CN116390113A - 一种通信系统中ris相移和部署位置优化方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种通信系统中RIS相移和部署位置优化方法及系统，涉及通信技术领域，方法包括：基于空中RIS元件在预设坐标系下的参考三维坐标、基站在预设坐标系下的参考三维坐标、多个用户在预设坐标系下的三维坐标，空中RIS元件对应的原件阵列数据、基站对应的天线阵列数据，依次计算基站RIS用户级联信道、基站用户信道、基站发射至任一用户的波束、第一有效信道参数、第二有效信道参数、空中RIS相移矩阵；最后联合波束数据、有效信道参数、空中RIS元件对应的原件阵列数据确定RIS部署位置优化模型；对RIS部署位置优化模型进行凸优化求解得到RIS优化的部署位置。本发明能够最大化通信系统中所有用户的加权和速率。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种基于空中RIS元件辅助多输入多用户的通信系统中RIS相移和部署位置优化方法及系统。
背景技术
为了克服固定可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)(如部署在建筑物表面或室内墙壁/天花板上的RIS)的覆盖范围有限和非视距信道等缺点，同时提高RIS的灵活性和可用性，研究人员针对三维(Three-Dimensional，3D)无线网络提出了空中RIS(Aerial Reconfigurable Intelligent Surface，ARIS)的概念，将RIS安装在气球和无人机等空中平台上，用于辅助地面通信。
针对ARIS的应用，现有技术中已有文献记载：1)ARIS用于辅助两个地面节点之间的信息交换；2)ARIS用于提高采集数据的新鲜度，但此方案局限于发射端是单天线的场景；3)对于RIS辅助的单用户通信系统，在设计ARIS相移时考虑了飞行效应和天气因素，但该方案不适用于ARIS同时服务多个用户的场景。
发明内容
本发明的目的是提供一种通信系统中的RIS相移和部署位置优化方法及系统，通过联合优化基站发射的波束赋形、空中RIS元件的相移矩阵和部署位置，最大化所有用户的加权和速率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种通信系统中RIS相移和部署位置优化方法，包括：
获取通信系统中的第一位置、第二位置及第三位置集；所述通信系统包括空中RIS元件、基站以及多个用户；所述第一位置为空中RIS元件在预设坐标系下的参考三维坐标；所述第二位置为基站在预设坐标系下的参考三维坐标；所述第三位置集包括多个用户在预设坐标系下的三维坐标；
根据所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置集、所述空中RIS元件对应的原件阵列数据以及所述基站对应的天线阵列数据，计算基站RIS用户级联信道；根据所述第二位置、所述第三位置集和所述基站对应的天线阵列数据，计算基站用户信道；所述基站RIS用户级联信道为所述基站，经过所述空中RIS元件至任一用户的级联信道；所述基站用户信道为所述基站至任一用户的信道；
根据所述基站RIS用户级联信道、所述第三位置集，计算所述基站发射至任一用户的波束；
基于所述基站RIS用户级联信道、第一标记用户波束，计算第一有效信道参数；基于所述基站用户信道、第一标记用户波束，计算第二有效信道参数；所述第一有效信道参数为第一标记用户，经过空中RIS元件，至第二标记用户的信道的参数；所述第二有效信道参数为第一标记用户至第二标记用户的信道的参数；所述第一标记用户和所述第二标记用户为任意两个用户；所述第一标记用户波束为所述基站发射至所述第一标记用户的波束；
根据所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数以及初始随机RIS相移矩阵，计算空中RIS相移矩阵；
根据所述基站用户信道、所述基站RIS用户级联信道、所述空中RIS相移矩阵、第二标记用户波束、所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数、所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置集和所述空中RIS元件对应的原件阵列数据，确定RIS部署位置优化模型；所述RIS部署位置优化模型包括级联链路距离约束函数和优化RIS部署位置的目标函数；所述第二标记用户波束为所述基站发射至所述第二标记用户的波束；
对所述RIS部署位置优化模型进行凸优化求解，以得到RIS优化的部署位置。
可选地，根据所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置集、所述空中RIS元件对应的原件阵列数据以及所述基站对应的天线阵列数据，计算基站RIS用户级联信道，具体包括：
根据所述空中RIS元件对应的原件阵列数据和所述第一位置，计算所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标；
根据所述基站对应的天线阵列数据和所述第二位置，计算所述基站中每个天线的三维坐标；
根据所述第一位置、所述第二位置、所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标和所述基站中每个天线的三维坐标，计算基站RIS信道；所述基站RIS信道为所述基站至所述空中RIS元件的信道；
根据所述第一位置、所述第三位置集和所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标，计算RIS用户信道；所述RIS用户信道为所述空中RIS元件至任一用户的信道；
