CN117956504B - 一种联合优化布设位置和反射路径的ris辅助通信方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种联合优化布设位置和反射路径的RIS辅助通信方法和系统，考虑基站/接入点至用户无直达链路的下行通信系统，包括基站/接入点B，用户U以及布设在B‑U间建筑等物体表面上的P个RIS；其中，每个物体表面有s个潜在区域可布设RIS。在每个物体表面至多选择一个区域布设RIS，并规划波束反射路径Ω，共同构建B‑U间的RIS反射链路，使得RIS辅助下的B‑U间的等效信道增益均值最大构建各节点的莱斯信道模型，推导从基站至用户的RIS级联信道的闭式表达式；计算各RIS的最佳反射相移矩阵，推导基站至用户之间RIS级联链路的最大等效信道增益均值。本发明所提供方案的等效信道增益均值显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种联合优化布设位置和反射路径的RIS辅助通信方法和系统，属于无线通信技术领域。
背景技术
RIS辅助无线通信是一种新兴的无线通信技术，通过自适应地调整RIS各反射单元的被动反射波束，能够有效地增强无线信道，提升用户的通信质量。得益于RIS的被动反射特性，与传统多天线、主动型中继器相比，RIS能耗极低，只需要极低功率来维持微型控制器的运行即可。
同时，RIS是由大量被动反射单元构成的二维平面，成本低廉，可以灵活地部署在建筑物表面等，非常便捷。同时，由于RIS的潜在部署位置众多，而RIS的位置又直接决定与之关联的无线信道，进而影响整个RIS辅助通信系统的性能，因此需要选取合适的RIS布设位置。
另外，当基站/接入点至用户存在较密集遮挡物时，需要在多个位置部署RIS，构成RIS级联信道，才能较好地改善基站/接入点至用户的无线信道状态，满足用户的通信质量要求。这涉及到多RIS布设位置的联合选择优化，尤其复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种联合优化布设位置和反射路径的RIS辅助通信方法和系统，在可行布设区域优化选取RIS的布设位置，构建RIS辅助通信系统，来增强基站/接入点至用户间的无线信道，以解决基站/接入点至用户间直传无线信道被严重遮挡的问题，使得RIS辅助下的B-U间的等效信道增益均值最大。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供一种联合优化布设位置和反射路径选择的RIS辅助通信方法，基于一种通信系统，所述通信系统为基站至用户无直达链路的下行通信系统，包括基站B，用户U以及布设在B-U间建筑物体表面上的多个可重构智能表面RIS；其特征是，所述方法包括：
构建包括基站B、可重构智能表面RIS、用户U在内的各节点之间的莱斯信道模型，获取B-U间RIS级联信道的闭式表达式；
获取B-U间RIS级联链路的最大等效信道增益均值一般表达式；
以最优化上述最大等效信道增益均值为目标，构建可重构智能表面RIS布设位置和反射路径的联合优化问题；
将上述联合优化问题转化为图论中的最短路径问题，求解所述图论中的最短路径问题得到最优的RIS波束反射路径Ω，根据最优的RIS波束反射路径Ω确定RIS的最优布设位置，使得RIS辅助下的B-U间的等效信道增益均值最大。
进一步的，构建包括基站B、可重构智能表面RIS、用户U在内的各节点之间的莱斯信道模型，获取B-U间RIS级联信道的闭式表达式，包括：
在B-U间个数为Q的建筑物体表面上布设可重构智能表面RIS，分别表示为：R 1，R 2，R 3，...，R P ，每个物体表面有s个潜在区域可布设RIS，s>1，在每个物体表面至多选择一个区域布设RIS，P代表的是经过路径选择后的RIS个数；
RIS辅助的B-U级联反射信道表示为：
（6）
其中，、/>、/>分别表示第a P 个RIS和U之间的信道、相邻RIS之间的信道、B和第a 1个RIS之间的信道，/>、/>、/>分别表示第a P 、第a P-p 以及第a 1个RIS的反射系数矩阵；/>、/>、/>分别表示第a P 个RIS和U之间的距离、相邻RIS之间的距离、第a 1个RIS和B之间的距离；/>、/>、/>、/>分别表示第a P 个RIS离开方向的阵列响应、第a P-p+1 个RIS离开方向的阵列响应、第a P-p 个RIS接收方向的阵列响应、第a 1个RIS接收方向的阵列响应；/>、/>、/>、/>、/>分别表示第a P 个RIS-U链路的NLoS成分、第a P-p 个RIS-第a P-p+1 个RIS链路的NLoS成分、第a P-1个RIS-第a P 个RIS链路的NLoS成分、第a 1个RIS-第a 2个RIS链路的NLoS成分、B-Rp链路的NLoS成分，/>里的每一个元素都服从；j是虚数单位；β是参考距离为1m时的路径增益，K是莱斯因子；
