CN117353803A - 一种现网多波束入射场景下智能超表面编码设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种现网多波束入射场景下智能超表面编码设计方法，属于无线通信领域，其中，方法包括：根据目标终端的方位信息，配置一组编码给智能超表面，目标终端记录各编码对应的接收功率，据此得到从基站到智能超表面这段信道中，入射至智能超表面的信号波束数量、方向以及强度；根据所述入射波束数量及方向，确定生成每个入射波束对应的智能超表面电磁单元第一反射相位；根据所述入射波束强度，确定每个入射波束对应的功率权重系数；根据所述第一反射相位与所述功率权重系数，确定智能超表面电磁单元的第二反射相位，并生成编码。本发明可以灵活应对现网环境下复杂的多波束入射场景，保证了利用智能超表面高效地提升目标终端的通信质量。

Description

一种现网多波束入射场景下智能超表面编码设计方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种现网多波束入射场景下智能超表面编码设计方法。
背景技术
智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,智能超表面)是一种高度可控的人工二维电磁表面，通过对表面电磁单元反射系数的设计，可以实现对电磁波反射方向、幅度的调控，并具有低成本、低功耗、易部署、使能智能无线环境等优点。通过合理设计智能超表面各电磁单元反射相位，智能超表面能够有效提升无线通信系统性能。
现有技术方案在现网多波束入射场景下设计智能超表面电磁单元反射相位时，考虑到智能超表面的准无源特性，无法高效进行智能超表面入射信道估计。因此，利用条件样本统计特性的盲波束赋形设计方案，但需要采集上千组样本，时间成本过高，且容易受到时变传输信道的干扰。因此，现有的智能超表面电磁单元反射相位设计方案并不适用于现网多波束入射场景的通信需求，无法保证目标终端的通信质量。
发明内容
本发明目的在于提供一种现网多波束入射场景下智能超表面编码设计方法,解决了在现网环境中，存在多个波束入射至智能超表面的场景下，为提高目标终端的接收信号质量，进行智能超表面电磁单元反射相位设计的问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种现网多波束入射场景下智能超表面编码设计方法，包括以下步骤：
根据目标终端的方位信息，配置一组编码给智能超表面，目标终端记录各编码对应的接收功率，并据此得到从基站到智能超表面这段信道中，入射至智能超表面的信号波束数量、方向以及强度信息；
根据所述入射波束数量及方向，确定生成每个入射波束对应的智能超表面电磁单元第一反射相位；
根据所述入射波束强度，确定每个入射波束对应的功率权重系数；
根据所述第一反射相位与所述功率权重系数，确定智能超表面电磁单元的第二反射相位，并生成智能超表面编码。
进一步的，根据目标终端的方位信息，配置一组编码给智能超表面，目标终端记录各编码对应的接收功率，并据此得到从基站到智能超表面这段信道中，入射至智能超表面的信号波束数量、方向以及强度信息，包括：
根据目标终端的方位信息，确定智能超表面的信号反射方向。假定k个可能的信号波束入射方向，并针对每个假定入射波束方向，生成一个将信号反射至目标终端的智能超表面电磁单元反射相位设计，并生成对应编码。
将上述生成的编码依次配置给智能超表面，目标终端记录每个编码下的接收功率Pi。比较各假定入射波束方向以及对应接收功率Pi大小，根据以上信息生成接收功率Pi在各方向上的分布情况，从而得到入射至智能超表面的信号波束数量、方向以及强度等信息。
进一步的，根据所述第一反射相位和所述功率权重系数，确定智能超表面电磁单元的第二反射相位，并生成编码，包括：
根据所述功率权重系数，对每个入射波束对应的第一反射相位进行加权叠加，获得智能超表面电磁单元的第二反射相位。
进一步的，根据所述功率权重系数，对每个入射波束对应的第一反射相位进行加权叠加，获得智能超表面电磁单元的第二反射相位，包括：