根据所述基站RIS信道和所述RIS用户信道，计算基站RIS用户级联信道。
可选地，根据所述第一位置、所述第二位置、所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标和所述基站中每个天线的三维坐标，计算基站RIS信道，具体包括：
根据所述第一位置和所述第二位置，计算基站RIS距离；所述基站RIS距离为所述空中RIS元件与所述基站之间的距离；
基于所述基站RIS距离，计算基站RIS路径损耗；所述基站RIS路径损耗为所述基站至所述空中RIS元件的信道路径损耗；
根据所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标和所述基站RIS距离，计算所述空中RIS元件的接收阵列响应向量；
根据所述基站中每个天线的三维坐标、所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标和所述基站RIS距离，计算所述基站至所述空中RIS元件的发射阵列响应向量；
根据所述基站RIS距离、所述基站RIS路径损耗、所述空中RIS元件的接收阵列响应向量和所述基站至所述空中RIS元件的发射阵列响应向量，计算基站RIS信道。
可选地，根据所述第一位置、所述第三位置集和所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标，计算RIS用户信道，具体包括：
根据所述第一位置和所述第三位置集，计算RIS用户距离集；所述RIS用户距离集中的每个RIS用户距离为所述空中RIS元件至任一用户的距离；
根据所述RIS用户距离集，计算RIS用户路径损耗集；所述RIS用户路径损耗集中的每个RIS用户路径损耗为所述空中RIS元件至任一用户的信道路径损耗；
根据所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标、所述第三位置集和所述RIS用户距离集，计算所述空中RIS元件至任一用户的发射阵列响应向量；
根据所述RIS用户距离集、所述RIS用户路径损耗集和所述空中RIS元件至任一用户的发射阵列响应向量，计算RIS用户信道。
可选地，根据所述基站用户信道、所述基站RIS用户级联信道、所述空中RIS相移矩阵、第二标记用户波束、所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数、所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置集和所述空中RIS元件对应的原件阵列数据，确定RIS部署位置优化模型，具体包括：
根据所述基站用户信道、所述基站RIS用户级联信道、所述空中RIS相移矩阵和第二标记用户波束，计算第一辅助变量；
根据所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数、所述第一辅助变量和所述空中RIS相移矩阵，计算第二辅助变量；
根据所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置集，确定级联链路距离约束函数；
根据所述空中RIS元件对应的原件阵列数据和所述第一位置，计算所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标；
根据所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标和所述第三位置集，计算所述空中RIS元件反射至任一用户的信号相移；
根据所述空中RIS元件反射至任一用户的信号相移、所述第一标记用户波束、所述第二标记用户波束、所述第一辅助变量、所述第二辅助变量、所述第二有效信道参数，确定优化RIS部署位置的目标函数。
为达上述目的，本发明还提供了如下技术方案：
一种通信系统中RIS相移和部署位置优化系统，包括：
位置获取模块，用于获取通信系统中的第一位置、第二位置及第三位置集；所述通信系统包括空中RIS元件、基站以及多个用户；所述第一位置为空中RIS元件在预设坐标系下的参考三维坐标；所述第二位置为基站在预设坐标系下的参考三维坐标；所述第三位置集包括多个用户在预设坐标系下的三维坐标；
信道计算模块，用于根据所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置集、所述空中RIS元件对应的原件阵列数据以及所述基站对应的天线阵列数据，计算基站RIS用户级联信道；根据所述第二位置、所述第三位置集和所述基站对应的天线阵列数据，计算基站用户信道；所述基站RIS用户级联信道为所述基站，经过所述空中RIS元件至任一用户的级联信道；所述基站用户信道为所述基站至任一用户的信道；
波束计算模块，用于根据所述基站RIS用户级联信道、所述第三位置集，计算所述基站发射至任一用户的波束；
信道参数计算模块，用于基于所述基站RIS用户级联信道、第一标记用户波束，计算第一有效信道参数；基于所述基站用户信道、第一标记用户波束，计算第二有效信道参数；所述第一有效信道参数为第一标记用户，经过空中RIS元件，至第二标记用户的信道的参数；所述第二有效信道参数为第一标记用户至第二标记用户的信道的参数；所述第一标记用户和所述第二标记用户为任意两个用户；所述第一标记用户波束为所述基站发射至所述第一标记用户的波束；
相移矩阵计算模块，用于根据所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数以及初始随机RIS相移矩阵，计算空中RIS相移矩阵；