（7）
（8）
其中，表示第a p 个RIS的反射系数矩阵，/>表示第a p 个RIS上每个反射单元的相移，/>表示第a P-1个RIS的反射系数矩阵，/>表示第a 2个RIS的反射系数矩阵，/>表示第a P 个RIS到达方向的阵列响应，/>和/>分别表示第a P-1个RIS离开方向和到达的阵列响应，/>表示第a P-2个RIS到达方向的阵列响应，/>和分别表示第a 2个RIS到达和离开方向的阵列响应，/>表示第a 1个RIS离开方向的阵列响应，/>表示第a P-2个RIS-第a P-1个RIS链路间的NLoS成分，/>表示第a 2个RIS-第a 3个RIS链路间的NLoS成分；M=M 1×M 2，表示RIS上反射单元的总个数，f表示式(8) 每一个乘积项中LoS成分的个数；(.)H表示共轭转置；
将反射路径记为，/>表示路径中第p个位置的索引，P表示路径中RIS的个数，/>表示系统中可布设RIS位置的总个数。
进一步的，获取B-U间RIS级联链路的最大等效信道增益均值，包括：
B-U的最大等效信道增益的均值表示为：
(13)
其中，表示统计期望；f’表示式(8) 每一个乘积项中含有NLOS成分的个数，，表示f’个NLoS成分排列组合可能出现的情况总数。
进一步的，以最优化上述最大等效信道增益均值为目标，构建可重构智能表面RIS布设位置和反射路径的联合优化问题，包括：
在街道场景中，建立一个三维空间直角坐标系，以街道中线为x轴，垂直于x轴向上的方向为z轴；基站，建筑，用户依次沿x轴正方向排列，Q个建筑分布在街道两侧，每个RIS上的反射单元排列成一个平行于x-z平面的均匀矩形阵列；定义一个二元变量来表示RIS的布设位置a p ，q=1，2，...，Q；
(14)
构建联合优化模型如下：
（15）
式中，和/>分别表示的是第a p+1 个RIS和第a p 个RIS的x坐标至基站x坐标的距离；/>和/>分别是当前建筑面和下一跳建筑面上的法向量，与建筑面上布设RIS的坐标相关；
式(15-1)约束每个RIS最多只能反射一次，式(15-2)假设波束只能从一个R i 向外传输到在传输方向上距离基站更远的R j ，式(15-3)保证下一跳在当前跳的反射范围内，式(15-4)约束每个建筑至多可布设一个RIS；是/>中除了p以外的任意一个其他建筑序号。
进一步的，将上述联合优化问题转化为图论中的最短路径问题，求解所述图论中的最短路径问题得到最优的RIS波束反射路径Ω，根据最优的RIS波束反射路径Ω确定RIS的最优布设位置，包括：
将构建的联合优化模型先取倒数再取对数并去掉常数项，根据波束反射路径与各RIS布设位置的一对一映射关系将联合优化问题转化为图论中的最短路径问题，得到转化后图论中的最短路径问题对应的表达式；
（16）
构造一个有向加权图G，G=(V,E)；其中，V为顶点集，顶点集用于表示图G中所有节点的集合，V={B,U}∪{1,2,...,N}，E表示边集，
(17)
采用图论中的 SPFA 算法求解所述优化问题，得到RIS的最优布设位置，使得 RIS辅助下的B-U 间的等效信道增益均值最大。
进一步的，采用图论中的 SPFA 算法求解所述优化问题，包括：
步骤 1：将 E 中每条边的权重W i,j 设为：
；d i,j 是R i 至R j 间的距离；
步骤 2：创建一个权值表，用于记录从起始节点 B 到每个节点当前最小权重；将起始节点B的距离设为0，并初始化从B到每个节点的权值为+∞；
步骤 3：创建一个优先级队列，用于选择下一个要访问的节点；初始时，将起始节点 B 放入优先级队列；
步骤 4：创建一个标记数组，用于标记节点是否在队列中；初始时，起始节点 B 标记为已在队列中；
步骤 5：重复以下操作，直到队列为空：
(1)从队列中取出一个节点；
(2)将该节点标记为不在队列中；
(3)遍历该节点的所有邻居节点：
如果通过当前节点到达邻居节点的权值小于权值表中记录的权值，则更新权值表，并将邻居节点加入队列；
如果邻居节点已经在队列中，则不进行更新操作；
步骤 6：循环结束后，权值表中记录的即为起始节点 B 到每个节点最小权值；
步骤 7：从权值表中获取从B-U 的最小权值，确定反射路径，并找到与之对应的节点位置；
步骤 8：将确定下来的 RIS 位置带入到波束设计中，得到从基站到达用户的最大等效信道增益均值。
第二方面，本发明提供一种联合布设位置和路径规划的 RIS 辅助无线通信系统，其特征在于，包括信道模型构建模块、波束设计模块、优化问题建立模块和优化求解模块；
所述信道模型构建模块，用于构建包括基站B、可重构智能表面RIS、用户U在内的各节点之间的莱斯信道模型，获取B-U间RIS级联信道的闭式表达式；
所述波束设计模块，用于获取B-U间RIS级联链路的最大等效信道增益均值一般表达式；
所述优化问题建立模块，用于以最优化上述等效信道增益均值为目标，构建可重构智能表面RIS布设位置和反射路径的联合优化问题；
