CN115529071A - 一种多智能反射面辅助的中继无线通信系统及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多智能反射面辅助的中继无线通信系统及其通信方法，该系统包括单天线基站、单天线中继和单天线用户端，以及在基站、中继与用户周围随机布设多个智能反射面；将多个智能反射面按照位置进行分区域，然后按照其与各自对应节点的距离进行升序排序；在第一跳中，保持基站端选择智能反射面不变，从中继端对应的集合中选择智能反射面，每选一次便计算此时信噪比，与上一次计算结果进行比较，选择较大信噪比；改变基站端智能反射面，再算出信噪比进行比较，直到基站端可选的与中继端可选的所有智能反射面组合遍历完毕，选出此时信噪比最大的智能反射面组合；第二跳与第一跳步骤相同并同时进行选择，找到最优一组智能反射面来辅助系统通信。

Description

一种多智能反射面辅助的中继无线通信系统及其通信方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种多智能反射面辅助的中继无线通信系统及其通信方法。

背景技术

智能反射面最近已经成为实现无线通信智能和可重构环境的新型解决方案。具体地说，智能反射面由大量具有超低功耗的被动反射元件组成，每个元件都能够以可编程的方式控制入射信号的反射相移和振幅，从而协同重塑无线传播信道，有利于信号传输。因此，与现有的只能适应但不能够控制随机无线信道的传输技术不同，智能反射面提供了一种有效对抗无线信道衰落损伤和信道干扰的新手段。此外，由于重量轻，无射频链的特点，智能反射面可以密集地部署在各种无线通信系统中，从而达到提高整个通信系统的性能以及降低成本的作用。

在基站、中继以及用户周围布设多个智能反射面辅助系统进行通信能有效避免直接链路因严重堵塞而不可用所带来的影响。同时由于智能反射面给系统带来性能的提升在靠近各发送接收节点处时是优于远离各节点的，因此在基站、中继和用户周围的智能反射面中各选择一个智能反射面来辅助系统进行通信能很好的提升整个系统的性能。然而各个发送接收节点的智能反射面的选择不是一味的按照所选的智能反射面与节点间距离远近这一唯一标准的。面对该挑战，本申请需要设计一种多智能反射面辅助中继无线通信方法及其系统，通过各节点和其选择的智能反射面的距离以及整个系统的信噪比来共同选择最优的智能反射面达到提高整体通信系统性能的作用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种多智能反射面辅助的中继无线通信系统及其通信方法，用于选择各个发送接收节点的最优智能反射面，从而提高整体系统性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多智能反射面辅助的中继无线通信系统，其创新点在于：所述通信系统主要由一个固定的单天线的基站端、一个固定的单天线中继端、一个自由移动的单天线用户端以及多个固定位置的智能反射面组成，其中基站与中继之间以及中继与用户之间都有障碍物阻挡，使得基站、中继与用户间不能直接通信；多个所述智能反射面在基站端、中继端和用户端周围随机布设，并按照距离进行区域划分，包括第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域内为基站端可以选择的智能反射面范围，所述第二区域内为中继端可以选择的智能反射面范围，所述第三区域内为用户端可以选择的智能反射面范围；所述中继端通过所选智能反射面的单反射链路以及双反射链路与基站端连接；用户端通过所选智能反射面的单反射链路以及双反射链路与中继端连接。

一种多智能反射面辅助的中继无线通信方法，其创新点在于，包括以下步骤：

S1、多个智能反射面在基站、中继以及用户端周围随机布设，基站位于中继左侧，用户位于中继右侧；基站，中继以及所有的智能反射面布设位置在基站端全部已知；用户终端设备自带全球定位系统，从而其位置信息通过信令反馈给基站已知；

S2、将基站和中继间距离的一半设定为界限1，界限1左边以及靠近基站端的所有智能反射面属于基站可以选择的范围；计算出范围内每个智能反射面与基站的距离，将距离按照大小进行升序排序，基站端可以选择通信智能反射面的排序集合可以表示为：L_B＝{IRS_B1,...,IRS_BN}；

S3、将中继与用户距离的一半设定界限2，界限1与界限2之间的所有智能反射面都设为中继可以选择的范围；计算出范围内每个智能反射面与中继的距离，将距离按照大小进行升序排序，中继端可以选择通信智能反射面的排序集合可以表示为：L_R＝{IRS_R1,...,IRS_RM}；

S4、在第一跳中，分别从基站端以及中继端的智能反射面排序集合中选择出排序第一的智能反射面进行辅助通信，计算出此时的两个智能反射面的最优相位，并按照最优相位计算出此时第一跳的信噪比γ₁₁₁；