部署位置模型确定模块，用于根据所述基站用户信道、所述基站RIS用户级联信道、所述空中RIS相移矩阵、第二标记用户波束、所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数、所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置集和所述空中RIS元件对应的原件阵列数据，确定RIS部署位置优化模型；所述RIS部署位置优化模型包括级联链路距离约束函数和优化RIS部署位置的目标函数；所述第二标记用户波束为所述基站发射至所述第二标记用户的波束；
优化部署位置确定模块，用于对所述RIS部署位置优化模型进行凸优化求解，以得到RIS优化的部署位置。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种通信系统中RIS相移和部署位置优化方法及系统，根据空中RIS元件在预设坐标系下的参考三维坐标、基站在预设坐标系下的参考三维坐标、多个用户在预设坐标系下的三维坐标、空中RIS元件对应的原件阵列数据以及基站对应的天线阵列数据，计算基站经过空中RIS元件至任一用户的级联信道基站RIS用户级联信道；根据基站在预设坐标系下的参考三维坐标、多个用户在预设坐标系下的三维坐标和所述基站对应的天线阵列数据，计算基站至任一用户的信道；根据基站RIS用户级联信道、多个用户在预设坐标系下的三维坐标，计算基站发射至任一用户的波束，进而结合基站分别发射至第一标记用户和第二标记用户的波束，计算第一标记用户，经过空中RIS元件至第二标记用户的信道的参数以及第一标记用户至第二标记用户的信道的参数；根据上述计算得到的两种信道参数计算空中RIS相移矩阵。最后根据基站用户信道、基站RIS用户级联信道、空中RIS相移矩阵、第二标记用户波束、第一有效信道参数、第二有效信道参数、第一位置、第二位置、第三位置集和空中RIS元件对应的原件阵列数据，确定RIS部署位置优化模型，即将基站发射的波束、空中RIS元件的相移矩阵以及空中RIS元件的部署位置进行关联，通过模型优化求解，快速准确地计算出最优的空中RIS元件的部署位置以及对应的相移矩阵，从而最大化所有用户的加权和速率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明通信系统中RIS相移和部署位置优化方法的流程示意图；
图2为本发明通信系统的模型示意图；
图3为本发明实例中用户加权和速率与发射功率的关系对比图；
图4为本发明用户加权和速率与空中RIS元件个数之间的关系示意图；
图5为本发明通信系统中RIS相移和部署位置优化系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种通信系统中RIS相移和部署位置优化方法及系统，设计了空中RIS元件的相移矩阵和部署位置方法，最大化所有用户的加权和速率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种通信系统中RIS相移和部署位置优化方法，包括：
步骤100，获取通信系统中的第一位置、第二位置及第三位置集；所述通信系统包括空中RIS元件、基站以及多个用户；所述第一位置为空中RIS元件在预设坐标系下的参考三维坐标；所述第二位置为基站在预设坐标系下的参考三维坐标；所述第三位置集包括多个用户在预设坐标系下的三维坐标。
具体地，考虑一个空中RIS元件(ARIS)支持的无线中继系统，其中RIS元件安装在空中平台(如气球或UAV)上，用于协助地面源节点(如基站(Base Station,BS)或者接入点(Access Point，AP))与一组地面用户
之间的通信。BS天线陈列表示为M＝MyMz，ARIS中原件阵列表示为N＝NxNy。
如图2所示，BS位于3D坐标系的原点，BS天线的高度为hBS，BS天线阵列放置在y-z平面上，相邻天线间的距离为ly＝lz＝λ/2，第二位置为c＝[0,0,hBS]T。ARIS反射元件阵列分布在x-y平面上，ARIS的高度为hRIS，以位于ARIS第一行第一列的元件的位置为参考点，那么第一位置为q＝[qx,qy,hRIS]T。第三位置集中的用户k的位置表示为wk＝[wx,k,wy,k]T，
其中，λ为发射信号的波长；ηR和φR分别表示RIS接收信道的方位角和仰角，ηT和φT分别表示RIS反射信道的方位角和仰角，可以根据BS和RIS元件的位置计算得到。
步骤200，根据所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置集、所述空中RIS元件对应的原件阵列数据以及所述基站对应的天线阵列数据，计算基站RIS用户级联信道；根据所述第二位置、所述第三位置集和所述基站对应的天线阵列数据，计算基站用户信道。
其中，所述基站RIS用户级联信道为所述基站，经过所述空中RIS元件至任一用户的级联信道；所述基站用户信道为所述基站至任一用户的信道。
步骤200中，根据所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置集、所述空中RIS元件对应的原件阵列数据以及所述基站对应的天线阵列数据，计算基站RIS用户级联信道具体包括：
(1)根据所述空中RIS元件对应的原件阵列数据和所述第一位置，计算所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标。
具体地，空中RIS元件中位于第nx列第ny行元件的原件坐标表示为：
其中相邻元件间的距离表示为dx＜λ/2和dy＜λ/2。
(2)根据所述基站对应的天线阵列数据和所述第二位置，计算所述基站中每个天线的三维坐标。
具体地，基站中位于第my列第mz行天线的坐标表示为：
(3)根据所述第一位置、所述第二位置、所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标和所述基站中每个天线的三维坐标，计算基站RIS信道；所述基站RIS信道为所述基站至所述空中RIS元件的信道。
