CN115580364A - 一种智能超表面技术辅助无人机信道建模方法 - Google Patents

一种智能超表面技术辅助无人机信道建模方法 Download PDF

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CN115580364A CN202211258390.3A CN202211258390A CN115580364A CN 115580364 A CN115580364 A CN 115580364A CN 202211258390 A CN202211258390 A CN 202211258390A CN 115580364 A CN115580364 A CN 115580364A
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熊柏苹
江浩
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Abstract

本发明公开了一种智能超表面技术辅助无人机信道建模方法，通过引入动态子阵列划分算法将RIS阵列划分为多个小尺寸子阵列，使得平面波近似应用于子阵列信道参数的求解，可有效降低大尺度RIS阵列辅助UAV‑GR无线信道中近场传输场景下的信道特性计算复杂度。本发明提出的基于动态子阵列划分算法的信道建模方法在远场传输场景下可获得与传统平面波模型相同的建模精度，且不会增加额外的计算复杂度。

Description

一种智能超表面技术辅助无人机信道建模方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及智能超表面技术辅助无人机信道建模方法。
背景技术
无人机(UAV)通信是6G无线通信网络的重要组成部分，相对于传统路面或卫星通信具有可根据需求部署以实现通信链路的快速搭建、低网络部署成本、三维空间运动以及不同高度(竖直偏向角)影响等特性，对实现6G“全覆盖、全应用”愿景具有重要意义。智能超表面技术(RIS)作为一种新兴的低成本高能效使能技术，可通过采用大量低成本、亚波长、近无源反射单元调控电磁波来构造智能化动态传输环境，增强收发端的通信性能。本发明围绕RIS辅助UAV-GR无线信道展开分析，揭示RIS辅助UAV无线信道新特性，探索RIS辅助UAV无线信道特性分析方法，为相关技术发展提供理论基础。
针对RIS辅助无线信道特性的研究主要涉及大尺度路径损耗和小尺度衰落两个方面。针对第一个方面，法国巴黎萨克雷大学团队基于向量域格林定理分析了RIS辅助无线信道路径损耗特性；东南大学团队推导并实验测量验证了RIS辅助无线信道的自由空间路径损耗模型。针对RIS辅助无线信道的小尺度衰落特性研究尚处于起步阶段，可公开检索的相关研究成果大都聚焦于RIS辅助路面低频段无线通信系统的信道特性分析。基于这些模型的结论无法适用于RIS辅助UAV-GR无线通信系统。
现有关于RIS信道模型的研究大都考虑远场传输环境，即假设收发端到RIS之间的传输距离大于RIS阵列的瑞利距离，进而采用平面波模型求解信道参数。研究表明，RIS需要集成大量的单元数目才能提供可观的性能增益，单元数目的增加会引起RIS阵列尺寸的增大，进而导致阵列瑞利距离的增大。同时，UAV的高动态特性使得UAV和RIS之间的传输距离随时间不断变化。因此，在RIS辅助UAV-GR无线通信系统中，远场传输条件并不能始终成立。在近场传输环境下，虽然可采用球面波模型求解信道参数，但球面波模型复杂度过高。为了解决这一问题，本发明提出一种RIS辅助无人机信道传输特性分析方法，通过引入动态子阵列划分算法将RIS阵列划分为多个小尺寸子阵列，从而将平面波近似应用于子阵列信道参数的求解，可有效降低大尺度RIS阵列辅助UAV-GR无线信道中近场传输场景下的信道特性分析复杂度。同时，本发明提出的基于动态子阵列划分算法的信道特性分析方法在远场传输场景下可获得与传统平面波模型相同的建模精度，且不会增加额外的计算复杂度。
发明内容
技术问题：针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种智能超表面技术辅助无人机信道建模方法，通过对RIS阵列进行动态子阵列划分，从而将平面波近似应用于子阵列信道参数的求解，可有效降低近场传输场景下RIS辅助UAV无线信道建模复杂度，进一步提高信道模型的可扩展性。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的一种智能超表面技术辅助无人机信道建模方法包括以下步骤：
步骤1：构建智能超表面RIS辅助无人机UAV-路面用户GR无线通信场景；包括：构建x-y-z直角坐标系，设置与UAV和GR天线阵列相关的参数、与RIS阵列相关的参数、以及与散射簇相关的参数；
步骤2：当UAV和GR处于运动状态时，计算UAV和GR天线阵列中点到RIS阵列中心的最短几何传输距离；
步骤3：对RIS阵列执行子阵列划分，确保每个子阵列的瑞利距离都小于UAV和GR天线阵列中点到RIS阵列中心的最短传输距离，计算子阵列的数目、子阵列包含单元的数目以及子阵列中心点的位置坐标矢量；
步骤4：当UAV发出的信号经RIS作用到达GR时，基于步骤3得到的子阵列，计算传输链路的信道冲激响应函数；
步骤5：当UAV发出的信号经散射簇反射到达GR时，计算传输链路的信道冲激响应函数；
步骤6：重复执行步骤2～5，获取不同时刻下RIS辅助UAV-GR信道冲激响应函数，计算RIS辅助UAV-GR无线信道矩阵。