根据如下公式对每个入射波束对应的第一反射相位进行加权叠加，确定智能超表面电磁单元的第二反射相位：
其中φn,m表示所述智能超表面电磁单元的第二反射相位，ηi表示第i个入射波束对应的功率权重系数；表示第i个入射波束对应的智能超表面电磁单元第一反射相位，n表示智能超表面电磁单元的行索引，m表示智能超表面电磁单元的列索引。。
本发明的一种现网多波束入射场景下智能超表面编码设计方法，具有以下优点：
本发明通过配置一组编码给智能超表面并记录各个编码对应的目标终端接收功率，得到入射波束的数量、方向、强度等信息，并根据入射波束的强度区别确定功率权重系数，计算得到智能超表面编码，考虑了现网多波束入射场景以及不同入射波束方向、强度的差异性，相比于现有技术方案，能够避免进行入射信道估计的开销，可以灵活应对现网环境下复杂的多波束入射场景，保证了利用智能超表面高效地提升现网中目标终端的通信质量。
附图说明
图1为根据本发明实施例提供的现网多波束入射场景下智能超表面编码设计方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的现网多波束入射场景下智能超表面编码设计方法的场景示意图；
图3为根据本发明实施例的基于智能超表面的无线通信系统参数示意图；
图4为根据本发明实施例提供的智能超表面编码设计方法入射波束估计仿真示意图；
图5为根据本发明实施例提供的智能超表面编码设计方法仿真结果示意图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种现网多波束入射场景下智能超表面编码设计方法做进一步详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的一种现网多波束入射场景下智能超表面编码设计方法，包括：
步骤101、根据目标终端的方位信息，配置一组编码给智能超表面，目标终端记录各编码对应的接收功率，并据此获取从基站到智能超表面这段信道中，入射至智能超表面的信号波束数量、方向以及强度信息；
步骤102、根据所述入射波束数量及方向，确定生成每个入射波束对应的智能超表面电磁单元第一反射相位；
步骤103、根据所述入射波束强度，确定每个入射波束对应的功率权重系数；
步骤104、根据所述第一反射相位与所述功率权重系数，确定智能超表面电磁单元的第二反射相位。
该实施例中，所述目标终端是接入现网的基站通信目标终端。现网多波束入射场景下智能超表面编码设计方法的场景示意图如图2所示，基站与目标终端之间的直接链路被阻挡，通过智能超表面建立辅助链路实现基站与目标终端间的通信。并且，现网基站与智能超表面之间的传输链路，由于存在散射体反射信号，使得基站发射的信号从不同路径入射至智能超表面，即存在多个波束入射至智能超表面。基站信号经过智能超表面智能反射后，合成为一个指向目标终端的反射波束。
可选的，根据目标终端的方位信息，配置一组编码给智能超表面，目标终端记录各编码对应的接收功率，获取从基站到智能超表面这段信道中，入射至智能超表面的信号波束数量、方向以及强度信息，包括：
根据目标终端的方位信息，确定智能超表面的信号反射方向。假定k个可能的信号波束入射方向，并针对每个假定入射波束方向，生成一个将信号反射至目标终端的智能超表面电磁单元反射相位设计。
设第i个假定入射波束的入射方位角为入射俯仰角为θi。智能超表面将该入射波束反射至目标终端所需的反射方位角为/>反射俯仰角为θdes，则对应生成的智能超表面电磁单元反射相位设计/>可用如下公式表示：
其中n、m为电磁单元的行索引和列索引，λ为智能超表面所反射信号的波长。dx、dy分别为电磁单元的长度与宽度。
将上述生成的编码依次配置给智能超表面，目标终端记录每个编码下的接收功率Pi。比较各假定入射方向以及对应Pi大小，根据以上信息生成接收功率在各方向上的分布情况，从而确定入射至智能超表面的信号波束数量、方向以及强度信息。
可选的，根据所述入射波束数量及方向，确定生成每个入射波束对应的智能超表面电磁单元第一反射相位，包括：
