系统净能量效率；海上中继船舶端102，主要作用是信道估计，反馈估计信道信息以及接收来自可重构智能表面反射的数据和解码转发接收到的数据；终端船舶设备103，主要作用是收发数据；可重构智能表面104，主要作用是反射海上中继船舶端的导频信号以及岸基基站端和海上中继船舶端发送的信号，其采用时分双工的工作模式；级联链路105，主要作用是岸基基站和海上中继船舶两端，以及海上中继船舶和终端船舶设备两端通过可重构智能表面的反射来发送或接收信号；级联链路106，主要作用是岸基基站和终端船舶设备两端通过可重构智能表面的反射来发送或接收信号。

参照图2，一种分布式可重构智能表面辅助的海上通信方法，包括如下步骤：

步骤201、多个挂有可重构智能表面的无人机、热气球等高空平台在岸基基站，海上中继船舶以及终端船舶设备周围随机布设。岸基基站和高空平台的位置由GPS获得已知，海上中继船舶以及终端船舶设备自带AIS；岸基基站无法通过直接链路与海上中继船舶和终端船舶设备通信，岸基基站通过高空平台的可重构智能表面与海上中继船舶和终端船舶设备存在级联信道；

步骤202、岸基基站、高空平台以及终端船舶设备将位置信息发送给海上中继船舶，海上中继船舶端根据获取的位置信息，计算出海上中继船舶与所有配备可重构智能表面的高空平台间的距离，并将距离按照从小到大排序，海上中继船舶端可以选择通信的可重构智能表面排序集合为：S_R＝{RIS₁,...,RIS_M}；

步骤203、海上中继船舶端根据净能量效率最大准则，选择一组最优的可重构智能表面L_R；

步骤204、海上中继船舶端选择高空平台中最优的一组可重构智能表面后，岸基基站端和终端船舶设备同时向所选的可重构智能表面发送正交导频进行信道估计；

步骤205、海上中继船舶端和岸基基站估计到信道状态信息后，岸基基站通过可重构智能表面控制器对所选的一组可重构智能表面相位进行调整，岸基基站发送数据信号给终端船舶设备；

步骤206、若终端船舶设备、高空平台以及海上中继船舶的位置改变，则需重新获取位置信息并计算系统的净能量效率，转步骤202。

具体的，所述步骤202中，海上中继船舶端根据获取的位置信息，计算出海上中继船舶与所有配备可重构智能表面的高空平台间的距离，并将距离按照从小到大排序；对于第m个可重构智能表面辅助的通信系统，其净能量效率可以表示为：其中T为信道相干时间，N为可重构智能表面的元件个数，γ_Rm和γ_Dm分别为海上中继船舶端和终端船舶设备端的信噪比，P_m为系统总功耗，海上中继船舶端信噪比的数学期望可以近似表示为：/>其中/>和/>分别为岸基基站端到第m个可重构智能表面的距离以及第m个可重构智能表面到海上中继船舶端的距离，α为路径损失指数；终端船舶设备信噪比的数学期望可以近似表示为： 和/>分别为岸基基站端到第m个可重构智能表面的距离，海上中继船舶端到第m个可重构智能表面的距离，以及第m个可重构智能表面到船舶用户中终端的距离。/>表示从岸基基站端到第m个可重构智能表面再到终端船舶设备的近似信噪比，/>表示海上中继船舶端到第m个可重构智能表面再到终端船舶设备的近似信噪比。对于同一个可重构智能表面，要达到系统净能量效率的最大，则有

参照图3，具体地，所述步骤203中，选择一组最优的可重构智能表面的步骤为：

步骤301、当m＝1时，初始可重构智能表面集合可以表示为：L_R＝{RIS₁}；选择集合L_R中的距离中继船舶最近的可重构智能表面辅助通信，海上中继船舶端算出此时系统的净能量效率η，其中净能量效率可以表示为：其中P_tol为系统总功耗，可以表示为：/>这里的P_B和P_R为岸基基站端和海上中继船舶端的发送功率，/>和/>为岸基基站、海上中继船舶和终端船舶设备的电路功耗，/>代表排序集合中第1个可重构智能表面中第n个反射元件的功耗。

