CN115334526B - 一种基于可变绕射调节结构的无线信号优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可变绕射调节结构的无线信号优化方法，属于无线通信领域，具体包括：首先，在通信场景中找出由于障碍物遮挡所造成的阴影区域；根据预期信号的分布，确定入射无线电波绕射后所需满足的指标；进一步确定符合指标的可变绕射调节结构的参数，并部署于障碍物边缘，当障碍物遮挡无线电波路径时，对覆盖阴影区域的信号进行调节；最后判断可变绕射调节结构是否带控制模块，如果是，则通信过程中通过控制模块动态调整绕射参数；否则，继续判断各有关节点监测通信效果是否符合预期，如不符合预期则重新进行参数校准过程；本发明转化为对特定建筑边缘的“线”部署，无需控制模块与射频控制单元建立通信链路，节省了架设成本。
Description
技术领域
本发明属于无线通信领域，尤其涉及一种基于可变绕射调节结构的无线信号优化方法。
背景技术
在无线通信或移动通信中，收/发信机之间障碍物边缘的遮挡导致无线信号通过的菲涅尔区半径变小，而信号波长越短则对应菲涅尔区半径就越小，对于频率越高的信号造成的损耗越严重。如何减少障碍物边缘遮挡带来的影响，是无线通信实现大范围无死角覆盖需要研究的问题。另一方面，如果需要利用障碍物边缘更好地遮挡非必要的无线信号或干扰，也需要更灵活的手段来调节障碍物边缘对无线电波传播的影响。
目前使用可重配智能超表面(RIS，Reconfigurable Intelligent Surface)或智能反射面(Intelligent Reflecting Surface)进行覆盖增强或覆盖调节的研究，如文献[1]和[2]等；公开了：RIS由若干可控信号反射单元组成，每个单元可以调控入射径的出射幅值和相位，从而实现无线信道的可控制性。RIS可用于在通信的视距链路受到遮挡时，提供额外的可控的反射径，以增强被遮挡情况下的覆盖性能。
RIS的技术路线本质上是对出射信号的幅度、相位进行精确调控，实现出射信号的指向控制，建立起与被遮挡通信节点的无线传播链路，然而这种调控过程由于无线信道需要较精确的估计或反馈，是极其耗费无线频谱资源和计算资源的，且随着通信双方的天线规模和RIS单元规模的扩大，频谱资源和计算资源要求将越来越苛刻。
而且为了保证遮挡导致的大片阴影区域得到无线信号覆盖，需要铺设大量RIS，随着用户数的上升，较少的RIS单元数目也无法支撑多用户的覆盖优化需求，因此在室外用户密集的场所RIS规模将较为巨大；另外为了保证RIS单元的实时调控，也需要铺设RIS和无线基站或中央处理单元之间的通信链路。因此，RIS增强遮挡处覆盖的方案有较高的成本。
此外，RIS在利用反射机理工作时一般要求其部署的位置与产生遮挡的障碍物不在同一地点，导致其选址受到一定的限制。
[1]刘秋妍,吕轩,李佳俊,张忠皓.基于智能超表面的毫米波覆盖增强技术研究[J].信息通信技术,2021,15(05):34-38.
[2]郭雅婧,章嘉懿,鲁照华,王明慧.面向移动用户的智能反射表面波束追踪与覆盖增强算法[J].中兴通讯技术,2021,27(02):54-59.