其中，
所述步骤1中构建智能超表面RIS辅助无人机UAV-路面用户GR无线通信场景进一步包括：
S11：构建x-y-z直角坐标系；
在RIS辅助UAV-GR无线通信系统中，定义UAV和GR分别配置有MT根发射天线和MR根接收天线，信号载波频率为fc，定义UAV天线阵列中点在水平路面的投影点为坐标原点；坐标原点与GR天线阵列中点连线为x轴；假设z轴经过UAV天线阵列中点且垂直水平路面向上；根据右手定则确定y轴；
S12：设置与UAV和GR天线阵列相关的参数；
UAV和GR天线阵列中点初始位置坐标矢量分别表示为dT(0)和dR(0)；UAV天线阵列中点到第p根天线的距离矢量表示为
Figure BDA0003889913080000021
GR天线阵列中点到第q根天线的距离矢量表示为
Figure BDA0003889913080000022
p＝1,2,...,MT，q＝1,2,...,MR；
S13：设置与RIS阵列相关的参数；
RIS阵列为平面矩形阵列，假设其包含M×N个单元，其中M表示单元列数目、N表示单元行数目；假设所有单元具有相同的尺寸，表示为dc×dr；RIS阵列部署在垂直水平路面的建筑物侧表面，相对于x轴具有水平偏转角度θI；RIS阵列中心点的位置坐标矢量表示为dRIS；
S14：设置与散射簇相关的参数；
在RIS辅助UAV-GR通信场景中，假设分布有L个散射簇，每个散射簇对应一条可分辨传输路径，其中第l个散射簇表示为Sl；UAV和GR天线阵列中点到散射簇Sl中心的距离矢量分别表示为
Figure BDA0003889913080000031
和
Figure BDA0003889913080000032
t表示运动时间；l＝1,2,...,L；
每个散射簇内包含有I个散射体，每个散射体对应一条不可分辨的射线；UAV和GR天线阵列中点经过第i条射线到达散射簇Sl的距离矢量分别表示为
Figure BDA0003889913080000033
和
Figure BDA0003889913080000034
i＝1,2,...,I。
所述步骤2中，UAV和GR天线阵列中点到RIS阵列中心的最短几何传输距离为：
Figure BDA0003889913080000035
其中，算子min{·,·}表示取最小值，算子||·||表示取向量的模，
Figure BDA0003889913080000036
和
Figure BDA0003889913080000037
分别表示UAV和GR天线阵列中点到RIS阵列中心的距离矢量，计算为：
Figure BDA0003889913080000038
Figure BDA0003889913080000039
其中，vT和vR分别表示UAV和GR的运动速度矢量。
所述步骤3中对RIS阵列执行子阵列划分，将RIS阵列划分为多个子阵列，计算子阵列的数目、子阵列包含单元的数目以及子阵列中心点的位置坐标矢量；具体过程如下：
S31：将RIS阵列均匀划分为Msub(t)×Nsub(t)个子阵列，其中，最大的子阵列包含的反射单元数目表示为
Figure BDA00038899130800000310
当最大的子阵列满足远场平面波近似条件时，所有子阵列都满足远场平面波近似条件，计算最大的子阵列中反射单元的数目
Figure BDA00038899130800000311
和
Figure BDA00038899130800000312
为：
Figure BDA00038899130800000313
Figure BDA00038899130800000314
其中，算子
Figure BDA00038899130800000315
表示向下取整；λ表示信号波长；
S32：在对RIS执行子阵列划分之后，计算子阵列的数目Msub(t)和Nsub(t)为：
Figure BDA00038899130800000316
Figure BDA00038899130800000317
其中，mod{·,·}表示模除算子；
S33：对于任意第(msub,nsub)个msub＝1,2,...,Msub(t)，nsub＝1,2,...,Nsub(t)子阵列，计算子阵列包含单元的数目
Figure BDA0003889913080000041
和
Figure BDA0003889913080000042
为：
Figure BDA0003889913080000043
Figure BDA0003889913080000044
S34：对于任意第(msub,nsub)个子阵列，计算子阵列的中心点的坐标位置矢量
Figure BDA0003889913080000045
为：
Figure BDA0003889913080000046
所述步骤4中当UAV发出的信号经RIS作用到达GR时，基于步骤3得到的子阵列，计算传输链路的信道冲激响应函数；具体过程如下：
S41：计算UAV和GR天线阵列中点到RIS阵列中第(msub,nsub)个子阵列中心的距离矢量为：
Figure BDA0003889913080000047
Figure BDA0003889913080000048
S42：计算UAV第p根天线和GR第q根天线到RIS阵列中第(m,n)个单元的传输距离为：
Figure BDA0003889913080000049
Figure BDA00038899130800000410
其中，<·,·>表示向量点乘算子；