步骤302、按照顺序依次在集合中往下选择可重构智能表面RIS_m，m＝m+1，此时海上中继船舶端所选的可重构智能表面集合为：计算出此时所选多个可重构智能表面辅助海上系统的净能量效率/>其中净能量效率可以表示为其中/>为集合/>中可重构智能表面的个数，/>为系统总功耗，可以表示为：/>其中/>代表排序集合中第m个可重构智能表面中第n个反射元件的功耗，/>和/>分别为此时海上船舶中继端和终端船舶设备端的信噪比。

步骤303、将步骤302计算出来的净能量效率值与前一轮计算的净能量效率值进行比较，如果对比净能量效率值不再增加，则结束此计算过程，否则将当前计算结果和所选可重构智能表面替换前一轮结果，即：和/>返回步骤302。

参照图4，具体地，所述步骤204中，海上中继船舶端选择出最优的一组可重构智能表面后，岸基基站端和终端船舶设备同时向所选的可重构智能表面发送正交导频进行信道估计：

步骤401、岸基基站和终端船舶设备分时隙发送导频信号，可重构智能表面控制器控制集合L_R中的可重构智能表面依次打开反射元件；

步骤402、可重构智能表面控制器控制打开集合L_R中第一块可重构智能表面的第一个反射元件，第一个反射元件的振幅为1，相位为0，导频信号经过集合L_R的可重构智能表面上的第一个反射元件分别反射到海上中继船舶端，岸基基站端和终端船舶设备端；海上中继船舶端同时通过最小均方误差方法估计出该相干时间下的岸基基站与海上中继船舶之间以及海上中继船舶与终端船舶设备之间的级联信道，岸基基站端和终端船舶设备端估计出岸基基站与终端船舶设备之间的级联信道；

步骤403、岸基基站和终端船舶设备通过可重构智能表面控制器控制集合L_R中排序第一的可重构智能表面，使其关闭前一个反射元件，打开反射面下一个反射元件，设置其反射幅度为1，相位为0；导频信号分别经过集合L_R中排序第一的可重构智能表面反射到海上中继船舶端，岸基基站端和终端船舶设备端，海上中继船舶端同时通过最小均方误差方法估计出该相干时间下的岸基基站与海上中继船舶之间以及海上中继船舶与终端船舶设备之间的级联信道，岸基基站端和终端船舶设备端估计出岸基基站与终端船舶设备之间的级联信道；

步骤404、重复步骤403直到集合L_R中的所有可重构智能表面的每一个反射元件依次打开一遍；

步骤405、可重构智能表面上的所有反射元件都关闭后，海上中继船舶端再将估计的信道全部反馈给岸基基站以便下一步通信。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种分布式可重构智能表面辅助的海上通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤201、多个挂有可重构智能表面的无人机、热气球高空平台在岸基基站，海上中继船舶以及终端船舶设备周围随机布设；岸基基站和高空平台的位置由GPS获得已知，海上中继船舶以及终端船舶设备自带AIS；岸基基站无法通过直接链路与海上中继船舶和终端船舶设备通信，岸基基站通过高空平台的可重构智能表面与海上中继船舶和终端船舶设备存在级联信道；

步骤202、岸基基站、高空平台以及终端船舶设备将位置信息发送给海上中继船舶，海上中继船舶端根据获取的位置信息，计算出海上中继船舶与所有配备可重构智能表面的高空平台间的距离，并将距离按照从小到大排序，海上中继船舶端选择通信的可重构智能表面排序集合为：S_R＝{RIS₁,...,RIS_M}；

步骤203、海上中继船舶端根据净能量效率最大准则，选择一组最优的可重构智能表面L_R；

所述步骤203中，海上中继船舶端根据获取的位置信息，计算出海上中继船舶与所有配备可重构智能表面的高空平台间的距离，并将距离按照从小到大排序；对于第m个可重构智能表面辅助的通信系统，其净能量效率可以表示为：其中T为信道相干时间，N为可重构智能表面的元件个数，γ_Rm和γ_Dm分别为海上中继船舶端和终端船舶设备端的信噪比，P_m为系统总功耗，海上中继船舶端信噪比的数学期望近似表示为：/>其中/>和/>分别为岸基基站端到第m个可重构智能表面的距离以及第m个可重构智能表面到海上中继船舶端的距离，α为路径损失指数；终端船舶设备信噪比的数学期望近似表示为： 和/>分别为岸基基站端到第m个可重构智能表面的距离，海上中继船舶端到第m个可重构智能表面的距离，以及第m个可重构智能表面到船舶用户中终端的距离；/>表示从岸基基站端到第m个可重构智能表面再到终端船舶设备的近似信噪比，/>表示海上中继船舶端到第m个可重构智能表面再到终端船舶设备的近似信噪比；对于同一个可重构智能表面，要达到系统净能量效率的最大，则有