具体地，步骤(3)基站RIS信道的计算过程如下：
A1)根据所述第一位置q和所述第二位置c，计算基站RIS距离dG；所述基站RIS距离为所述空中RIS元件与所述基站BS之间的距离。基站RIS距离的计算过程如下：
dG＝|c-q|。
B1)基于所述基站RIS距离，计算基站RIS路径损耗βG；所述基站RIS路径损耗为所述基站至所述空中RIS元件的信道路径损耗，即BS天线阵列到ARIS反射原件阵列的路径损耗。基站RIS路径损耗的计算过程如下：
其中，β0为参考距离d0＝1m时的视距(Line-of-Sight，LoS)路径损耗。
C1)根据所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标和所述基站RIS距离dG，计算所述空中RIS元件的接收阵列响应向量aR，计算过程如下：
D1)根据所述基站中每个天线的三维坐标
所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标/>
和所述基站RIS距离dG，计算所述基站至所述空中RIS元件的发射阵列响应向量aT1，计算过程如下：
E1)根据所述基站RIS距离dG、所述基站RIS路径损耗βG、所述空中RIS元件的接收阵列响应向量aR和所述基站至所述空中RIS元件的发射阵列响应向量aT1，计算基站RIS信道G，计算过程如下：
(4)根据所述第一位置、所述第三位置集和所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标，计算RIS用户信道；所述RIS用户信道为所述空中RIS元件至任一用户的信道。
具体地，步骤(4)RIS用户信道的计算过程如下：
A2)根据所述第一位置和所述第三位置集，计算RIS用户距离集；所述RIS用户距离集中的每个RIS用户距离为所述空中RIS元件至任一用户的距离；RIS用户距离集中用户k的位置wk与第一位置q的距离
计算过程如下：
B2)根据所述RIS用户距离集，计算RIS用户路径损耗集；所述RIS用户路径损耗集中的每个RIS用户路径损耗为所述空中RIS元件至任一用户的信道路径损耗，即ARIS反射元件阵列到用户k的路径损耗。RIS用户路径损耗集中的任一RIS用户路径损耗
的计算过程如下：
C2)根据所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标、所述第三位置集和所述RIS用户距离集，计算所述空中RIS元件至任一用户的发射阵列响应向量aT2，以用户k为例，RIS用户距离的计算过程如下：
D2)根据所述RIS用户距离集、所述RIS用户路径损耗集和所述空中RIS元件至任一用户的发射阵列响应向量，计算RIS用户信道；ARIS到用户k的信道hr,k具体计算过程如下：
(5)根据所述基站RIS信道和所述RIS用户信道，计算基站RIS用户级联信道。其中，BS-ARIS-用户k的级联信道的计算过程如下：
其中，()H表示共轭转置。
步骤200中，根据所述第二位置、所述第三位置集和所述基站对应的天线阵列数据，计算基站用户信道，具体包括：
(1)根据所述第二位置和所述第三位置集，计算基站用户距离集；所述基站用户距离集中的每个基站用户距离为所述基站至任一用户的距离；基站用户距离集中用户k的位置wk与第二位置c的距离
计算过程如下：
(2)根据所述基站用户距离集，计算基站用户路径损耗集；所述基站用户路径损耗集中的每个基站用户路径损耗为所述基站至任一用户的信道路径损耗，即BS天线阵列到用户k的路径损耗。基站用户路径损耗集中的任一基站用户路径损耗
的计算过程如下：
其中，β1为参考距离d0＝1m时的非视距(Non-LoS，NLoS)路径损耗。
(3)根据所述基站对应的天线阵列数据和所述第二位置，计算所述基站中每个天线的三维坐标。
(4)根据所述基站中每个天线的三维坐标、所述第三位置集和所述基站用户距离集，计算所述基站至任一用户的发射阵列响应向量，从基板BS到用户k的发射阵列响应向量aT3的计算过程如下：
(5)根据所述基站用户距离集、所述基站用户路径损耗集和所述基站至任一用户的发射阵列响应向量，计算基站用户信道；从BS到用户k的信道hd,k的计算过程如下：
步骤300，根据所述基站RIS用户级联信道、所述第三位置集，计算所述基站发射至任一用户的波束；其中，基板BS发射给用户k的波束如下：
其中，χk和κk均为中间变量，
IM表示M阶单位矩阵，/>
表示vk的前一次迭代值，vk的初始值是随机给定的，只要满足/>
PT表示BS的发射功率。
步骤400，基于所述基站RIS用户级联信道、第一标记用户波束，计算第一有效信道参数；基于所述基站用户信道、第一标记用户波束，计算第二有效信道参数；所述第一有效信道参数为第一标记用户，经过空中RIS元件，至第二标记用户的信道的参数；所述第二有效信道参数为第一标记用户至第二标记用户的信道的参数；所述第一标记用户和所述第二标记用户为任意两个用户；所述第一标记用户波束为所述基站发射至所述第一标记用户的波束vi。
具体地，将第一标记用户确定为任一用户i，将第二标记用户确定为任一用户k，那么计算用户i-ARIS-用户k的有效信道参数，即第一有效信道参数的计算过程如下：
ai，k＝Hr，kvi。
用户i-用户k的有效信道参数，即第二有效信道参数的计算过程如下：
步骤500，根据所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数以及初始随机RIS相移矩阵，计算空中RIS相移矩阵。
步骤500具体包括：
(1)基于所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数以及初始随机RIS相移矩阵，计算欧式梯度；具体如下：