发明内容
针对建筑遮挡造成覆盖质量下降的阴影区域以及绕射传播中的同时同频全双工通信的双向干扰的问题，本发明提供了一种基于可变绕射调节结构的无线信号优化方法，实现了绕射传播阴影中的覆盖质量增强。
具体包括：
步骤一、针对无线通信场景中，通过仿真或测试找出收/发信机之间，由于障碍物遮挡所造成的覆盖阴影区域；
该区域通过接收强度门限确定：
其中Λ为所有覆盖区域中地图像素点的集合，x为移动终端的坐标，P(x)为移动终端坐标的接收信号功率测量或仿真值，P1为接收信号功率的门限；
仿真P(x)的公式为：
其中α0(x)，分别为建筑边缘的绕射径对坐标x的幅度增益和相位变化，αl(x)，/>分别为除绕射径外其他径的幅度增益和相位变化，L为除绕射径外其他径的个数，PTX为移动终端的发射功率，j为虚数。
步骤二、根据覆盖阴影区域内所预期的无线通信的接收信号分布或干扰信号分布情况，确定入射无线电波绕射后，无线电波所需满足的指标；
指标包括频率、极化模式、带宽、绕射后的方向以及强度的空间分布。
步骤三、选择可变绕射调节结构，通过仿真或测试确定符合无线电波所需指标的可变绕射调节结构的参数；
结构参数，包括但不限于：尺寸、材料、外观和安装结构。
可变绕射调节结构，包括非阵列式调节结构和阵列式调节结构；
非阵列式调节结构是指：通过引入与无线信号工作波长相近的，不连续金属导体带来的散射来改变绕射性能；
阵列式调节结构是指：边缘结构配合发射天线阵列的多波束，构成产生绕射信号的天线阵列，再由该绕射阵列形成波束来灵活的改变绕射信号的空间分布。
测试得到各结构参数的过程为：
通过不断调节各结构参数，使得满足阴影区域各个点的信号接收质量达到预期门限的同时，最大化区域平均接收功率；
具体表达式为：
其中Ω为所有可调结构参数的集合，P(x,Ω)为考虑绕射结构后的接收功率测量值或仿真值，N为阴影区域内的测量或仿真点数量，P2为最小接收功率阈值。
在同时同频全双工系统中，优化方法上述相同，同样为最大化平均接收功率。
当使用仿真方法计算P(x,Ω)时，其计算方法为：
其中α0(x,Ω)，分别为建筑边缘的绕射径对坐标x考虑了绕射结构参数时的幅度增益和相位变化。
最终使得满足约束条件且使得约束条件达到最优的各结构参数即为所求。
步骤四、将确定好结构参数的可变绕射调节结构，部署于相应的障碍物边缘，当障碍物遮挡无线电波路径时，对覆盖阴影区域的信号进行调节；并对比部署可变绕射调节结构前后的效果，根据实测数据调整绕射结构的部署和结构参数；
如果该结构是带控制模块的，则同时部署控制模块，并测试和校准控制模块对可变绕射调节结构的控制功能和控制性能；
步骤五、部署完成后，将相关的部署信息根据需要注册至通信设备中；
步骤六、判断部署好的可变绕射调节结构是否带控制模块，如果是，则通信过程中各节点监测通信效果并通过控制模块动态调整绕射参数；否则，继续判断通信过程中各有关节点监测通信效果是否符合预期，如不符合预期则回到步骤四，重新进行参数校准过程。
本发明的优点在于：
1)、一种基于可变绕射调节结构的无线信号优化方法，相比现有RIS等改变信号传播特性的方法，将密集用户场景下的大范围的RIS的“面”的部署，本发明转化为对特定建筑边缘的“线”的部署，部署成本更低；在不涉及绕射模式调节时，无需控制模块与射频控制单元建立通信链路，也节省了架设成本。
2)、一种基于可变绕射调节结构的无线信号优化方法，无需额外的用于无线信道模型测量训练的频谱资源和计算资源开销。相比RIS需要得知具体信道信息或终端位置才可确定各个单元的幅相变化，以实现指定方向的反射增强。本发明中的绕射调节边缘结构，利用改变绕射传播方式的作用范围，可以实现被动静态地改变绕射辐射模式，因此这种情况下无需信道估计/反馈的频谱资源，也无需用于优化的计算资源。