所述步骤203中，选择一组最优的可重构智能表面的步骤为：

步骤301、当m＝1时，初始可重构智能表面集合表示为：L_R＝{RIS₁}；选择集合L_R中的距离中继船舶最近的可重构智能表面辅助通信，海上中继船舶端算出此时系统的净能量效率η，其中净能量效率表示为：其中P_tol为系统总功耗，表示为：/>这里的P_B和P_R为岸基基站端和海上中继船舶端的发送功率，/>和/>为岸基基站、海上中继船舶和终端船舶设备的电路功耗，/>代表排序集合中第1个可重构智能表面中第n个反射元件的功耗；

步骤302、按照顺序依次在集合中往下选择可重构智能表面RIS_m，m＝m+1，此时海上中继船舶端所选的可重构智能表面集合为：计算出此时所选多个可重构智能表面辅助海上系统的净能量效率/>其中净能量效率表示为其中/>为集合/>中可重构智能表面的个数，/>为系统总功耗，表示为：/>其中/>代表排序集合中第m个可重构智能表面中第n个反射元件的功耗，/>和/>分别为此时海上船舶中继端和终端船舶设备端的信噪比；

步骤303、将步骤302计算出来的净能量效率值与前一轮计算的净能量效率值进行比较，如果对比净能量效率值不再增加，则结束此计算过程，否则将当前计算结果和所选可重构智能表面替换前一轮结果，即：和/>返回步骤302；

步骤204、海上中继船舶端选择高空平台中最优的一组可重构智能表面后，岸基基站端和终端船舶设备同时向所选的可重构智能表面发送正交导频进行信道估计；

步骤205、海上中继船舶端和岸基基站估计到信道状态信息后，岸基基站通过可重构智能表面控制器对所选的一组可重构智能表面相位进行调整，岸基基站发送数据信号给终端船舶设备；

步骤206、若终端船舶设备、高空平台以及海上中继船舶的位置改变，则需重新获取位置信息并计算系统的净能量效率，转步骤202。

2.根据权利要求1所述的一种分布式可重构智能表面辅助的海上通信方法，其特征在于：所述步骤204中，海上中继船舶端选择出最优的一组可重构智能表面后，岸基基站端和终端船舶设备同时向所选的可重构智能表面发送正交导频进行信道估计：

步骤401、岸基基站和终端船舶设备分时隙发送导频信号，可重构智能表面控制器控制集合L_R中的可重构智能表面依次打开反射元件；

步骤402、可重构智能表面控制器控制打开集合L_R中第一块可重构智能表面的第一个反射元件，第一个反射元件的振幅为1，相位为0，导频信号经过集合L_R的可重构智能表面上的第一个反射元件分别反射到海上中继船舶端，岸基基站端和终端船舶设备端；海上中继船舶端同时通过最小均方误差方法估计出该相干时间下的岸基基站与海上中继船舶之间以及海上中继船舶与终端船舶设备之间的级联信道，岸基基站端和终端船舶设备端估计出岸基基站与终端船舶设备之间的级联信道；

步骤403、岸基基站和终端船舶设备通过可重构智能表面控制器控制集合L_R中排序第一的可重构智能表面，使其关闭前一个反射元件，打开反射面下一个反射元件，设置其反射幅度为1，相位为0；导频信号分别经过集合L_R中排序第一的可重构智能表面反射到海上中继船舶端，岸基基站端和终端船舶设备端，海上中继船舶端同时通过最小均方误差方法估计出该相干时间下的岸基基站与海上中继船舶之间以及海上中继船舶与终端船舶设备之间的级联信道，岸基基站端和终端船舶设备端估计出岸基基站与终端船舶设备之间的级联信道；

步骤404、重复步骤403直到集合L_R中的所有可重构智能表面的每一个反射元件依次打开一遍；

步骤405、可重构智能表面上的所有反射元件都关闭后，海上中继船舶端再将估计的信道全部反馈给岸基基站以便下一步通信。