S5、保持基站端的选择不变，更换中继端的智能反射面，使其选择排序中的下一个进行辅助通信，按照各个智能反射面此时的最优相位计算出信噪比，将此时计算出的信噪比与上一个计算出的信噪比进行比较，选择出数值较大的信噪比γ_11m；

S6、更换基站端的智能反射面，使其选择排序中的下一个与中继端的智能反射面依次进行辅助通信，将计算出来的信噪比与上一次比较出的最大的信噪比进行比较，选择出数值较大的信噪比γ_1nm；

S7、界限2右侧以及靠近用户端的所有智能反射面属于用户可以选择的范围；计算出范围内每个智能反射面与用户的距离，将距离按照大小进行升序排序，用户端可以选择通信智能反射面的排序集合可以表示为：L_U＝{IRS_U1,...,IRS_UL}；

S8、在第二跳中，分别从用户端以及中继端的智能反射面排序集合中选择出排序第一的智能反射面进行辅助通信，计算出此时的两个智能反射面的最优相位，并按照最优相位计算出此时第二跳的信噪比γ₂₁₁；

S9、保持用户端的选择不变，更换中继端的智能反射面，使其选择排序中的下一个进行辅助通信，按照各个智能反射面此时的最优相位计算出信噪比，将此时计算出的信噪比与上一个计算出的信噪比进行比较，选择出数值较大的信噪比γ_21m；

S10、更换用户端的智能反射面，使其选择排序中的下一个与中继端的智能反射面依次进行辅助通信，将计算出来的信噪比与上一次比较出的最大的信噪比进行比较，选择出数值较大的信噪比γ_2lm；

S11、选择第一跳与第二跳信噪比数值最大所对应的智能反射面辅助基站、中继和用户进行通信；

S12、如若用户位置改变，则需对用户端可以选择的智能反射面重新排序，并且第二跳的最优智能反射面要重新选择，转步骤207。

进一步的，所述步骤4中，在第一跳中，分别从基站端以及中继端的智能反射面排序集合中选择出排序第一的智能反射面进行辅助通信，计算出此时的两个智能反射面的最优相位；此时基站端选择的智能反射面的第k_B1个元素的最优相位Ω_B1可以表示为：

其中k_B1＝1,2,...,K_BN，arg()表示取相位，

表示基站端到中继端所选智能反射面的单反射链路，

表示基站端到基站端所选的智能反射面的单反射链路，h_r，

分别为基站端所选的智能反射面到中继端所选的智能反射面的接收和发射部分，

其中

为基站端所选的智能反射面到中继端所选的智能反射面的双反射链路，

分别为中继端所选的智能反射面的到达的方位角和仰角，K_RM为中继端所选的智能反射面的天线个数，a_r()代表基站端所选的智能反射面到中继端所选的智能反射面的接收数组响应；并且有

其中

分别为基站端所选的智能反射面的发送的方位角和仰角，K_BN为基站端所选的智能反射面的天线个数，a_t()代表基站端所选的智能反射面到中继端所选的智能反射面的发送数组响应；中继端选择的智能反射面的第k_R1个元素的最优相位Ω_R1可以表示为：

其中

表示基站端所选的智能反射面要中继端的单反射链路，

为中继端所选的智能反射面到中继端的单反射链路的厄米特转置。

进一步的，所述步骤4中，在第一跳中，分别从基站端以及中继端的智能反射面排序集合中选择出排序第一的智能反射面进行辅助通信，计算出此时的两个智能反射面的最优相位，并按照最优相位计算出此时第一跳的信噪比γ₁₁₁；最优相位求出后，信噪比公式可以表示为：

其中P_B为基站端的发送功率，

是加性高斯白噪声的方差，K_Bn，K_Rm分别为基站端和中继端选中的基站的天线个数，

分别为基站端到基站端选中的智能反射面的距离，基站端选中的智能反射面到中继端选中的智能反射面的距离以及中继端选中的智能反射面到中继端的距离，α为路径损失指数。

本发明有益效果为：

1、本发明在各个发送接收节点利用智能反射面辅助各节点进行通信，通过近似无源、成本低廉的智能反射面反射信号以提供辅助链路，保证用户与基站端的通信质量。

2、本发明通过对智能反射面先进行分区域，再通过智能反射面与各节点的距离进行排序，减少了选择过程中的计算复杂度。

3、本发明通过在基站端设计所选智能反射面的相位使其达到最优从而提升整个系统的通信性能。

4、本发明通过将系统分为两跳，两跳同时依次选择各个发送接收节点中可选的智能反射面，对多个智能反射面进行调度，考虑信噪比最大的情况下选择出最优的多个智能反射面协助系统进行通信，为未来无线通信中应用多个智能反射面辅助通信解决方案增加了可能性。