附图说明
图1为本发明绕射增强场景示意图；
图2为本发明一种基于可变绕射调节结构的无线信号优化方法的流程图；
图3为本发明在介质棒表面或内部放置分散式金属材料的边缘结构示例；
图4为本发明在介质棒表面放置整体金属材料的边缘结构示例；
图5为本发明非阵列式固定分段式边缘结构示例；
图6为本发明非阵列式将边缘材料氛围两部分结构示例；
图7为本发明阵列式边缘结构示例；
图8为本发明阵列式边缘结构的旋转示例。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入的具体过程描述。
由于建筑物或其他障碍物遮挡无线电波信号，造成部分阴影区域的传播损耗过大或不足，在受建筑物边缘遮挡的两个节点(例如终端与基站)通信时依赖绕射传播；为了缓解上述问题，本发明提出了一种基于可变绕射调节结构的无线信号优化方法，利用特定的可变边缘结构调节无线电波绕射的参数，包括对应不同频率的极化模式、方向或强度，将该结构部署于障碍物边缘，当该障碍物遮挡无线电波路径时，对覆盖阴影区域的信号进行调节。
如图1所示，通过在边缘加装特定绕射调节结构，可以调节绕射损耗，实现阴影处覆盖的增强或减弱，原本基站信号被遮挡无法到达终端，但加装本发明所提出的可变绕射调节或增强结构后使得信号通过更强的绕射到达了终端。需要说明的是，图1仅仅是一个示例，只展示了增强绕射以使信号更多地绕过障碍物，并未展示通过调节信号角度或进行吸收来减弱绕射以避免干扰的效果。
本发明通过设计部署于建筑物或障碍物边缘的结构，与RIS主要改变“反射”的传播特性来调控信道的目标类似，但本发明侧重改变无线传播中“绕射”的传播特性，从而改变处于遮挡的阴影中的覆盖质量。RIS的结构是“面”，而本发明关注的结构是面的边缘，也就是“线”。另外，RIS由于对方向性有要求，通常只能进行主动调控，而通过研究边缘结构的绕射特性，可以无源地、被动地改变绕射传播方式，实现特定被遮挡区域的覆盖增强或减弱，而无需额外的功耗、频谱与计算资源；该边缘结构也只需部署在遮挡障碍物的边缘，不像RIS需要广泛大面积部署在通常远离遮挡障碍物的位置上；同时由于不强制需要及时反馈与控制，也不需要建立与通信控制单元的信息交互链路，铺设成本较低。
当然，本发明也可以采用有源的电磁器件对入射电磁波的幅度相位进行调节以改变绕射效果，所采用器件的原理与RIS类似，也可以另外设计专门的与RIS不同的器件，这里不再赘述，以下只针对无源方式进行描述。
此外，本发明主要针对无线电波，对于更高频率的可见光(激光)，也可以通过在边缘加装折射装置或反射装置增强其绕射能力，这也不同于在通常远离障碍物的位置加装反射面，这里不再赘述。
本发明所述一种基于可变绕射调节结构的无线信号优化方法，如图2所示，具体步骤如下：
步骤一、针对无线通信场景中，通过仿真或测试找出收/发信机之间，由于障碍物遮挡所造成的覆盖阴影区域；
该区域通过接收强度门限确定：
其中Λ为所有覆盖区域中地图像素格点的集合，x为移动终端的坐标，P(x)为移动终端坐标的接收信号强度测量或仿真值，P1为接收信号强度的门限；
仿真P(x)的公式为：
其中α0(x)，分别为建筑边缘的绕射径对坐标x的幅度增益和相位变化，αl(x)，/>分别为除绕射径外其他径的幅度增益和相位变化，L为除绕射径外其他径的个数，PTX为移动终端的发射功率，j为虚数。
步骤二、根据覆盖阴影区域内所预期的无线通信的接收信号分布或干扰信号分布情况，确定入射无线电波绕射后，无线电波所需满足的指标；
为了实现阴影区域内的信号在不同频域、极化维度或空间域的覆盖能力，需要根据不同的覆盖需求明确参数类型，比如更强的空间覆盖要求则选择绕射后的方向、强度的空间分布作为指标；绕射后的无线电波满足的指标包括频率、极化模式、带宽、绕射后的方向和强度的空间分布。