对第j个入射至智能超表面的波束，设其入射方位角为入射俯仰角为θj，智能超表面将该入射波束反射至目标终端所需的反射方位角为/>反射俯仰角为θdes，则该入射波束对应的智能超表面电磁单元第一反射相位/>可表示为：
其中n、m为电磁单元的行索引和列索引，λ为智能超表面所反射信号的波长。dx、dy分别为电磁单元的长度与宽度。
可选的，根据所述第一反射相位和所述功率权重系数，确定智能超表面电磁单元的第二反射相位，包括：
根据所述功率权重系数，对每个入射波束对应的第一反射相位进行加权叠加，获得智能超表面电磁单元的第二反射相位。
可选的，根据所述功率权重系数，对每个入射波束对应的第一反射相位进行加权叠加，获得智能超表面电磁单元的第二反射相位，包括：
根据如下公式对每个入射波束对应的第一反射相位进行加权叠加，确定智能超表面电磁单元的第二反射相位：
其中φn,m表示所述智能超表面电磁单元的第二反射相位，ηi表示第i个入射波束对应的功率权重系数；表示生成第i个波束的智能超表面电磁单元的第一反射相位，n表示智能超表面电磁单元的行索引，m表示智能超表面电磁单元的列索引。
该实施例中，针对每个入射至智能超表面的波束，分别确定生成对应的电磁单元第一反射相位，根据各个波束的权重系数，对每个入射波束对应的第一反射相位进行加权叠加，高效得到生成多波束入射场景下的智能超表面电磁单元反射相位设计公式解。
下面通过举例说明所述现网多波束入射场景下智能超表面编码设计方法的实现过程。需要指出的是，举例中所用的无线信道模型仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
智能超表面辅助无线通信系统的参数如图3所示：智能超表面被布置在三维直角坐标系的x-o-y平面上，其几何中心与坐标系原点重合。智能超表面由N行和M列规则排列的电磁单元组成，N和M均为偶数。每个电磁单元沿着x轴的长度是dx，沿着y轴的长度是dy，其大小通常在亚波长尺度。电磁单元的归一化功率辐射方向图为表征了单个电磁单元感应和反射信号功率强度与入射角和反射角的关系。G为电磁单元的散射增益。使用Un,m表示位于n行第m列的电磁单元，且n∈[1-N/2,N/2]，m∈[1-M/2,M/2]。
Un,m坐标为(xn,m，yn,m，0)＝((m-1/2)dx，(n-1/2)dy，0)，距离智能超表面中心的距离为dn,m，对应的可编程反射系数为Γn,m。此外，d1表示发射机至智能超表面中心的距离；d2表示接收机至智能超表面中心的距离；θt和分别表示智能超表面中心至发射机的仰角和方位角；θr和/>分别表示智能超表面中心至接收机的仰角和方位角。
对于电磁单元Un,m，表示发射机至Un,m的距离；/>表示接收机至Un,m距离；/>和/>分别表示Un,m至发射机的仰角和方位角；/>和/>分别表示Un,m至接收机的仰角和方位角。位于(xt，yt，zt)的发射机向智能超表面发射功率为Pt且波长为λ的信号。发射天线的归一化功率辐射方向图为/>增益为Gt。信号经智能超表面反射后被位于(xr，yr，zr)的接收机接收，接收天线的归一化功率辐射方向图为/>增益为Gr。使用分别表示发射天线至Un,m的仰角和方位角、接收天线至Un,m的仰角和方位角。
具体的，现网多波束入射场景下智能超表面编码设计方法过程包括：
步骤一：目标终端反馈其方位位于θdes＝30°方向。假定入射波束的入射方向范围为/>θi∈{-10°,-5°,0°,…,25°}，取/>与θi的组合/>作为第i个入射波束的入射方向。因为/>有9种取值，θi有8种取值，因此假定入射波束的总数为72，即i＝1,2,…,72。根据假定入射波束入射方向与目标终端反射方向，生成电磁单元相位设计如下：
得到相位设计后，量化得到对应编码，并依次配置给智能超表面。并记录各编码对应的目标终端接收功率。
智能超表面所有电磁单元的反射系数具有相同的幅度分量A。通过智能超表面将信号智能反射于目标区域，采用智能超表面辅助无线通信系统的一种电波传播模型，得到通信目标的接收信号功率表达式为：