附图说明

图1为多智能反射面辅助中继无线通信系统模型示意图；

图2为多智能反射面辅助中继无线通信方法步骤的流程图。

附图标记说明：

1基站端、2中继端、3用户端、4障碍物、5智能反射面、6第一区域、7第二区域、8第三区域、9单反射链路、10双反射链路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参看图1，一种多智能反射面辅助中继无线通信系统，通信系统由一个固定的单天线的基站端1、一个固定的单天线中继端2、一个自由移动的单天线用户端3以及多个固定位置的智能反射面5组成，其中基站与中继之间以及中继与用户之间都有障碍物4阻挡，使得基站、中继与用户间不能直接通信；多个所述智能反射面5在基站端1、中继端2和用户端3周围随机布设，并按照距离进行区域划分，包括第一区域6、第二区域7和第三区域8，第一区域6内为基站端可以选择的智能反射面范围，第二区域7内为中继端可以选择的智能反射面范围，第三区域8内为用户端可以选择的智能反射面范围；中继端2通过所选智能反射面5的单反射链路9以及双反射链路10与基站端1连接；用户端3通过所选智能反射面5的单反射链路9以及双反射链路10与中继端2连接。

本实施例中，本发明中，基站、中继以及用户按照集合L_B，L_R，L_U对应选择智能反射面，在第一跳中，保持基站端选择的智能反射面不变，依次从中继端对应的集合L_R中选择智能反射面，每选一次便计算此时第一跳系统的信噪比，并与上一次计算出的结果进行比较，选择出较大的信噪比；改变基站端的智能反射面，再次按照之前的步骤算出信噪比进行比较，直到基站端可选的与中继端可选的所有的智能反射面进行搭配组合完毕，并选出此时信噪比最大的智能反射面组合；第二跳与第一跳步骤相同并同时进行选择，至此可以找到最优的一组智能反射面来辅助系统通信，并能进一步提升传统中继系统性能。

实施例2

参照图2，一种多智能反射面辅助中继无线通信方法，包括如下步骤：

骤201、多个智能反射面在基站、中继以及用户端周围随机布设，基站位于中继左侧，用户位于中继右侧；基站，中继以及所有的智能反射面布设位置在基站端全部已知；用户终端设备自带全球定位系统，从而其位置信息通过信令反馈给基站已知；

步骤202、将基站和中继间距离的一半设定为界限1，界限1左边以及靠近基站端的所有智能反射面属于基站可以选择的范围；计算出范围内每个智能反射面与基站的距离，将距离按照大小进行升序排序，基站端可以选择通信智能反射面的排序集合可以表示为：L_B＝{IRS_B1,...,IRS_BN}；

步骤203、将中继与用户距离的一半设定界限2，界限1与界限2之间的所有智能反射面都设为中继可以选择的范围；计算出范围内每个智能反射面与中继的距离，将距离按照大小进行升序排序，中继端可以选择通信智能反射面的排序集合可以表示为：L_R＝{IRS_R1,...,IRS_RM}；

步骤204、在第一跳中，分别从基站端以及中继端的智能反射面排序集合中选择出排序第一的智能反射面进行辅助通信，计算出此时的两个智能反射面的最优相位，并按照最优相位计算出此时第一跳的信噪比γ₁₁₁；

步骤205、保持基站端的选择不变，更换中继端的智能反射面，使其选择排序中的下一个进行辅助通信，按照各个智能反射面此时的最优相位计算出信噪比，将此时计算出的信噪比与上一个计算出的信噪比进行比较，选择出数值较大的信噪比γ_11m；

步骤206、更换基站端的智能反射面，使其选择排序中的下一个与中继端的智能反射面依次进行辅助通信，将计算出来的信噪比与上一次比较出的最大的信噪比进行比较，选择出数值较大的信噪比γ_1nm；

步骤207、界限2右侧以及靠近用户端的所有智能反射面属于用户可以选择的范围；计算出范围内每个智能反射面与用户的距离，将距离按照大小进行升序排序，用户端可以选择通信智能反射面的排序集合可以表示为：L_U＝{IRS_U1,...,IRS_UL}；

步骤208、在第二跳中，分别从用户端以及中继端的智能反射面排序集合中选择出排序第一的智能反射面进行辅助通信，计算出此时的两个智能反射面的最优相位，并按照最优相位计算出此时第二跳的信噪比γ₂₁₁；