所述优化求解模块，用于将上述联合优化问题转化为图论中的最短路径问题，求解所述图论中的最短路径问题得到最优的RIS波束反射路径Ω，根据最优的RIS波束反射路径Ω确定RIS的最优布设位置，使得RIS辅助下的B-U间的等效信道增益均值最大。
进一步的，所述信道模型构建模块构建包括基站B、可重构智能表面RIS、用户U在内的各节点之间的莱斯信道模型，获取B-U间RIS级联信道的闭式表达式，包括：
在B-U间个数为Q的建筑物体表面上布设可重构智能表面RIS，分别表示为：R 1，R 2，R 3，...，R P ，每个物体表面有s个潜在区域可布设RIS，s>1，在每个物体表面至多选择一个区域布设RIS，P代表的是经过路径选择后的RIS个数；
RIS辅助的B-U级联反射信道表示为：
（6）
其中，、/>、/>分别表示第a P 个RIS和U之间的信道、相邻RIS之间的信道、B和第a 1个RIS之间的信道，/>、/>、/>分别表示第a P 、第a P-p 以及第a 1个RIS的反射系数矩阵；/>、/>、/>分别表示第a P 个RIS和U之间的距离、相邻RIS之间的距离、第a 1个RIS和B之间的距离；/>、/>、/>、/>分别表示第a P 个RIS离开方向的阵列响应、第a P-p+1 个RIS离开方向的阵列响应、第a P-p 个RIS接收方向的阵列响应、第a 1个RIS接收方向的阵列响应；/>、/>、/>、/>、/>分别表示第a P 个RIS-U链路的NLoS成分、第a P-p 个RIS-第a P-p+1 个RIS链路的NLoS成分、第a P-1个RIS-第a P 个RIS链路的NLoS成分、第a 1个RIS-第a 2个RIS链路的NLoS成分、B-Rp链路的NLoS成分，/>里的每一个元素都服从/>；j是虚数单位；β是参考距离为1m时的路径增益，K是莱斯因子；
（7）
（8）
其中，表示第a p 个RIS的反射系数矩阵，/>表示第a p 个RIS上每个反射单元的相移，/>表示第a P-1个RIS的反射系数矩阵，/>表示第a 2个RIS的反射系数矩阵，/>表示第a P 个RIS到达方向的阵列响应，/>和/>分别表示第a P-1个RIS离开方向和到达的阵列响应，/>表示第a P-2个RIS到达方向的阵列响应，/>和/>分别表示第a 2个RIS到达和离开方向的阵列响应，/>表示第a 1个RIS离开方向的阵列响应，/>表示第a P-2个RIS-第a P-1个RIS链路间的NLoS成分，/>表示第a 2个RIS-第a 3个RIS链路间的NLoS成分；M=M 1×M 2，表示RIS上反射单元的总个数，f表示式(8) 每一个乘积项中LoS成分的个数；(.)H表示共轭转置；
将反射路径记为，/>表示路径中第p个位置的索引，P表示路径中RIS的个数，/>表示系统中可布设RIS位置的总个数。
进一步的，获取B-U间RIS级联链路的最大等效信道增益均值，包括：
B-U的最大等效信道增益的均值表示为：
(13)
其中，表示统计期望；f’表示式(8) 每一个乘积项中含有NLOS成分的个数，，表示f’个NLoS成分排列组合可能出现的情况总数。
第三方面，本发明提供一种联合优化布设位置和反射路径的RIS辅助通信系统，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行第一方面所述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
1、本发明提出的优化部署位置的RIS辅助通信系统，以最大化RIS辅助无线通信的等效信道增益均值为目标，提供最优RIS部署方案，显著地提升基站/接入点至用户间的无线信道质量。
2、本发明在可行布设区域优化选取RIS的布设位置，构建RIS辅助通信系统，来增强基站/接入点至用户间的无线信道，以解决基站/接入点至用户间直传无线信道被严重遮挡的问题。
附图说明
图1是RIS辅助通信的位置优化系统模型图；
图2是RIS辅助通信的位置优化系统流程示意图；
图3是本发明使用方法和其他方法的等效信道增益均值的对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种优化部署位置的RIS辅助无线通信系统，改善了用户的接收信号功率。
通过多RIS代替中继器辅助无线通信，是一种降低成本以及能源消耗的有效方法。一个或多个分布式RIS辅助无线通信都是信号经过一次反射到达目标用户，这样无法在障碍物较多的情况下保证基站和用户之间的通信质量，而多RIS通过多次反射可以有效避免这个问题，为了进一步提高用户接收信号功率，将RIS布设的位置具体到每个建筑面上的某一处而不是随机的一个参考点。