Figure BDA0003889913080000051
和
Figure BDA0003889913080000052
表示信号从UAV天线阵列入射到RIS第(msub,nsub)个子阵列中心的水平和法向入射角；
Figure BDA0003889913080000053
和
Figure BDA0003889913080000054
表示信号从RIS第(msub,nsub)个子阵列中心反射到接收端天线阵列的水平和法向反射角；同时，在RIS第(msub,nsub)个子阵列中，限制反射单元索引m和n的取值范围为：
Figure BDA0003889913080000055
和
Figure BDA0003889913080000056
S43：当UAV发出的信号经RIS阵列第(msub,nsub)个子阵列中的不同单元作用到达GR时，多普勒频偏计算为：
Figure BDA0003889913080000057
S44：计算发射端第p根与接收端第q根天线之间，经RIS作用的传输链路的信道冲激响应为：
Figure BDA0003889913080000058
其中，τ是传输时延，
Figure BDA0003889913080000059
表示UAV和GR之间经RIS作用的传输链路的时延，c是光速；Kvir是虚拟莱斯因子；δ(·)是单位冲激函数；
Figure BDA00038899130800000510
是RIS第(m,n)个单元的调控系数，χmn(t)为幅度，
Figure BDA00038899130800000511
为相位；Υpq(t)是功率归一化因子，计算为：
Figure BDA00038899130800000512
其中，
Figure BDA00038899130800000513
表示求期望算子；|·|表示求绝对值算子；
Figure BDA00038899130800000514
表示求和算子。
所述步骤5中当UAV发出的信号经散射簇反射到达GR时，计算传输链路的信道冲激响应函数；具体过程如下：
S51：计算UAV和GR天线阵列中点经第i条射线到达散射簇Sl的距离矢量为：
Figure BDA00038899130800000515
Figure BDA00038899130800000516
其中，
Figure BDA00038899130800000517
表示在初始时刻，GR天线阵列中点经第i条射线到散射簇Sl的距离矢量，计算为：
Figure BDA00038899130800000518
其中，
Figure BDA00038899130800000519
和
Figure BDA00038899130800000520
分别表示在初始时刻，信号从散射簇Sl经第i条射线到达GR天线阵列中点的水平方位到达角和竖直方位到达角；
S52：计算UAV第p根天线和GR第q根天线经第i条射线到散射簇Sl的传输距离为：
Figure BDA0003889913080000061
Figure BDA0003889913080000062
S53：当UAV发出的信号经散射簇Sl中的第i条射线到达GR时，计算多普勒频偏：
Figure BDA0003889913080000063
S54：计算发射端第p根与接收端第q根天线之间，经散射簇Sl反射的传输链路的信道冲激响应为：
Figure BDA0003889913080000064
其中，
Figure BDA0003889913080000065
是散射簇Sl归一化功率；
Figure BDA0003889913080000066
是均匀分布随机相位；
Figure BDA0003889913080000067
表示UAV和GR之间经散射簇Sl反射的传输链路的时延，
Figure BDA0003889913080000068
和
Figure BDA0003889913080000069
分别表示UAV和GR天线阵列中心到达散射簇Sl中心的距离矢量，计算为：
Figure BDA00038899130800000610
Figure BDA00038899130800000611
其中，
Figure BDA00038899130800000612
表示在初始时刻，GR天线阵列中点到散射簇Sl中心的距离矢量，计算为：
Figure BDA00038899130800000613
其中，
Figure BDA00038899130800000614
和
Figure BDA00038899130800000615
分别表示在初始时刻，信号从散射簇Sl中心到达GR天线阵列中点的水平方位到达角和竖直方位到达角。
所述步骤6中计算RIS辅助UAV-GR无线信道矩阵为：
Figure BDA00038899130800000616
其中，hpq(t,τ)表示发射端第p根与接收端第q根天线之间传输链路的信道冲激响应，定义上述步骤4和5所述两种传输链路相互独立，则可将hpq(t,τ)计算为：
Figure BDA00038899130800000617
有益效果：本发明一种智能超表面技术辅助无人机信道建模方法有益效果如下：
1)本发明提出的信道传输特性分析方法可用于分析不同系统参数配置下的RIS辅助UAV无线信道传输特性，能够描述因UAV和接收端快速运动引起的信道空时频时变传输特性。
2)本发明提出的RIS辅助UAV无线信道传输特性分析方法能够有效揭示RIS物理特性参数(如反射单元数目、尺寸、排布形状以及阵列朝向等)和相位调控方式对信道传输特性的影响。