其中，为发射天线、超表面电磁单元、接收天线的联合归一化功率辐射方向图，其表达式为：
本实施例中，智能超表面及基站发射、目标终端接收天线的参数如下：智能超表面具有N＝32，M＝16共512个单元，单元尺寸dx＝dy＝0.05m，工作频率为f＝2.6GHz，电磁单元幅度分量A＝1，F(q,j)＝cosq。
最终得到在72个假定入射波束对应编码下的目标终端接收功率，如图4所示。从图中可以明显看出，接收功率存在两个极大值点：当入射波束方向为θ1＝0°，以及θ2＝20°时，目标终端接收功率取得极大值，表明在这两个入射方向上，确实存在实际信号入射至智能超表面，使得目标终端接收功率大幅提升。因此得到的入射波束信息为：
入射波束1：入射方向θ1＝0°，接收功率为-80dBm；
入射波束2：入射方向θ2＝20°，接收功率为-86dBm。
步骤二：在已经知道入射波束1、2的入射方向、强度后，生成两个入射波束对应的第一反射相位
步骤三：根据两个入射波束对应的接收功率，确定两个波束对应的功率权重系数为η1＝1.5，η2＝1。
步骤四：通过加权叠加的方式根据如下公式得到所需要的现网多波束入射场景下智能超表面电磁单元的相位设计，即第二反射相位φn,m：
将第二反射相位φn,m量化为编码后，配置给智能超表面，得到的接收信号功率分布如图5所示。从图中可以看出，配置了第二反射相位对应的编码后，智能超表面成功地通过智能反射，将两个波束的能量反射到了目标终端的反射方向，即θdes＝30°方向。证明所提出的智能超表面编码设计方法，成功地分析了入射至智能超表面的入射信号信息，并设计对应的编码将能量集中反射到目标方向上。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种现网多波束入射场景下智能超表面编码设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤101、根据目标终端的方位信息，配置一组编码给智能超表面，目标终端记录各编码对应的接收功率，并据此得到从基站到智能超表面这段信道中，入射至智能超表面的信号入射波束数量、方向以及强度信息；
步骤102、根据所述入射波束数量及方向，确定生成每个入射波束对应的智能超表面电磁单元第一反射相位；
步骤103、根据所述入射波束强度，确定每个入射波束对应的功率权重系数；
步骤104、根据所述第一反射相位与所述功率权重系数，确定智能超表面电磁单元的第二反射相位，并生成智能超表面编码。
2.根据权利要求1所述的现网多波束入射场景下智能超表面编码设计方法，其特征在于，步骤101具体包括以下步骤：
根据目标终端的方位信息，确定智能超表面的信号反射方向；设置k个信号波束入射方向，并针对每个设置入射波束方向，生成一个将信号反射至目标终端的智能超表面电磁单元反射相位设计，并生成对应编码；
将所述生成的编码依次配置给智能超表面，目标终端记录每个编码下的接收功率Pi；比较各设置入射波束方向以及对应接收功率Pi大小，根据以上信息生成接收功率Pi在各方向上的分布情况，从而得到入射至智能超表面的信号波束数量、方向以及强度信息。
3.根据权利要求1所述的现网多波束入射场景下智能超表面编码设计方法，其特征在于，步骤104具体包括以下步骤：
根据所述功率权重系数，对每个入射波束对应的第一反射相位进行加权叠加，获得智能超表面电磁单元的第二反射相位。
4.根据权利要求3所述的现网多波束入射场景下智能超表面编码设计方法，其特征在于，根据如下公式对每个入射波束对应的第一反射相位进行加权叠加，确定智能超表面电磁单元的第二反射相位：
其中φn,m表示所述智能超表面电磁单元的第二反射相位，ηi表示第i个入射波束对应的功率权重系数；表示第i个入射波束对应的智能超表面电磁单元第一反射相位，n表示智能超表面电磁单元的行索引，m表示智能超表面电磁单元的列索引。
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