如图1所示，考虑基站/接入点至用户无直达链路的下行通信系统，包括基站/接入点B，用户U以及布设在B-U间建筑(个数为Q)等物体表面上的P个RIS：R 1，R 2，R 3，...，R P ，其中，每个物体表面有s(s>1)个潜在区域可布设RIS。在每个物体表面至多选择一个区域布设RIS，并规划波束反射路径Ω，共同构建B-U间的RIS反射链路，使得RIS辅助下的B-U间的等效信道增益均值最大。
如图2所示，本实施例的方法具体包括：
构建包括基站B、RISR 1，R 2，...，R P 、用户U在内的各节点之间的莱斯信道模型，推导B-U间RIS级联信道的闭式表达式；
计算各RIS的最佳反射相移矩阵，推导B-U间RIS级联链路的最大等效信道增益均值一般表达式；
以最优化上述等效信道增益均值为目标，构建RIS布设位置和反射路径的联合优化问题；
将上述联合优化问题转化为图论中的最短路径问题，采用SPFA方法，求解最优的RIS波束反射路径Ω，相应地确定RIS的最优布设位置。
具体地，构建包括基站B、RISR 1，R 2，...，R P 、用户U在内的各节点之间的莱斯信道模型，推导B-U间RIS级联信道的闭式表达式包括：
系统中任何两个节点之间的视距(Line-of-Sight, LoS)信道建模为它们两侧的阵列响应的乘积。定义转向矢量函数：。其中，j是虚数单位，/>表示复数集合，(.) T 表示向量或者矩阵的转置，φ表示两相邻反射单元之间的相位差，L代表水平/垂直方向上反射单元的数量。考虑反射单元按矩形均匀排列的情况，RISR j 到达方向阵列响应可以表示为其水平和垂直方向上转向矢量函数的克罗内克积：
(1)
同理可得RISR i 离开方向阵列响应：
(2)
其中，d I 表示RIS上同向相邻反射单元的间距，和/>分别表示到达R j 波束的仰角和方位角，/>和/>分别表示从R i 离开波束的仰角和方位角，M 1和M 2分别表示RIS的水平和垂直方向上反射单元的数量。
构建B-R p (p=1，2，...，P)的莱斯信道模型，由LoS成分和非LoS(non-LoS, NLoS)成分组成：
（3）
其中，β<1是参考距离为1m时的路径增益，d B,p 是基站至R p 间的距离，K是莱斯因子。表示在LoS链路上由传播距离引起的相移，/>表示B-R p 链路的NLoS成分，/>里的每一个元素都服从/>。
构建R i -R j (i，j=1，2，...，p，i≠j)之间的莱斯信道模型：
（4）
其中，d i,j 是R i 至R j 间的距离，(.) H 表示向量或矩阵的共轭转置，表示R i -R j链路的NLoS成分，/>里的每一个元素都服从/>。
构建R p -U之间的莱斯信道模型：
（5）
其中，表示的R p -U链路的NLoS成分，/>里的每一个元素都服从/>。
将反射路径记为，/>表示路径中第p个位置的索引，P表示路径中RIS的个数，/>表示系统中可布设RIS位置的总个数。
综合(3，(4)，(5)，RIS辅助的B-U级联反射信道可表示为：
（6）
其中，
（7）
（8）
其中，表示第a p 个RIS的反射系数矩阵，/>表示第a p 个RIS上每个反射单元的相移，M=M 1×M 2，表示RIS上反射单元的总个数，f表示式(8) 每一个乘积项中LoS成分的个数。
具体的，B-U的等效信道增益均值可以表示为：
（9）
其中，表示统计期望。
为最大化B-U的等效信道增益均值，需要优化反射单元上的相移，将波束的主瓣朝指定方向反射。优化每个RIS的反射相移为：
（10）
在(10)的基础上推导可得：
（11）
式(11)表示所有既含有LoS成分又含有NLoS成分的等效信道增益均值。其中，f’表示式(8) 每一个乘积项中含有NLOS成分的个数，，表示f’个NLoS成分排列组合可能出现的情况总数；
（12）
其中，s 2表示式(8)项(1)中可写成包含“A p ”乘积项的个数。s表示s 2的所有情况的集合，表示总式中减去s2的所有情况后剩余RIS反射系数矩阵的个数。
经过推导，可得在任意可行反射路径下，B-U的最大等效信道增益的均值可以表示为：
（13）。
具体的，构建RIS布设位置选择和反射路径的联合优化模型，包括：
在街道场景中，建立一个三维空间直角坐标系，以街道中线为x轴，垂直于x轴向上的方向为z轴。基站，建筑，用户依次沿x轴正方向排列，Q个建筑分布在街道两侧，每个RIS上的反射单元排列成一个平行于x-z平面的均匀矩形阵列。定义一个二元变量来表示RIS的布设位置a p ，q=1，2，...，Q：
（14）。
考虑各RIS反射单元数目M较大的情况：由于M 2P 远远大于M P ，可以忽略带M P 的项，构建联合优化模型如下：
（15）
其中，和/>分别表示的是第a p+1 个RIS和第a p 个RIS的x坐标至基站x坐标的距离；/>和/>分别是当前建筑面和下一跳建筑面上的法向量，与建筑面上布设RIS的坐标相关；式(15-1)约束每个RIS最多只能反射一次，式(15-2)假设波束只能从一个R i 向外传输到在传输方向上距离基站更远的R j ，式(15-3)保证下一跳在当前跳的反射范围内，式(15-4)约束每个建筑至多可布设一个RIS；/>是/>中除了p以外的任意一个其他建筑序号。