3)与传统的球面波信道模型相比，在相同传输条件下，本发明提出的基于动态子阵列划分的算法可以明显降低信道特性分析的复杂度。
4)与传统的平面波信道模型相比，在相同传输条件下，本发明提出的基于动态子阵列划分的算法可以获得更优的信道特性分析准确性。
5)本发明提出的基于动态子阵列划分的信道特性分析算法可扩展应用于大规模/超大规模天线系统，有效降低大规模/超大规模天线系统信道特性分析复杂度。
附图说明
图1是一个实施例的RIS辅助UAV-GR无线信道模型示意图；
图2是一个实施例的RIS子阵列划分示意图；
图3是一个实施例的对RIS执行子阵列划分后，子阵列数目随运动时间变化结果图；
图4是一个实施例的本发明所提算法的建模误差性能随RIS单元数目变化结果图；
图5是一个实施例的本发明所提算法的建模误差性能随运动时间变化结果图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。参考图1所示，图1为一个实施例的RIS辅助UAV-GR无线信道模型示意图；
包括如下步骤：
步骤1)：构建RIS辅助UAV-GR无线通信场景；包括：构建x-y-z直角坐标系，设置与UAV和GR天线阵列相关的参数、与RIS阵列相关的参数、以及与散射簇相关的参数；具体过程为：
S101：构建x-y-z直角坐标系；
在本实施例所述RIS辅助UAV-GR无线通信系统中，定义UAV和GR分别配置有MT根发射天线和MR根接收天线组成的均匀线性天线阵列，信号载波频率为fc。定义UAV天线阵列中点在水平路面的投影点为坐标原点；坐标原点与GR天线阵列中点连线为x轴；假设z轴经过UAV天线阵列中点且垂直水平路面向上；根据右手定则确定y轴；
S102：设置与UAV和GR天线阵列相关的参数；
UAV和GR天线阵列中点初始位置坐标矢量表示为dT(0)＝[0,0,H0]T和dR(0)＝[ξR,0,0]T，其中[·]T表示转置算子；UAV天线阵列中点到第p根p＝1,2,...,MT发射天线和GR天线阵列中点到第q根q＝1,2,...,MR接收天线的距离矢量分别计算为
Figure BDA0003889913080000081
和
Figure BDA0003889913080000082
Figure BDA0003889913080000083
Figure BDA0003889913080000084
其中，δT和δR表示发射端和接收端相邻天线间距；φT/R和ψT/R分别表示发射端/接收端均匀线性天线阵列的水平偏转角和竖直偏转角；
S103：设置与RIS阵列相关的参数；
RIS阵列为平面矩形阵列，假设其包含M×N个单元，其中，M表示单元列数目，N表示单元行数目；假设所有单元具有相同的尺寸，表示为dc×dr；RIS阵列部署在垂直水平路面的建筑物侧表面，相对于x轴具有水平偏转角度θI；RIS阵列中心点的位置坐标矢量表示为dRIS＝[xI,yI,zI]T；
S104：设置与散射簇相关的参数；
在RIS辅助UAV-GR通信系统的环境中，假设分布有L个散射簇，每个散射簇对应一条可分辨传输路径，其中第l个散射簇表示为Sl；UAV和GR天线阵列中点到散射簇Sl中心的距离矢量分别表示为
Figure BDA0003889913080000085
和
Figure BDA0003889913080000086
t表示运动时间；l＝1,2,...,L；
每个散射簇内包含有I个散射体，每个散射体对应一条不可分辨的射线；UAV和GR天线阵列中点经过第i条射线到达散射簇Sl的距离矢量分别表示为
Figure BDA0003889913080000087
和
Figure BDA0003889913080000088
i＝1,2,...,I。
步骤2)：当UAV和GR处于运动状态时，UAV和GR天线阵列中点到RIS阵列中心的最短几何传输距离计算为：
Figure BDA0003889913080000089
其中，算子min{·,·}表示取最小值，算子||·||表示取向量的模，
Figure BDA00038899130800000810
和
Figure BDA00038899130800000811
分别表示UAV和GR天线阵列中点到RIS阵列中心的距离矢量，计算为：
Figure BDA00038899130800000812
Figure BDA00038899130800000813
其中，vT和vR分别表示UAV和GR的运动速度矢量，表示为：
Figure BDA00038899130800000814
Figure BDA0003889913080000091
其中，vT、γT和ηT分别表示UAV运动速度的大小、水平方向角和竖直方向角；vR和γR分别表示GR运动速度的大小和水平方向角
步骤3)：对RIS阵列执行子阵列划分，确保每个子阵列的瑞利距离都小于UAV和GR天线阵列中点到RIS阵列中心的最短传输距离，计算子阵列的数目、子阵列包含单元的数目以及子阵列中心点的位置坐标矢量；具体过程如下：
S301：将RIS阵列均匀划分为Msub(t)×Nsub(t)个子阵列，其中，最大的子阵列包含的反射单元数目表示为
Figure BDA0003889913080000092
当最大的子阵列满足远场平面波近似条件时，所有子阵列都满足远场平面波近似条件，计算最大的子阵列中反射单元的数目
Figure BDA0003889913080000093
和
Figure BDA0003889913080000094
为：
Figure BDA0003889913080000096