步骤三、根据绕射前后无线电波的指标，选择可变绕射调节结构，通过仿真或测试确定结构参数；
结构参数，包括但不限于：尺寸、材料、外观、安装结构。
结构参数的确定方法可以为：
通过调节各结构参数，满足阴影区域各个点的信号接收质量达到预期门限的同时，最大化区域平均接收功率，表示为：
其中Ω为所有可调结构参数的集合，P(x,Ω)为考虑绕射结构后的接收功率测量值或仿真值，N为阴影区域内的测量或仿真点数量，P2为最小接收功率阈值。
在同时同频全双工系统中，优化方法与公式(3)相同，同样为最大化平均接收功率。
当使用仿真方法计算P(x,Ω)时，其计算方法可以为：
其中α0(x,Ω)，分别为建筑边缘的绕射径对坐标x且考虑了绕射结构参数时的幅度增益和相位变化。
可变绕射调节结构，包括以下两种：
1)：非阵列式调节结构。
通过引入与无线信号工作波长相近的，不连续金属导体带来的散射来改变绕射性能；如在介质棒材料表面、内部或者是介质棒的侧面(如两侧)放置金属结构，金属结构的方位可随介质棒的转动而转动，从而调整绕射电磁波的空间分布。该方案还可进行扩展，即填充金属片或其他影响电磁波传播的材料的分布可以沿边缘有所不同，例如：固定分段，每段对应各自不同的绕射角度和上下偏转角度，或者每段填充不同尺寸的金属片来适应不同的信号波长，以便入射波调节入射到不同段所在位置来获得不同的绕射效果；或渐变式分布，例如中间嵌入的金属材料密度高，密度分布向两端逐渐降低；
2)：阵列式调节结构
阵列式的边缘结构配合发射天线阵列的多波束，构成产生绕射信号的天线阵列，再由该绕射阵列形成波束来灵活的改变绕射信号的空间分布。多个绕射结构在空间上形成阵列的同时，再通过调整绕射阵列中各个单元对入射信号的幅相改变，生成绕射阵列波束，从而改变出射改变信号的空间分布。
步骤四、将确定好结构参数的可变绕射调节结构，部署于相应的障碍物边缘；并分别对比部署前后的效果，进行参数校准；
检验公式(4)中与绕射结构参数和接收点坐标有关的映射是否正确，并根据实测数据进行修正，然后根据修正结果调整绕射结构的部署和结构参数；
如果该结构是带控制模块的，则同时部署控制模块，并测试和校准控制模块对可变绕射调节结构的控制功能和控制性能；
本实施例选择传统的启发式优化方法：贪心算法、粒子群算法或遗传算法等；
步骤五、部署完成后，将相关的部署信息根据需要注册至通信设备中；
步骤六、判断部署好的可变绕射调节结构是否带控制模块，如果是，则通信过程中各节点监测通信效果并通过控制模块动态调整绕射参数，如式(3)所示；否则，继续判断通信过程中各有关节点监测通信效果是否符合预期，如不符合预期则回到步骤四，重新进行参数校准过程。
实施例：
首先，规划无线通信节点的覆盖范围，根据收发信机的参数，例如发射功率、频率、天线方向性和接收灵敏度等，通过仿真或测试找出受到障碍物遮挡所造成的覆盖阴影区域；根据覆盖阴影区域内所预期的无线通信的信号或干扰分布情况，确定所需调节的绕射参数；
绕射参数包括输入参数和输出参数，即对于给定入射无线电波(参数包括但不限于频率、极化模式、带宽、入射方向、强度的空间分布)需要使其绕射后的无线电波满足哪些指标(包括但不限于频率、极化模式、带宽、绕射后的方向、强度的空间分布)。
然后，根据确定的绕射前后无线电波指标、部署环境(包括但不限于障碍物结构、形状、材料、工作环境温度、湿度、磁场、气压)、成本以及其他有关的条件(包括但不限于外观、环保、重量、防雷接地、电磁兼容)，选择合适的可变绕射调节结构，例如选择非阵列式或阵列式(具体见后面的附图及说明)，并通过仿真或测试确定具体的结构参数，包括但不限于：尺寸、材料、外观、安装结构。