具体的，所述求解联合优化问题包括：
将优化问题目标函数先取倒数再取对数并去掉常数项，根据波束反射路径与各RIS布设位置的一对一映射关系将联合优化问题(15)转化为图论中的最短路径问题，即通过优化反射路径来最大化B-U等效信道增益均值，反射路径指定了所选RIS及其反射顺序。
（16）
首先构造一个有向加权图G=(V,E)。其中，V={B,U}∪{1,2,...,N}为顶点集，表示图G中所有节点的集合，E表示边集：
（17）。
采用图论中的SPFA算法求解上述优化问题。具体地，
步骤1：将E中每条边的权重设为。
步骤2：创建一个权值表，用于记录从起始节点B到每个节点当前最小权重。将起始节点B的距离设为0，并初始化从B到每个节点的权值为+∞。
步骤3：创建一个优先级队列，用于选择下一个要访问的节点。初始时，将起始节点B放入优先级队列。
步骤4：创建一个标记数组，用于标记节点是否在队列中。初始时，起始节点B标记为已在队列中。
步骤5：重复以下操作，直到队列为空：
(1)从队列中取出一个节点；
(2)将该节点标记为不在队列中；
(3)遍历该节点的所有邻居节点：
a 如果通过当前节点到达邻居节点的权值小于权值表中记录的权值，则更新权值表，并将邻居节点加入队列；
b 如果邻居节点已经在队列中，则不进行更新操作。
步骤6：循环结束后，权值表中记录的即为起始节点B到每个节点最小权值。
步骤7：从权值表中获取从B-U的最小权值，确定反射路径，并找到与之对应的节点位置。
步骤8：将确定下来的RIS位置带入到波束设计中，可得到从基站到达用户的最大等效信道增益均值。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：
本实施实例是通过MATLAB仿真实现，在仿真实验中设定无线信道相互独立，信道服从莱斯分布。在街道的场景下，建筑物在街道两侧分布，系统使用3.5G载波频率，波长约为0.086m，参考距离为1米时的路径损耗β为-43dB，莱斯因子为2dB。基站，建筑，用户依次沿x轴正方向排列，每个RIS上的反射单元排列成一个平行于x-z平面的均匀矩形阵列，选择街道两侧各6栋建筑的正对面作为RIS放置的候选区域，每个建筑面积可提供4个候选区域。每个反射面上的反射单元数量为[600,1300]。本实施例的方法流程如图2所示：根据包括基站B、RISR 1，R 2，...，R P，用户U在内的节点之间的莱斯信道模型，推导B-U间RIS级联信道的闭式表达式；计算各RIS的最佳反射相移矩阵，推导B-U间RIS级联链路的最大等效信道增益均值；以最优化上述等效信道增益均值为目标，构建RIS布设位置和反射路径的联合优化问题；将上述联合优化问题转化为图论中的最短路径问题，采用SPFA方法，求解最优的RIS波束反射路径Ω，相应地确定最优的RIS布设位置。图3为将本发明中所应用的算法和最大化无源波束增益和最小化路径损耗两种极端情况以及随机选择RIS个数及位置这三种情况进行比较，从图中可以观察到随着RIS上面元素的增加，等效信道增益均值在增加，并且本发明中提到的算法得到的等效信道增益均值高于这三种情况。
实施例2
本实施例提供与以上实施例提供的联合布设位置和路径规划的RIS辅助通信方法相对应的优化部署位置的一种联合优化布设位置和反射路径的RIS辅助通信系统，包括：信道模型构建模块、波束设计模块、优化模型建立模块和优化求解模块；
所述信道模型构建模块，用于构建包括基站B、RISR 1，R 2，...，R P ，用户U在内的各节点之间的莱斯信道模型，推导B-U间RIS级联信道的闭式表达式；
所述波束设计模块，用于计算各RIS的最佳反射相移矩阵，推导B-U间RIS级联链路的最大等效信道增益均值；
所述优化问题建立模块，是以最优化上述等效信道增益均值为目标，构建RIS布设位置和反射路径选择的联合优化问题；
所述优化求解模块，是将上述联合优化问题转化为图论中的最短路径问题，采用SPFA方法，求解最优的RIS波束反射路径，进而选择各RIS的最优布设位置。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，各模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
实施例3
本发明实施例还提供了一种联合优化布设位置和反射路径的RIS辅助通信系统，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行实施例一所述方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种联合优化布设位置和反射路径选择的RIS辅助通信方法，基于一种通信系统，所述通信系统为基站至用户无直达链路的下行通信系统，包括基站B，用户U以及布设在B-U间建筑物体表面上的多个可重构智能表面RIS；其特征是，所述方法包括：