Figure BDA0003889913080000097
其中，算子
Figure BDA0003889913080000098
表示向下取整；λ表示信号波长；
S302：在对RIS执行子阵列划分之后，计算子阵列的数目Msub(t)和Nsub(t)为：
Figure BDA0003889913080000099
Figure BDA00038899130800000910
其中，mod{·,·}表示模除算子；
S303：对于任意第(msub,nsub)个msub＝1,2,...,Msub(t)；nsub＝1,2,...,Nsub(t)子阵列，计算子阵列包含单元的数目
Figure BDA00038899130800000911
和
Figure BDA00038899130800000912
为：
Figure BDA00038899130800000913
Figure BDA00038899130800000914
S304：对于任意第(msub,nsub)个子阵列，计算子阵列的中心点的坐标位置矢量
Figure BDA0003889913080000101
为：
Figure BDA0003889913080000102
步骤4)：当UAV发出的信号经RIS作用到达GR时，基于步骤3)得到的子阵列，计算传输链路的信道冲激响应函数；具体过程如下：
S401：计算UAV和GR天线阵列中点到RIS阵列中第(msub,nsub)个子阵列中心的距离矢量为：
Figure BDA0003889913080000103
Figure BDA0003889913080000104
S402：计算UAV第p根天线和GR第q根天线到RIS阵列中第(m,n)个单元的传输距离为：
Figure BDA0003889913080000105
Figure BDA0003889913080000106
其中，<·,·>表示向量点乘算子；
Figure BDA0003889913080000107
和
Figure BDA0003889913080000108
表示信号从UAV天线阵列入射到RIS第(msub,nsub)个子阵列中心的水平和法向入射角；
Figure BDA0003889913080000109
和
Figure BDA00038899130800001010
表示信号从RIS第(msub,nsub)个子阵列中心反射到接收端天线阵列的水平和法向反射角；同时，在RIS第(msub,nsub)个子阵列中，限制反射单元索引m和n的取值范围为：
Figure BDA00038899130800001011
和
Figure BDA00038899130800001012
S403：当UAV发出的信号经RIS阵列第(msub,nsub)个子阵列中的不同单元作用到达GR时，多普勒频偏计算为：
Figure BDA0003889913080000111
S404：计算发射端第p根与接收端第q根天线之间，经RIS作用的传输链路的信道冲激响应为：
Figure BDA0003889913080000112
其中，τ是传输时延，
Figure BDA0003889913080000113
表示UAV和GR之间经RIS作用的传输链路的时延，c是光速；Kvir是虚拟莱斯因子；δ(·)是单位冲激函数；
Figure BDA0003889913080000114
是RIS第(m,n)个单元的调控系数，χmn(t)为幅度，
Figure BDA0003889913080000115
为相位；Υpq(t)是功率归一化因子，计算为：
Figure BDA0003889913080000116
其中，
Figure BDA0003889913080000117
表示求期望算子；|·|表示求绝对值算子；
Figure BDA0003889913080000118
表示求和算子。
步骤5)：当UAV发出的信号经散射簇反射到达GR时，计算传输链路的信道冲激响应函数；具体过程如下：
S501：计算UAV和GR天线阵列中点经第i条射线到达散射簇Sl的距离矢量为：
Figure BDA0003889913080000119
Figure BDA00038899130800001110
其中，
Figure BDA00038899130800001111
表示在初始时刻，GR天线阵列中点经第i条射线到散射簇Sl的距离矢量，计算为：
Figure BDA00038899130800001112
其中，
Figure BDA00038899130800001113
和
Figure BDA00038899130800001114
分别表示在初始时刻，信号从散射簇Sl经第i条射线到达GR天线阵列中点的水平方位到达角和竖直方位到达角。
S502：计算UAV第p根天线和GR第q根天线经第i条射线到散射簇Sl的传输距离为：
Figure BDA00038899130800001115
Figure BDA00038899130800001116
S503：当UAV发出的信号经散射簇Sl中的第i条射线到达GR时，计算多普勒频偏：
Figure BDA0003889913080000121
S504：计算发射端第p根与接收端第q根天线之间，经散射簇Sl反射的传输链路的信道冲激响应为：
Figure BDA0003889913080000122
其中，
Figure BDA0003889913080000123
是散射簇Sl归一化功率；
Figure BDA0003889913080000124