其中，
表示上一次迭代值，()*表示共轭，/>
表示噪声功率；wk表示用户位置；θ＝[θ1，...θn，...，θN]，θk表示第n个RIS原件的相移，θ的初始值是随机给定的，只要满足|θn|＝1即可。
(2)基于所述欧式梯度，计算黎曼梯度；具体如下：
其中，Re()表示取复数的实部。
(3)基于所述黎曼梯度，计算投影方向；具体如下：
其中，τ表示调节参数，
表示d的上一次迭代值，d的初始值取负梯度方向，通过-gradθη计算，/>
表示Polak-Ribière共轭梯度方向。
(4)基于所述投影方向，计算空中RIS相移矩阵；具体如下：
其中，ν表示Armijo步长。
步骤600，根据所述基站用户信道、所述基站RIS用户级联信道、所述空中RIS相移矩阵、第二标记用户波束、所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数、所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置集和所述空中RIS元件对应的原件阵列数据，确定RIS部署位置优化模型；所述RIS部署位置优化模型包括级联链路距离约束函数和优化RIS部署位置的目标函数；所述第二标记用户波束为所述基站发射至所述第二标记用户的波束；
步骤600，具体包括：
(1)根据所述基站用户信道、所述基站RIS用户级联信道、所述空中RIS相移矩阵和第二标记用户波束，计算第一辅助变量；具体地，对于用户k来说，基于从BS到用户k的信道hd,k、BS-ARIS-用户k的级联信道Hr,k、ARIS的相移矩阵θ和BS发射给用户k的波束vk，采用的如下公式计算第一辅助变量
其中，
表示用户k的权重因子。
(2)根据所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数、所述第一辅助变量和所述空中RIS相移矩阵，计算第二辅助变量，具体如下：
(3)根据所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置集，确定级联链路距离约束函数。
具体地，根据公式
计算级联链路距离乘积上界约束函数。
根据公式
计算级联链路距离乘积下界约束函数。
其中，
表示q的前一次迭代值，/>
表示BS到/>
的距离函数，
表示/>
到用户k的距离函数，dG(q)＝|c-q|，/>
(4)根据所述空中RIS元件对应的原件阵列数据和所述第一位置，计算所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标。
(5)根据所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标和所述第三位置集，计算所述空中RIS元件反射至任一用户的信号相移。
(6)根据所述空中RIS元件反射至任一用户的信号相移、所述第一标记用户波束、所述第二标记用户波束、所述第一辅助变量、所述第二辅助变量、所述第二有效信道参数，确定优化RIS部署位置的目标函数。
所述优化RIS部署位置的目标函数为：
其中，q*表示RIS优化的部署位置，∈k表示第二辅助变量，β0表示参考距离d0＝1m时的视距路径损耗，Ξi表示空中RIS元件反射至第一标记用户的信号相移，Ξk表示空中RIS元件反射至第二标记用户的信号相移，vi表示第一标记用户波束，vk表示第二标记用户波束，bi,k表示第二有效信道参数，Re{ }表示取负数的实部，
表示第一辅助变量，μi和ξk均表示预设的辅助变量，即引入的辅助变量；q表示RIS当前部署位置，/>
表示q的前一次迭代值，Ω()表示级联链路距离乘积上界约束函数，Λ()表示级联链路距离乘积下界约束函数。
另外，对于空中RIS元件反射至第二标记用户的信号相移，根据以下公式计算：
其中，θn表示空中RIS元件中第n个反射原件的相移。
步骤700，对所述RIS部署位置优化模型进行凸优化求解，以得到RIS优化的部署位置。具体地，级联链路距离约束函数和RIS部署位置优化模型均为关于q的凸函数，所以上述问题是一个凸优化问题，可以通过CVX工具进行求解，以得到最优结果。
在一个具体实际应用中，设置噪声功率为σ2＝-170dBm，工作频率设置为f＝30GHz，波长λ＝1cm。BS的高度hBS＝5m，BS的发射天线个数M＝2×2，BS发射天线间的距离ly＝lz＝λ/2。ARIS的高度设置为hRIS＝100m，在ARIS上相邻元件间的距离为dy＝dy＝λ/10。地面用户的数量K＝4，地面用户均匀随机分布在一个圆心为(300m,200m)，半径为30m的水平圆中。
基于上述设置，根据交替优化(Alternative Optimization，AO)得到的BS发射波束和RIS相移矩阵，通过穷举搜索得到ARIS的部署位置：ARIS固定在q＝[0，0，100]Tm和q＝[300，200，100]Tm。
同时设置随机相移方案：ARIS的相移矩阵θ在[0，2π)的随机取值。
当N＝100时，用户加权和速率与发射功率的关系对比图如图3所示，该图显示所提方案得到的加权和速率接近穷举搜索方案得到的加权和速率，验证了所提方案接近最优解。比较图中的曲线可以发现，所提方案得到的加权和速率高于ARIS固定在q＝[0，0，100]Tm和q＝[300，200，100]Tm时得到的加权和速率，这是因为所提方案根据BS的发射波束和ARIS的相移矩阵设计了ARIS最佳部署位置。此外，所提方案得到的加权和速率高于随机相移方案得到的加权和速率，这是因为所提方案根据BS的发射波束和ARIS的部署位置设计了ARIS的相移矩阵。