构建包括基站B、可重构智能表面RIS、用户U在内的各节点之间的莱斯信道模型，获取B-U间RIS级联信道的闭式表达式；
获取B-U间RIS级联链路的最大等效信道增益均值一般表达式；
以最优化上述最大等效信道增益均值为目标，构建可重构智能表面RIS布设位置和反射路径的联合优化问题；
将上述联合优化问题转化为图论中的最短路径问题，求解所述图论中的最短路径问题得到最优的RIS波束反射路径Ω，根据最优的RIS波束反射路径Ω确定RIS的最优布设位置，使得RIS辅助下的B-U间的等效信道增益均值最大；
构建包括基站B、可重构智能表面RIS、用户U在内的各节点之间的莱斯信道模型，获取B-U间RIS级联信道的闭式表达式，包括：
在B-U间个数为Q的建筑物体表面上布设可重构智能表面RIS，分别表示为：R1，R2，R3，...，RP，每个物体表面有s个潜在区域可布设RIS，s>1，在每个物体表面至多选择一个区域布设RIS，P代表的是经过路径选择后的RIS个数；
RIS辅助的B-U级联反射信道表示为：
其中，分别表示第aP个RIS和U之间的信道、相邻RIS之间的信道、B和第a1个RIS之间的信道，/>分别表示第aP、第aP-p以及第a1个RIS的反射系数矩阵；/> 分别表示第aP个RIS和U之间的距离、相邻RIS之间的距离、第a1个RIS和B之间的距离；/>分别表示第aP个RIS离开方向的阵列响应、第aP-p+1个RIS离开方向的阵列响应、第aP-p个RIS接收方向的阵列响应、第a1个RIS接收方向的阵列响应；/> τ0分别表示第aP个RIS-U链路的NLoS成分、第aP-p个RIS-第aP-p+1个RIS链路的NLoS成分、第aP-1个RIS-第aP个RIS链路的NLoS成分、第a1个RIS-第a2个RIS链路的NLoS成分、B-Rp链路的NLoS成分，τ0里的每一个元素都服从CN(0，1)；j是虚数单位；β是参考距离为1m时的路径增益，K是莱斯因子；
其中，表示第ap个RIS的反射系数矩阵，/>表示第ap个RIS上每个反射单元的相移，/>表示第aP-1个RIS的反射系数矩阵，/>表示第a2个RIS的反射系数矩阵，/>表示第aP个RIS到达方向的阵列响应，/>和/>分别表示第aP-1个RIS离开方向和到达的阵列响应，/>表示第aP-2个RIS到达方向的阵列响应，/>和/>分别表示第a2个RIS到达和离开方向的阵列响应，/>表示第a1个RIS离开方向的阵列响应，表示第aP-2个RIS-第aP-1个RIS链路间的NLoS成分，/>表示第a2个RIS-第a3个RIS链路间的NLoS成分；M＝M1×M2，表示RIS上反射单元的总个数，f表示式(8)每一个乘积项中LoS成分的个数；(.)H表示共轭转置；
将反射路径记为Ω＝{a1，a2，…，aP}，ap∈1，2，3，…，N}表示路径中第p个位置的索引，P表示路径中RIS的个数，N＝s×Q表示系统中可布设RIS位置的总个数；
获取B-U间RIS级联链路的最大等效信道增益均值，包括：
B-U的最大等效信道增益的均值表示为：
其中，表示统计期望；f′表示式(8)每一个乘积项中含有NLOS成分的个数，表示f′个NLoS成分排列组合可能出现的情况总数；
以最优化上述最大等效信道增益均值为目标，构建可重构智能表面RIS布设位置和反射路径的联合优化问题，包括：
在街道场景中，建立一个三维空间直角坐标系，以街道中线为x轴，垂直于x轴向上的方向为z轴；基站，建筑，用户依次沿x轴正方向排列，Q个建筑分布在街道两侧，每个RIS上的反射单元排列成一个平行于x-z平面的均匀矩形阵列；定义一个二元变量来表示RIS的布设位置ap，q＝1，2，...，Q；
构建联合优化模型如下：
式中，和/>分别表示的是第ap+1个RIS和第ap个RIS的x坐标至基站x坐标的距离；/>和/>分别是当前建筑面和下一跳建筑面上的法向量，与建筑面上布设RIS的坐标相关；
式(15-1)约束每个RIS最多只能反射一次，式(15-2)假设波束只能从一个Ri向外传输到在传输方向上距离基站更远的Rj，式(15-3)保证下一跳在当前跳的反射范围内，式(15-4)约束每个建筑至多可布设一个RIS；p′是{1，...，P}中除了p以外的任意一个其他建筑序号；
将上述联合优化问题转化为图论中的最短路径问题，求解所述图论中的最短路径问题得到最优的RIS波束反射路径Ω，根据最优的RIS波束反射路径Ω确定RIS的最优布设位置，包括：
将构建的联合优化模型先取倒数再取对数并去掉常数项，根据波束反射路径与各RIS布设位置的一对一映射关系将联合优化问题转化为图论中的最短路径问题，得到转化后图论中的最短路径问题对应的表达式；