是均匀分布随机相位；
Figure BDA0003889913080000125
表示UAV和GR之间经散射簇Sl反射的传输链路的时延，
Figure BDA0003889913080000126
和
Figure BDA0003889913080000127
分别表示UAV和GR天线阵列中心到达散射簇Sl中心的距离矢量，计算为：
Figure BDA0003889913080000128
Figure BDA0003889913080000129
其中，
Figure BDA00038899130800001210
表示在初始时刻，GR天线阵列中点到散射簇Sl中心的距离矢量，计算为：
Figure BDA00038899130800001211
其中，
Figure BDA00038899130800001212
和
Figure BDA00038899130800001213
分别表示在初始时刻，信号从散射簇Sl中心到达GR天线阵列中点的水平方位到达角和竖直方位到达角。
步骤6)：重复执行步骤2)～5)，获取不同时刻下RIS辅助UAV-GR信道冲激响应函数，计算RIS辅助UAV-GR无线信道矩阵为：
Figure BDA00038899130800001214
其中，hpq(t,τ)表示发射端第p根与接收端第q根天线之间传输链路的信道冲激响应，定义上述步骤4)和5)所述两种传输链路相互独立，则可将hpq(t,τ)计算为：
Figure BDA00038899130800001215
仿真结果
在本实施例所述的RIS辅助UAV-GR无线信道建模方法中，仿真基本参数设置如下：MT＝MR＝32，fc＝28GHz，δT＝δR＝λ/2，ψT＝π/3，φT＝ψR＝φR＝π/4，H0＝50m，ξR＝80m，Kvir＝2，dc＝dr＝λ/4，θI＝-π/18，xI＝30m，yI＝15m，zI＝25m，χmn(t)＝1，RIS采用最佳相位调控方式，UAV以vT＝10m/s沿x轴正方向运动，GR以vR＝5m/s沿x轴负方向运动。
本实施例所述的RIS辅助UAV-GR无线信道建模方法的信道建模归一化绝对误差定义为：
Figure BDA0003889913080000131
其中，
Figure BDA0003889913080000132
表示基于本发明所提算法计算得到的UAV第p根与GR第q根天线之间传输链路的信道冲激响应；
Figure BDA0003889913080000133
表示基于球面波模型计算得到的UAV第p根与GR第q根天线之间传输链路的信道冲激响应；log10(·)是以10为底的对数函数。
基于上述推导，图3-5给出了本发明提出的RIS辅助UAV-GR无线信道建模方法的性能。图3描述了在RIS辅助UAV-GR无线信道中，设置M＝N＝300时对RIS执行子阵列划分之后，子阵列的数目随运动时间的变化关系。仿真显示，随着UAV和GR的移动，UAV和GR到RIS之间的传输距离也会相应发生变化，在不同的时刻需要重新判断远场平面波近似是否成立，因而需要对RIS执行动态子阵列划分，导致子阵列的数目会随着UAV和GR的运动状态和时间而发生变化。
图4描述了在RIS辅助UAV-GR无线信道中，设置t＝2s时本发明所提算法的建模误差性能随RIS单元数目的变化关系。仿真显示，当RIS单元数目较少，例如M≤162时，满足远场传输条件，本发明提出的算法具有与传统平面波模型相同的建模误差性能。随着RIS单元数目的增加，本发明提出的算法相较于传统平面波模型具有更优的建模精度性能。
图5描述了在RIS辅助UAV-GR无线信道中，设置M＝N＝200且GR处于静止状态时，本发明所提算法的建模误差性能随UAV运动时间的变化关系。仿真显示，建模误差随运动时间先增大后减小，这是因为UAV先逐渐接近RIS然后继续运动逐渐远离RIS。此外，在t＜8s时本发明所提算法的建模误差性能要优于传统平面波模型；随着UAV逐渐运动至远离RIS，UAV与RIS之间的传输距离大于RIS阵列的瑞利距离(对应远场传输场景)，本发明所提算法与传统平面波模型的建模误差性能再次相同。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种智能超表面技术辅助无人机信道建模方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：构建智能超表面RIS辅助无人机UAV-路面用户GR无线通信场景；包括：构建x-y-z直角坐标系，设置与UAV和GR天线阵列相关的参数、与RIS阵列相关的参数、以及与散射簇相关的参数；
步骤2：当UAV和GR处于运动状态时，计算UAV和GR天线阵列中点到RIS阵列中心的最短几何传输距离；
步骤3：对RIS阵列执行子阵列划分，确保每个子阵列的瑞利距离都小于UAV和GR天线阵列中点到RIS阵列中心的最短传输距离，计算子阵列的数目、子阵列包含单元的数目以及子阵列中心点的位置坐标矢量；
步骤4：当UAV发出的信号经RIS作用到达GR时，基于步骤3得到的子阵列，计算传输链路的信道冲激响应函数；
步骤5：当UAV发出的信号经散射簇反射到达GR时，计算传输链路的信道冲激响应函数；
步骤6：重复执行步骤2～5，获取不同时刻下RIS辅助UAV-GR信道冲激响应函数，计算RIS辅助UAV-GR无线信道矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种智能超表面技术辅助无人机信道建模方法，其特征在于，所述步骤1中构建智能超表面RIS辅助无人机UAV-路面用户GR无线通信场景进一步包括：