接着，将确定好结构参数的可变绕射调节结构部署于相应的障碍物边缘，在部署时，分别测试部署前和部署后的效果以进行对比，并进行校准使之尽量符合设计预期；
如果该结构是带控制模块的，则同时部署控制模块，并测试和校准控制模块对可变绕射调节结构的控制功能和控制性能；
部署完成后，将相关的部署信息根据需要注册至有关的通信设备中，有些绕射调节结构对于收发双方是透明的则不需要注册，有些结构提供了不同的绕射参数可供收发双方选择或动态控制，这类结构的部署信息需要注册。
最后，在部署好的可变绕射调节结构正常工作过程中，如果该结构不带控制模块，则通信过程中各有关节点监测通信效果是否符合预期，视情况报告工作状态(例如SINR、差错率等)，如不符合预期则视情况进行绕射参数的选择；如果该结构带控制模块，则通信过程中各节点监测通信效果并据此通过控制模块动态调整绕射参数，并视情况报告工作状态(例如SINR、差错率等)。
本实施例选择的边缘结构设计主要有两种方案：
方案1，非阵列式
如图3所示，在介质棒材料表面或内部嵌入大量金属片，金属片的方位可随介质棒的转动而转动，从而调整绕射电磁波的空间分布；或者如图4所示，介质棒的侧面(如两侧)放置金属结构。方案1还可以扩展，即填充金属片或其他影响电磁波传播的材料的分布可以沿边缘有所不同，例如：固定分段，每段对应各自不同的绕射角度和上下偏转角度，或者每段填充不同尺寸的金属片来适应不同的信号波长，以便入射波调节入射到不同段所在位置来获得不同的绕射效果，如图5所示，例如当目标节点在阴影中的第一个位置时用靠上的分段绕射获得的效果较好，移动到第二个位置时用靠下的分段绕射获得的效果较好；或渐变式分布，例如中间嵌入的金属材料密度高，密度分布向两端逐渐降低。方案1里，还可以通过某种方式(包括电气式或机械式)调节金属材料的密度分布，如图6所示，展示了整个边缘材料分成两部分，为表达清晰没有画出包裹金属的介质材料部分，两部分材料中的金属结构彼此的位置可以改变，调节彼此重叠的程度，从而使得金属结构的空间分布发生改变，从而改变绕射的效果，这种改变可以是部署时设置，也可以是在工作时动态调整。
方案2，阵列式
如图7所示，阵列式的边缘结构配合发射天线阵列的多波束，构成产生绕射信号的天线阵列，再由该绕射阵列形成波束来灵活的改变绕射信号的空间分布。图中绕射结构形成两个绕射发射源，通过调节这两个发射源的幅度和相位，改变所对应绕射信号叠加后形成波束的空间分布。
此外，还可以对边缘结构加装控制模块，控制模块可以与发射端或基站节点相互通信，进而控制模块可通过对边缘结构的某种参数调节来实现覆盖质量的调节，例如通过部署的空间方位调节实现覆盖质量的调节。如图8所示，例如根据通信的需要，旋转边缘结构从而改变绕射效果。当然也可以设计类似百叶窗等其他的可调节结构。
除图8给出的示例外，还有其他改变绕射特性的方式，取决于结构的设计，类似于结构调整后得到不同的绕射的辐射方向图，例如图6所示，该图中只展示出金属部分，金属部分分为两个结构，分别离散式分布于两部分介质中，但这两部分金属结构彼此重合的部分可调，例如两个可以套在一起的小金属管，通过调节重合的程度，可由控制模块动态调整金属材料的空间分布，从而改变电波绕射的分布，利用基于通信链路质量的闭环控制，可以起到动态调节绕射的效果，具体控制方式取决于改变辐射特性的方式。
本发明通过在建筑物或其他障碍物边缘部署安装可变绕射调节结构，以改变电磁信号在建筑边缘的绕射传播特性，实现被遮挡的阴影区域的覆盖增强或减弱；可变的绕射增强的边缘结构设计，核心是根据所需的绕射特性确定影响电磁波传播的材料的空间分布结构。
本发明基于绕射增强边缘结构，提出一种控制方法以提高链路通信质量。可以在部署该边缘结构时，基于对准边缘区域的波束信号的强弱以及通信的需要来选择具体的配置模式：如果需要绕射过障碍物的信号增强覆盖，则将边缘结构调整到绕射覆盖角度较大或强度较强的配置上，而如果需要绕射过障碍物的信号减少对其他接收机的干扰，则将边缘结构调整到绕射覆盖角度较小或强度较弱的配置上。