构造一个有向加权图G，G＝(V，E)；其中，y为顶点集，顶点集用于表示图G中所有节点的集合，V＝{B，U}∪{1，2，...，N}，E表示边集，
E＝{(B，j)|j∈{1，...，N}}∪{(i，j)|xj，B＞xi，B，i，j∈{1，...，N}}
U{(j，U)|j∈{1，...，N}} (17)
采用图论中的SPFA算法求解所述优化问题，得到RIS的最优布设位置，使得RIS辅助下的B-U间的等效信道增益均值最大；
采用图论中的SPFA算法求解所述优化问题，包括：
步骤1：将E中每条边的权重Wi，j设为：
di，j是Ri至Rj间的距离；
步骤2：创建一个权值表，用于记录从起始节点B到每个节点当前最小权重；将起始节点B的距离设为0，并初始化从B到每个节点的权值为+∞；
步骤3：创建一个优先级队列，用于选择下一个要访问的节点；初始时，将起始节点B放入优先级队列；
步骤4：创建一个标记数组，用于标记节点是否在队列中；初始时，起始节点B标记为已在队列中；
步骤5：重复以下操作，直到队列为空：
(1)从队列中取出一个节点；
(2)将该节点标记为不在队列中；
(3)遍历该节点的所有邻居节点：
如果通过当前节点到达邻居节点的权值小于权值表中记录的权值，则更新权值表，并将邻居节点加入队列；
如果邻居节点已经在队列中，则不进行更新操作；
步骤6：循环结束后，权值表中记录的即为起始节点B到每个节点最小权值；
步骤7：从权值表中获取从B-U的最小权值，确定反射路径，并找到与之对应的节点位置；
步骤8：将确定下来的RIS位置带入到波束设计中，得到从基站到达用户的最大等效信道增益均值。
2.一种联合布设位置和路径规划的RIS辅助无线通信系统，其特征在于，包括信道模型构建模块、波束设计模块、优化问题建立模块和优化求解模块；
所述信道模型构建模块，用于构建包括基站B、可重构智能表面RIS、用户U在内的各节点之间的莱斯信道模型，获取B-U间RIS级联信道的闭式表达式；
所述波束设计模块，用于获取B-U间RIS级联链路的最大等效信道增益均值一般表达式；
所述优化问题建立模块，用于以最优化上述等效信道增益均值为目标，构建可重构智能表面RIS布设位置和反射路径的联合优化问题；
所述优化求解模块，用于将上述联合优化问题转化为图论中的最短路径问题，求解所述图论中的最短路径问题得到最优的RIS波束反射路径Ω，根据最优的RIS波束反射路径Ω确定RIS的最优布设位置，使得RIS辅助下的B-U间的等效信道增益均值最大；
构建包括基站B、可重构智能表面RIS、用户U在内的各节点之间的莱斯信道模型，获取B-U间RIS级联信道的闭式表达式，包括：
在B-U间个数为Q的建筑物体表面上布设可重构智能表面RIS，分别表示为：R1，R2，R3，...，RP，每个物体表面有s个潜在区域可布设RIS，s>1，在每个物体表面至多选择一个区域布设RIS，P代表的是经过路径选择后的RIS个数；
RIS辅助的B-U级联反射信道表示为：
其中，分别表示第aP个RIS和U之间的信道、相邻RIS之间的信道、B和第a1个RIS之间的信道，/>分别表示第aP、第aP-p以及第a1个RIS的反射系数矩阵；/> 分别表示第aP个RIS和∪之间的距离、相邻RIS之间的距离、第a1个RIS和B之间的距离；/>分别表示第aP个RIS离开方向的阵列响应、第aP-p+1个RIS离开方向的阵列响应、第aP-p个RIS接收方向的阵列响应、第a1个RIS接收方向的阵列响应；/> τ0分别表示第aP个RIS-U链路的NLoS成分、第aP-p个RIS-第aP-p+1个RIS链路的NLoS成分、第aP-1个RIS-第aP个RIS链路的NLoS成分、第a1个RIS-第a2个RIS链路的NLoS成分、B-Rp链路的NLoS成分，τ0里的每一个元素都服从CN(0，1)；j是虚数单位；β是参考距离为1m时的路径增益，K是莱斯因子；
其中，表示第ap个RIS的反射系数矩阵，/>表示第ap个RIS上每个反射单元的相移，/>表示第aP-1个RIS的反射系数矩阵，/>表示第a2个RIS的反射系数矩阵，/>表示第aP个RIS到达方向的阵列响应，/>和/>分别表示第aP-1个RIS离开方向和到达的阵列响应，/>表示第aP-2个RIS到达方向的阵列响应，/>和/>分别表示第a2个RIS到达和离开方向的阵列响应，/>表示第a1个RIS离开方向的阵列响应，表示第aP-2个RIS-第aP-1个RIS链路间的NLoS成分，/>表示第a2个RIS-第a3个RIS链路间的NLoS成分；M＝M1×M2，表示RIS上反射单元的总个数，f表示式(8)每一个乘积项中LoS成分的个数；(.)H表示共轭转置；
将反射路径记为Ω{a1，a2，…，aP}，ap∈1，2，3，…，N}表示路径中第p个位置的索引，P表示路径中RIS的个数，N＝s×Q表示系统中可布设RIS位置的总个数；
获取B-U间RIS级联链路的最大等效信道增益均值，包括：
B-U的最大等效信道增益的均值表示为：