步骤209、保持用户端的选择不变，更换中继端的智能反射面，使其选择排序中的下一个进行辅助通信，按照各个智能反射面此时的最优相位计算出信噪比，将此时计算出的信噪比与上一个计算出的信噪比进行比较，选择出数值较大的信噪比γ_21m；

步骤210、更换用户端的智能反射面，使其选择排序中的下一个与中继端的智能反射面依次进行辅助通信，将计算出来的信噪比与上一次比较出的最大的信噪比进行比较，选择出数值较大的信噪比γ_2lm；

步骤211、选择第一跳与第二跳信噪比数值最大所对应的智能反射面辅助基站、中继和用户进行通信；

步骤212、如若用户位置改变，则需对用户端可以选择的智能反射面重新排序，并且第二跳的最优智能反射面要重新选择，转步骤207。

具体的，步骤204中，在第一跳中，分别从基站端以及中继端的智能反射面排序集合中选择出排序第一的智能反射面进行辅助通信，计算出此时的两个智能反射面的最优相位；此时基站端选择的智能反射面的第k_B1个元素的最优相位Ω_B1可以表示为：

其中k_B1＝1,2,...,K_BN，arg()表示取相位，

表示基站端到中继端所选智能反射面的单反射链路，

表示基站端到基站端所选的智能反射面的单反射链路，h_r，

分别为基站端所选的智能反射面到中继端所选的智能反射面的接收和发射部分，

其中

为基站端所选的智能反射面到中继端所选的智能反射面的双反射链路，

分别为中继端所选的智能反射面的到达的方位角和仰角，K_RM为中继端所选的智能反射面的天线个数，a_r()代表基站端所选的智能反射面到中继端所选的智能反射面的接收数组响应；并且有

其中

分别为基站端所选的智能反射面的发送的方位角和仰角，K_BN为基站端所选的智能反射面的天线个数，a_t()代表基站端所选的智能反射面到中继端所选的智能反射面的发送数组响应；中继端选择的智能反射面的第k_R1个元素的最优相位Ω_R1可以表示为：

其中

表示基站端所选的智能反射面要中继端的单反射链路，

为中继端所选的智能反射面到中继端的单反射链路的厄米特转置。

具体的，步骤204中，在第一跳中，分别从基站端以及中继端的智能反射面排序集合中选择出排序第一的智能反射面进行辅助通信，计算出此时的两个智能反射面的最优相位，并按照最优相位计算出此时第一跳的信噪比γ₁₁₁；最优相位求出后，信噪比公式可以表示为：

其中P_B为基站端的发送功率，

是加性高斯白噪声的方差，K_Bn，K_Rm分别为基站端和中继端选中的基站的天线个数，

分别为基站端到基站端选中的智能反射面的距离，基站端选中的智能反射面到中继端选中的智能反射面的距离以及中继端选中的智能反射面到中继端的距离，α为路径损失指数。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种多智能反射面辅助的中继无线通信系统，其特征在于：所述通信系统主要由一个固定的单天线的基站端、一个固定的单天线中继端、一个自由移动的单天线用户端以及多个固定位置的智能反射面组成，其中基站与中继之间以及中继与用户之间都有障碍物阻挡，使得基站、中继与用户间不能直接通信；多个所述智能反射面在基站端、中继端和用户端周围随机布设，并按照距离进行区域划分，包括第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域内为基站端可以选择的智能反射面范围，所述第二区域内为中继端可以选择的智能反射面范围，所述第三区域内为用户端可以选择的智能反射面范围；所述中继端通过所选智能反射面的单反射链路以及双反射链路与基站端连接；用户端通过所选智能反射面的单反射链路以及双反射链路与中继端连接。

2.一种多智能反射面辅助的中继无线通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、多个智能反射面在基站、中继以及用户端周围随机布设，基站位于中继左侧，用户位于中继右侧；基站，中继以及所有的智能反射面布设位置在基站端全部已知；用户终端设备自带全球定位系统，从而其位置信息通过信令反馈给基站已知；

S2、将基站和中继间距离的一半设定为界限1，界限1左边以及靠近基站端的所有智能反射面属于基站可以选择的范围；计算出范围内每个智能反射面与基站的距离，将距离按照大小进行升序排序，基站端可以选择通信智能反射面的排序集合可以表示为：L_B＝{IRS_B1,...,IRS_BN}；