S11：构建x-y-z直角坐标系；
在RIS辅助UAV-GR无线通信系统中，定义UAV和GR分别配置有MT根发射天线和MR根接收天线，信号载波频率为fc，定义UAV天线阵列中点在水平路面的投影点为坐标原点；坐标原点与GR天线阵列中点连线为x轴；假设z轴经过UAV天线阵列中点且垂直水平路面向上；根据右手定则确定y轴；
S12：设置与UAV和GR天线阵列相关的参数；
UAV和GR天线阵列中点初始位置坐标矢量分别表示为dT(0)和dR(0)；UAV天线阵列中点到第p根天线的距离矢量表示为
Figure FDA0003889913070000011
GR天线阵列中点到第q根天线的距离矢量表示为
Figure FDA0003889913070000012
p＝1,2,...,MT，q＝1,2,...,MR；
S13：设置与RIS阵列相关的参数；
RIS阵列为平面矩形阵列，假设其包含M×N个单元，其中M表示单元列数目、N表示单元行数目；假设所有单元具有相同的尺寸，表示为dc×dr；RIS阵列部署在垂直水平路面的建筑物侧表面，相对于x轴具有水平偏转角度θI；RIS阵列中心点的位置坐标矢量表示为dRIS；
S14：设置与散射簇相关的参数；
在RIS辅助UAV-GR通信场景中，假设分布有L个散射簇，每个散射簇对应一条可分辨传输路径，其中第l个散射簇表示为Sl；UAV和GR天线阵列中点到散射簇Sl中心的距离矢量分别表示为
Figure FDA0003889913070000021
和
Figure FDA0003889913070000022
t表示运动时间；l＝1,2,...,L；
每个散射簇内包含有I个散射体，每个散射体对应一条不可分辨的射线；UAV和GR天线阵列中点经过第i条射线到达散射簇Sl的距离矢量分别表示为
Figure FDA0003889913070000023
和
Figure FDA0003889913070000024
i＝1,2,...,I。
3.根据权利要求1所述的一种智能超表面技术辅助无人机信道建模方法，其特征在于，所述步骤2中，UAV和GR天线阵列中点到RIS阵列中心的最短几何传输距离为：
Figure FDA0003889913070000025
其中，算子min{·,·}表示取最小值，算子||·||表示取向量的模，
Figure FDA0003889913070000026
和
Figure FDA0003889913070000027
分别表示UAV和GR天线阵列中点到RIS阵列中心的距离矢量，计算为：
Figure FDA0003889913070000028
Figure FDA0003889913070000029
其中，vT和vR分别表示UAV和GR的运动速度矢量。
4.根据权利要求1所述所述的一种智能超表面技术辅助无人机信道建模方法，其特征在于，所述步骤3中对RIS阵列执行子阵列划分，将RIS阵列划分为多个子阵列，计算子阵列的数目、子阵列包含单元的数目以及子阵列中心点的位置坐标矢量；具体过程如下：
S31：将RIS阵列均匀划分为Msub(t)×Nsub(t)个子阵列，其中，最大的子阵列包含的反射单元数目表示为
Figure FDA00038899130700000210
当最大的子阵列满足远场平面波近似条件时，所有子阵列都满足远场平面波近似条件，计算最大的子阵列中反射单元的数目
Figure FDA00038899130700000211
和
Figure FDA00038899130700000212
为：
Figure FDA00038899130700000213
Figure FDA00038899130700000214
其中，算子
Figure FDA00038899130700000215
表示向下取整；λ表示信号波长；
S32：在对RIS执行子阵列划分之后，计算子阵列的数目Msub(t)和Nsub(t)为：
Figure FDA0003889913070000031
Figure FDA0003889913070000032
其中，mod{·,·}表示模除算子；
S33：对于任意第(msub,nsub)个msub＝1,2,...,Msub(t)，nsub＝1,2,...,Nsub(t)子阵列，计算子阵列包含单元的数目
Figure FDA0003889913070000033
和
Figure FDA0003889913070000034
为：
Figure FDA0003889913070000035
Figure FDA0003889913070000036
S34：对于任意第(msub,nsub)个子阵列，计算子阵列的中心点的坐标位置矢量
Figure FDA0003889913070000037
为：
Figure FDA0003889913070000038
5.根据权利要求1所述所述的一种智能超表面技术辅助无人机信道建模方法，其特征在于，所述步骤4中当UAV发出的信号经RIS作用到达GR时，基于步骤3得到的子阵列，计算传输链路的信道冲激响应函数；具体过程如下：
S41：计算UAV和GR天线阵列中点到RIS阵列中第(msub,nsub)个子阵列中心的距离矢量为：
Figure FDA0003889913070000039
Figure FDA00038899130700000310
S42：计算UAV第p根天线和GR第q根天线到RIS阵列中第(m,n)个单元的传输距离为：