发射功率PT＝10dBm时，用户加权和速率与空中RIS元件中的原件个数之间的关系示意图如图4所示。由图可知，随着原件数量的增加，所提方案的优势越来越大，这是因为所提方案根据BS发射天线阵列、ARIS反射元件阵列以及用户的分布位置，联合优化了BS的发射波束、ARIS的部署位置和ARIS的相移矩阵，将ARIS的利用价值发挥到最大。
实施例二
如图5所示，为了执行实施例一中的技术方案，本实施例提供一种通信系统中RIS相移和部署位置优化系统，包括：
位置获取模块101，用于获取通信系统中的第一位置、第二位置及第三位置集；所述通信系统包括空中RIS元件、基站以及多个用户；所述第一位置为空中RIS元件在预设坐标系下的参考三维坐标；所述第二位置为基站在预设坐标系下的参考三维坐标；所述第三位置集包括多个用户在预设坐标系下的三维坐标。
信道计算模块201，用于根据所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置集、所述空中RIS元件对应的原件阵列数据以及所述基站对应的天线阵列数据，计算基站RIS用户级联信道；根据所述第二位置、所述第三位置集和所述基站对应的天线阵列数据，计算基站用户信道；所述基站RIS用户级联信道为所述基站，经过所述空中RIS元件至任一用户的级联信道；所述基站用户信道为所述基站至任一用户的信道。
波束计算模块301，用于根据所述基站RIS用户级联信道、所述第三位置集，计算所述基站发射至任一用户的波束。
信道参数计算模块401，用于基于所述基站RIS用户级联信道、第一标记用户波束，计算第一有效信道参数；基于所述基站用户信道、第一标记用户波束，计算第二有效信道参数；所述第一有效信道参数为第一标记用户，经过空中RIS元件，至第二标记用户的信道的参数；所述第二有效信道参数为第一标记用户至第二标记用户的信道的参数；所述第一标记用户和所述第二标记用户为任意两个用户；所述第一标记用户波束为所述基站发射至所述第一标记用户的波束；
相移矩阵计算模块501，用于根据所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数以及初始随机RIS相移矩阵，计算空中RIS相移矩阵。
部署位置模型确定模块601，用于根据所述基站用户信道、所述基站RIS用户级联信道、所述空中RIS相移矩阵、第二标记用户波束、所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数、所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置集和所述空中RIS元件对应的原件阵列数据，确定RIS部署位置优化模型；所述RIS部署位置优化模型包括级联链路距离约束函数和优化RIS部署位置的目标函数；所述第二标记用户波束为所述基站发射至所述第二标记用户的波束。
优化部署位置确定模块701，用于对所述RIS部署位置优化模型进行凸优化求解，以得到RIS优化的部署位置。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种通信系统中RIS相移和部署位置优化方法，其特征在于，包括：
获取通信系统中的第一位置、第二位置及第三位置集；所述通信系统包括空中RIS元件、基站以及多个用户；所述第一位置为空中RIS元件在预设坐标系下的参考三维坐标；所述第二位置为基站在预设坐标系下的参考三维坐标；所述第三位置集包括多个用户在预设坐标系下的三维坐标；
根据所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置集、所述空中RIS元件对应的原件阵列数据以及所述基站对应的天线阵列数据，计算基站RIS用户级联信道；根据所述第二位置、所述第三位置集和所述基站对应的天线阵列数据，计算基站用户信道；所述基站RIS用户级联信道为所述基站经过所述空中RIS元件至任一用户的级联信道；所述基站用户信道为所述基站至任一用户的信道；
根据所述基站RIS用户级联信道、所述第三位置集，计算所述基站发射至任一用户的波束；
基于所述基站RIS用户级联信道、第一标记用户波束，计算第一有效信道参数；基于所述基站用户信道、第一标记用户波束，计算第二有效信道参数；所述第一有效信道参数为第一标记用户，经过空中RIS元件，至第二标记用户的信道的参数；所述第二有效信道参数为第一标记用户至第二标记用户的信道的参数；所述第一标记用户和所述第二标记用户为任意两个用户；所述第一标记用户波束为所述基站发射至所述第一标记用户的波束；
根据所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数以及初始随机RIS相移矩阵，计算空中RIS相移矩阵；
根据所述基站用户信道、所述基站RIS用户级联信道、所述空中RIS相移矩阵、第二标记用户波束、所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数、所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置集和所述空中RIS元件对应的原件阵列数据，确定RIS部署位置优化模型；所述RIS部署位置优化模型包括级联链路距离约束函数和优化RIS部署位置的目标函数；所述第二标记用户波束为所述基站发射至所述第二标记用户的波束；
对所述RIS部署位置优化模型进行凸优化求解，以得到RIS优化的部署位置。
2.根据权利要求1所述的通信系统中RIS相移和部署位置优化方法，其特征在于，根据所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置集、所述空中RIS元件对应的原件阵列数据以及所述基站对应的天线阵列数据，计算基站RIS用户级联信道，具体包括：