同时，基于绕射增强边缘结构，提出一种阵列式的边缘绕射增强结构，该结构配合收、发节点的天线阵列，形成绕射波束来提升绕射信号的空间分布灵活性。
Claims (5)
1.一种基于可变绕射调节结构的无线信号优化方法，其特征在于，具体步骤如下：
首先、针对无线通信场景中，通过仿真或测试找出收/发信机之间，由于障碍物遮挡所造成的覆盖阴影区域；
该区域通过接收强度门限确定：
其中Λ为所有覆盖区域中地图像素点的集合，x为移动终端的坐标，P(x)为移动终端坐标的接收信号功率测量或仿真值，P1为接收信号功率的门限；
然后、根据覆盖阴影区域内所预期的无线通信的接收信号分布或干扰信号分布情况，确定入射无线电波绕射后，无线电波所需满足的指标；
接着、选择可变绕射调节结构，通过仿真或测试确定符合无线电波所需指标的可变绕射调节结构的参数；
测试得到各结构参数的过程为：
通过不断调节各结构参数，使得满足阴影区域各个点的信号接收质量达到预期门限的同时，最大化区域平均接收功率；
具体表达式为：
s.t.P(x,Ω)>P2
其中Ω为所有可调结构参数的集合，P(x,Ω)为考虑绕射结构后的接收功率测量值或仿真值，N为阴影区域内的测量或仿真点数量，P2为最小接收功率阈值；
当使用仿真方法计算P(x,Ω)时，其计算方法为：
其中分别为建筑边缘的绕射径对坐标x考虑了绕射结构参数时的幅度增益和相位变化；/>分别为除绕射径外其他径的幅度增益和相位变化，L为除绕射径外其他径的个数，PTX为移动终端的发射功率；
最终使得满足约束条件且使得约束条件达到最优的各结构参数即为所求；
最后、将确定好结构参数的可变绕射调节结构，部署于相应的障碍物边缘，当障碍物遮挡无线电波路径时，对覆盖阴影区域的信号进行调节；并对比部署可变绕射调节结构前后的效果，根据实测数据调整绕射结构的部署和结构参数；
部署完成后，将相关的部署信息根据需要注册至通信设备中；判断部署好的可变绕射调节结构是否带控制模块，如果是，则通信过程中各节点监测通信效果并通过控制模块动态调整绕射参数；否则，继续判断通信过程中各有关节点监测通信效果是否符合预期，如不符合预期则回到步骤四，重新进行参数校准过程。
2.如权利要求1所述的一种基于可变绕射调节结构的无线信号优化方法，其特征在于，所述接收信号功率仿真值P(x)的计算公式为：
其中分别为建筑边缘的绕射径对坐标x的幅度增益和相位变化，分别为除绕射径外其他径的幅度增益和相位变化，L为除绕射径外其他径的个数，PTX为移动终端的发射功率，j为虚数。
3.如权利要求1所述的一种基于可变绕射调节结构的无线信号优化方法，其特征在于，所述无线电波所需满足的指标包括频率、极化模式、带宽、绕射后的方向以及强度的空间分布。
4.如权利要求1所述的一种基于可变绕射调节结构的无线信号优化方法，其特征在于，所述结构参数，包括但不限于：尺寸、材料、外观和安装结构；
可变绕射调节结构，包括非阵列式调节结构和阵列式调节结构；
非阵列式调节结构是指：通过引入与无线信号工作波长相近的，不连续金属导体带来的散射来改变绕射性能；
阵列式调节结构是指：边缘结构配合发射天线阵列的多波束，构成产生绕射信号的天线阵列，再由该天线阵列形成波束来灵活的改变绕射信号的空间分布。
5.如权利要求1所述的一种基于可变绕射调节结构的无线信号优化方法，其特征在于，所述如果绕射结构是带控制模块的，则同时部署控制模块，并测试和校准控制模块对可变绕射调节结构的控制功能和控制性能。
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