其中，表示统计期望；f′表示式(8)每一个乘积项中含有NLOS成分的个数，表示f′个NLoS成分排列组合可能出现的情况总数；
以最优化上述最大等效信道增益均值为目标，构建可重构智能表面RIS布设位置和反射路径的联合优化问题，包括：
在街道场景中，建立一个三维空间直角坐标系，以街道中线为x轴，垂直于x轴向上的方向为z轴；基站，建筑，用户依次沿x轴正方向排列，Q个建筑分布在街道两侧，每个RIS上的反射单元排列成一个平行于x-z平面的均匀矩形阵列；定义一个二元变量来表示RIS的布设位置ap，q＝1，2，...，Q；
构建联合优化模型如下：
式中，和/>分别表示的是第ap+1个RIS和第ap个RIS的x坐标至基站x坐标的距离；/>和/>分别是当前建筑面和下一跳建筑面上的法向量，与建筑面上布设RIS的坐标相关；
式(15-1)约束每个RIS最多只能反射一次，式(15-2)假设波束只能从一个Ri向外传输到在传输方向上距离基站更远的Rj，式(15-3)保证下一跳在当前跳的反射范围内，式(15-4)约束每个建筑至多可布设一个RIS；p′是{1，...，P}中除了p以外的任意一个其他建筑序号；
将上述联合优化问题转化为图论中的最短路径问题，求解所述图论中的最短路径问题得到最优的RIS波束反射路径Ω，根据最优的RIS波束反射路径Ω确定RIS的最优布设位置，包括：
将构建的联合优化模型先取倒数再取对数并去掉常数项，根据波束反射路径与各RIS布设位置的一对一映射关系将联合优化问题转化为图论中的最短路径问题，得到转化后图论中的最短路径问题对应的表达式；
构造一个有向加权图G，G＝(V，E)；其中，y为顶点集，顶点集用于表示图G中所有节点的集合，V＝{B，U}∪{1，2，...，N}，E表示边集，
E＝{(B，j)|j∈{1，...，N}}∪{(i，j)|xj，B＞xi，B，i，j∈{1，...，N}}
U{(j，U)|j∈{1，...，N}} (17)
采用图论中的SPFA算法求解所述优化问题，得到RIS的最优布设位置，使得RIS辅助下的B-U间的等效信道增益均值最大；
采用图论中的SPFA算法求解所述优化问题，包括：
步骤1：将E中每条边的权重Wi，j设为：
di，j是Ri至Rj间的距离；
步骤2：创建一个权值表，用于记录从起始节点B到每个节点当前最小权重；
将起始节点B的距离设为0，并初始化从B到每个节点的权值为+∞；
步骤3：创建一个优先级队列，用于选择下一个要访问的节点；初始时，将起始节点B放入优先级队列；
步骤4：创建一个标记数组，用于标记节点是否在队列中；初始时，起始节点B标记为已在队列中；
步骤5：重复以下操作，直到队列为空：
(1)从队列中取出一个节点；
(2)将该节点标记为不在队列中；
(3)遍历该节点的所有邻居节点：
如果通过当前节点到达邻居节点的权值小于权值表中记录的权值，则更新权值表，并将邻居节点加入队列；
如果邻居节点已经在队列中，则不进行更新操作；
步骤6：循环结束后，权值表中记录的即为起始节点B到每个节点最小权值；
步骤7：从权值表中获取从B-U的最小权值，确定反射路径，并找到与之对应的节点位置；
步骤8：将确定下来的RIS位置带入到波束设计中，得到从基站到达用户的最大等效信道增益均值。
3.一种联合优化布设位置和反射路径的RIS辅助通信系统，其特征在于，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行权利要求1所述方法的步骤。
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|---|---|---|---|
| CN202410349125.9A CN117956504B (zh) | 2024-03-26 | 2024-03-26 | 一种联合优化布设位置和反射路径的ris辅助通信方法和系统 |
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| CN202410349125.9A CN117956504B (zh) | 2024-03-26 | 2024-03-26 | 一种联合优化布设位置和反射路径的ris辅助通信方法和系统 |
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| CN117956504A CN117956504A (zh) | 2024-04-30 |
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|---|
| FDD大规模MIMO系统速率最大化导频信号设计方法;王毅;冀保峰;张松炜;闫利超;郭慧;李春国;杨绿溪;;信号处理;20180625(第06期);全文 * |
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