Figure FDA0003889913070000041
Figure FDA0003889913070000042
其中，<·,·>表示向量点乘算子；
Figure FDA0003889913070000043
和
Figure FDA0003889913070000044
表示信号从UAV天线阵列入射到RIS第(msub,nsub)个子阵列中心的水平和法向入射角；
Figure FDA0003889913070000045
和
Figure FDA0003889913070000046
表示信号从RIS第(msub,nsub)个子阵列中心反射到接收端天线阵列的水平和法向反射角；同时，在RIS第(msub,nsub)个子阵列中，限制反射单元索引m和n的取值范围为：
Figure FDA0003889913070000047
和
Figure FDA0003889913070000048
S43：当UAV发出的信号经RIS阵列第(msub,nsub)个子阵列中的不同单元作用到达GR时，多普勒频偏计算为：
Figure FDA0003889913070000049
S44：计算发射端第p根与接收端第q根天线之间，经RIS作用的传输链路的信道冲激响应为：
Figure FDA00038899130700000410
其中，τ是传输时延，
Figure FDA00038899130700000411
表示UAV和GR之间经RIS作用的传输链路的时延，c是光速；Kvir是虚拟莱斯因子；δ(·)是单位冲激函数；
Figure FDA00038899130700000412
是RIS第(m,n)个单元的调控系数，χmn(t)为幅度，
Figure FDA00038899130700000413
为相位；Υpq(t)是功率归一化因子，计算为：
Figure FDA00038899130700000414
其中，
Figure FDA0003889913070000051
表示求期望算子；|·|表示求绝对值算子；
Figure FDA00038899130700000519
表示求和算子。
6.根据权利要求1所述所述的一种智能超表面技术辅助无人机信道建模方法，其特征在于，所述步骤5中当UAV发出的信号经散射簇反射到达GR时，计算传输链路的信道冲激响应函数；具体过程如下：
S51：计算UAV和GR天线阵列中点经第i条射线到达散射簇Sl的距离矢量为：
Figure FDA0003889913070000052
Figure FDA0003889913070000053
其中，
Figure FDA0003889913070000054
表示在初始时刻，GR天线阵列中点经第i条射线到散射簇Sl的距离矢量，计算为：
Figure FDA0003889913070000055
其中，
Figure FDA0003889913070000056
和
Figure FDA0003889913070000057
分别表示在初始时刻，信号从散射簇Sl经第i条射线到达GR天线阵列中点的水平方位到达角和竖直方位到达角；
S52：计算UAV第p根天线和GR第q根天线经第i条射线到散射簇Sl的传输距离为：
Figure FDA0003889913070000058
Figure FDA0003889913070000059
S53：当UAV发出的信号经散射簇Sl中的第i条射线到达GR时，计算多普勒频偏：
Figure FDA00038899130700000510
S54：计算发射端第p根与接收端第q根天线之间，经散射簇Sl反射的传输链路的信道冲激响应为：
Figure FDA00038899130700000511
其中，
Figure FDA00038899130700000512
是散射簇Sl归一化功率；
Figure FDA00038899130700000513
是均匀分布随机相位；
Figure FDA00038899130700000514
表示UAV和GR之间经散射簇Sl反射的传输链路的时延，
Figure FDA00038899130700000515
和
Figure FDA00038899130700000516
分别表示UAV和GR天线阵列中心到达散射簇Sl中心的距离矢量，计算为：
Figure FDA00038899130700000517
Figure FDA00038899130700000518
其中，
Figure FDA0003889913070000061
表示在初始时刻，GR天线阵列中点到散射簇Sl中心的距离矢量，计算为：
Figure FDA0003889913070000062
其中，
Figure FDA0003889913070000063
和
Figure FDA0003889913070000064
分别表示在初始时刻，信号从散射簇Sl中心到达GR天线阵列中点的水平方位到达角和竖直方位到达角。
7.根据权利要求1所述的一种智能超表面技术辅助无人机信道建模方法，其特征在于，所述步骤6中计算RIS辅助UAV-GR无线信道矩阵为：
Figure FDA0003889913070000065
其中，hpq(t,τ)表示发射端第p根与接收端第q根天线之间传输链路的信道冲激响应，定义上述步骤4和5所述两种传输链路相互独立，则可将hpq(t,τ)计算为：
Figure FDA0003889913070000066
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