根据所述空中RIS元件对应的原件阵列数据和所述第一位置，计算所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标；
根据所述基站对应的天线阵列数据和所述第二位置，计算所述基站中每个天线的三维坐标；
根据所述第一位置、所述第二位置、所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标和所述基站中每个天线的三维坐标，计算基站RIS信道；所述基站RIS信道为所述基站至所述空中RIS元件的信道；
根据所述第一位置、所述第三位置集和所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标，计算RIS用户信道；所述RIS用户信道为所述空中RIS元件至任一用户的信道；
根据所述基站RIS信道和所述RIS用户信道，计算基站RIS用户级联信道。
3.根据权利要求2所述的通信系统中RIS相移和部署位置优化方法，其特征在于，根据所述第一位置、所述第二位置、所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标和所述基站中每个天线的三维坐标，计算基站RIS信道，具体包括：
根据所述第一位置和所述第二位置，计算基站RIS距离；所述基站RIS距离为所述空中RIS元件与所述基站之间的距离；
基于所述基站RIS距离，计算基站RIS路径损耗；所述基站RIS路径损耗为所述基站至所述空中RIS元件的信道路径损耗；
根据所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标和所述基站RIS距离，计算所述空中RIS元件的接收阵列响应向量；
根据所述基站中每个天线的三维坐标、所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标和所述基站RIS距离，计算所述基站至所述空中RIS元件的发射阵列响应向量；
根据所述基站RIS距离、所述基站RIS路径损耗、所述空中RIS元件的接收阵列响应向量和所述基站至所述空中RIS元件的发射阵列响应向量，计算基站RIS信道。
4.根据权利要求2所述的通信系统中RIS相移和部署位置优化方法，其特征在于，根据所述第一位置、所述第三位置集和所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标，计算RIS用户信道，具体包括：
根据所述第一位置和所述第三位置集，计算RIS用户距离集；所述RIS用户距离集中的每个RIS用户距离为所述空中RIS元件至任一用户的距离；
根据所述RIS用户距离集，计算RIS用户路径损耗集；所述RIS用户路径损耗集中的每个RIS用户路径损耗为所述空中RIS元件至任一用户的信道路径损耗；
根据所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标、所述第三位置集和所述RIS用户距离集，计算所述空中RIS元件至任一用户的发射阵列响应向量；
根据所述RIS用户距离集、所述RIS用户路径损耗集和所述空中RIS元件至任一用户的发射阵列响应向量，计算RIS用户信道。
5.根据权利要求1所述的通信系统中RIS相移和部署位置优化方法，其特征在于，根据所述第二位置、所述第三位置集和所述基站对应的天线阵列数据，计算基站用户信道，具体包括：
根据所述第二位置和所述第三位置集，计算基站用户距离集；所述基站用户距离集中的每个基站用户距离为所述基站至任一用户的距离；
根据所述基站用户距离集，计算基站用户路径损耗集；所述基站用户路径损耗集中的每个基站用户路径损耗为所述基站至任一用户的信道路径损耗；
根据所述基站对应的天线阵列数据和所述第二位置，计算所述基站中每个天线的三维坐标；
根据所述基站中每个天线的三维坐标、所述第三位置集和所述基站用户距离集，计算所述基站至任一用户的发射阵列响应向量；
根据所述基站用户距离集、所述基站用户路径损耗集和所述基站至任一用户的发射阵列响应向量，计算基站用户信道。
6.根据权利要求1所述的通信系统中RIS相移和部署位置优化方法，其特征在于，根据所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数以及初始随机RIS相移矩阵，计算空中RIS相移矩阵，具体包括：
基于所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数以及初始随机RIS相移矩阵，计算欧式梯度；
基于所述欧式梯度，计算黎曼梯度；
基于所述黎曼梯度，计算投影方向；
基于所述投影方向，计算空中RIS相移矩阵。
7.根据权利要求1所述的通信系统中RIS相移和部署位置优化方法，其特征在于，根据所述基站用户信道、所述基站RIS用户级联信道、所述空中RIS相移矩阵、第二标记用户波束、所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数、所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置集和所述空中RIS元件对应的原件阵列数据，确定RIS部署位置优化模型，具体包括：
根据所述基站用户信道、所述基站RIS用户级联信道、所述空中RIS相移矩阵和第二标记用户波束，计算第一辅助变量；
根据所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数、所述第一辅助变量和所述空中RIS相移矩阵，计算第二辅助变量；
根据所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置集，确定级联链路距离约束函数；
根据所述空中RIS元件对应的原件阵列数据和所述第一位置，计算所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标；