S3、将中继与用户距离的一半设定界限2，界限1与界限2之间的所有智能反射面都设为中继可以选择的范围；计算出范围内每个智能反射面与中继的距离，将距离按照大小进行升序排序，中继端可以选择通信智能反射面的排序集合可以表示为：L_R＝{IRS_R1,...,IRS_RM}；

S4、在第一跳中，分别从基站端以及中继端的智能反射面排序集合中选择出排序第一的智能反射面进行辅助通信，计算出此时的两个智能反射面的最优相位，并按照最优相位计算出此时第一跳的信噪比γ₁₁₁；

S5、保持基站端的选择不变，更换中继端的智能反射面，使其选择排序中的下一个进行辅助通信，按照各个智能反射面此时的最优相位计算出信噪比，将此时计算出的信噪比与上一个计算出的信噪比进行比较，选择出数值较大的信噪比γ_11m；

S6、更换基站端的智能反射面，使其选择排序中的下一个与中继端的智能反射面依次进行辅助通信，将计算出来的信噪比与上一次比较出的最大的信噪比进行比较，选择出数值较大的信噪比γ_1nm；

S7、界限2右侧以及靠近用户端的所有智能反射面属于用户可以选择的范围；计算出范围内每个智能反射面与用户的距离，将距离按照大小进行升序排序，用户端可以选择通信智能反射面的排序集合可以表示为：L_U＝{IRS_U1,...,IRS_UL}；

S8、在第二跳中，分别从用户端以及中继端的智能反射面排序集合中选择出排序第一的智能反射面进行辅助通信，计算出此时的两个智能反射面的最优相位，并按照最优相位计算出此时第二跳的信噪比γ₂₁₁；

S9、保持用户端的选择不变，更换中继端的智能反射面，使其选择排序中的下一个进行辅助通信，按照各个智能反射面此时的最优相位计算出信噪比，将此时计算出的信噪比与上一个计算出的信噪比进行比较，选择出数值较大的信噪比γ_21m；

S10、更换用户端的智能反射面，使其选择排序中的下一个与中继端的智能反射面依次进行辅助通信，将计算出来的信噪比与上一次比较出的最大的信噪比进行比较，选择出数值较大的信噪比γ_2lm；

S11、选择第一跳与第二跳信噪比数值最大所对应的智能反射面辅助基站、中继和用户进行通信；

S12、如若用户位置改变，则需对用户端可以选择的智能反射面重新排序，并且第二跳的最优智能反射面要重新选择，转步骤207。

3.根据权利要求2所述的一种多智能反射面辅助的中继无线通信方法，其特征在于：所述步骤4中，在第一跳中，分别从基站端以及中继端的智能反射面排序集合中选择出排序第一的智能反射面进行辅助通信，计算出此时的两个智能反射面的最优相位；此时基站端选择的智能反射面的第k_B1个元素的最优相位Ω_B1可以表示为：

其中k_B1＝1,2,...,K_BN，arg()表示取相位，

表示基站端到中继端所选智能反射面的单反射链路，

表示基站端到基站端所选的智能反射面的单反射链路，h_r，

分别为基站端所选的智能反射面到中继端所选的智能反射面的接收和发射部分，

其中

为基站端所选的智能反射面到中继端所选的智能反射面的双反射链路，

分别为中继端所选的智能反射面的到达的方位角和仰角，K_RM为中继端所选的智能反射面的天线个数，a_r()代表基站端所选的智能反射面到中继端所选的智能反射面的接收数组响应；并且有

其中

分别为基站端所选的智能反射面的发送的方位角和仰角，K_BN为基站端所选的智能反射面的天线个数，a_t()代表基站端所选的智能反射面到中继端所选的智能反射面的发送数组响应；中继端选择的智能反射面的第k_R1个元素的最优相位Ω_R1可以表示为：

其中

表示基站端所选的智能反射面要中继端的单反射链路，

为中继端所选的智能反射面到中继端的单反射链路的厄米特转置。

4.根据权利要求2所述的一种多智能反射面辅助的中继无线通信方法，其特征在于：所述步骤4中，在第一跳中，分别从基站端以及中继端的智能反射面排序集合中选择出排序第一的智能反射面进行辅助通信，计算出此时的两个智能反射面的最优相位，并按照最优相位计算出此时第一跳的信噪比γ₁₁₁；最优相位求出后，信噪比公式可以表示为：

其中P_B为基站端的发送功率，

是加性高斯白噪声的方差，K_Bn，K_Rm分别为基站端和中继端选中的基站的天线个数，

分别为基站端到基站端选中的智能反射面的距离，基站端选中的智能反射面到中继端选中的智能反射面的距离以及中继端选中的智能反射面到中继端的距离，α为路径损失指数。

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