根据所述空中RIS元件中每个原件的三维坐标和所述第三位置集，计算所述空中RIS元件反射至任一用户的信号相移；
根据所述空中RIS元件反射至任一用户的信号相移、所述第一标记用户波束、所述第二标记用户波束、所述第一辅助变量、所述第二辅助变量、所述第二有效信道参数，确定优化RIS部署位置的目标函数。
8.根据权利要求7所述的通信系统中RIS相移和部署位置优化方法，其特征在于，所述级联链路距离约束函数包括级联链路距离乘积上界约束函数和级联链路距离乘积下界约束函数；
所述优化RIS部署位置的目标函数为：
其中，q*表示RIS优化的部署位置，∈k表示第二辅助变量，β0表示参考距离d0＝1m时的视距路径损耗，Ξi表示空中RIS元件反射至第一标记用户的信号相移，Ξk表示空中RIS元件反射至第二标记用户的信号相移，vi表示第一标记用户波束，vk表示第二标记用户波束，bi,k表示第二有效信道参数，Re{}表示取复数的实部，
表示第一辅助变量，μi和ξk均表示预设的辅助变量，q表示RIS当前部署位置，/>
表示q的前一次迭代值，Ω()表示级联链路距离乘积上界约束函数，Λ()表示级联链路距离乘积下界约束函数。
9.一种通信系统中RIS相移和部署位置优化系统，其特征在于，包括：
位置获取模块，用于获取通信系统中的第一位置、第二位置及第三位置集；所述通信系统包括空中RIS元件、基站以及多个用户；所述第一位置为空中RIS元件在预设坐标系下的参考三维坐标；所述第二位置为基站在预设坐标系下的参考三维坐标；所述第三位置集包括多个用户在预设坐标系下的三维坐标；
信道计算模块，用于根据所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置集、所述空中RIS元件对应的原件阵列数据以及所述基站对应的天线阵列数据，计算基站RIS用户级联信道；根据所述第二位置、所述第三位置集和所述基站对应的天线阵列数据，计算基站用户信道；所述基站RIS用户级联信道为所述基站，经过所述空中RIS元件至任一用户的级联信道；所述基站用户信道为所述基站至任一用户的信道；
波束计算模块，用于根据所述基站RIS用户级联信道、所述第三位置集，计算所述基站发射至任一用户的波束；
信道参数计算模块，用于基于所述基站RIS用户级联信道、第一标记用户波束，计算第一有效信道参数；基于所述基站用户信道、第一标记用户波束，计算第二有效信道参数；所述第一有效信道参数为第一标记用户，经过空中RIS元件，至第二标记用户的信道的参数；所述第二有效信道参数为第一标记用户至第二标记用户的信道的参数；所述第一标记用户和所述第二标记用户为任意两个用户；所述第一标记用户波束为所述基站发射至所述第一标记用户的波束；
相移矩阵计算模块，用于根据所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数以及初始随机RIS相移矩阵，计算空中RIS相移矩阵；
部署位置模型确定模块，用于根据所述基站用户信道、所述基站RIS用户级联信道、所述空中RIS相移矩阵、第二标记用户波束、所述第一有效信道参数、所述第二有效信道参数、所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置集和所述空中RIS元件对应的原件阵列数据，确定RIS部署位置优化模型；所述RIS部署位置优化模型包括级联链路距离约束函数和优化RIS部署位置的目标函数；所述第二标记用户波束为所述基站发射至所述第二标记用户的波束；
优化部署位置确定模块，用于对所述RIS部署位置优化模型进行凸优化求解，以得到RIS优化的部署位置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211645105.3A CN116390113A (zh) | 2022-12-21 | 2022-12-21 | 一种通信系统中ris相移和部署位置优化方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202211645105.3A CN116390113A (zh) | 2022-12-21 | 2022-12-21 | 一种通信系统中ris相移和部署位置优化方法及系统 |
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|---|---|
| CN (1) | CN116390113A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116744343A (zh) * | 2023-07-28 | 2023-09-12 | 西安科技大学 | 一种两用户通信场景的star-ris位置部署优化方法及装置 |
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2022
- 2022-12-21 CN CN202211645105.3A patent/CN116390113A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116744343A (zh) * | 2023-07-28 | 2023-09-12 | 西安科技大学 | 一种两用户通信场景的star-ris位置部署优化方法及装置 |
| CN116744343B (zh) * | 2023-07-28 | 2024-03-22 | 西安科技大学 | 一种两用户通信场景的star-ris位置部署优化方法及装置 |
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