一种基于智能反射面双反射结构的联合波束成形设计方法

1.本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于智能反射面双反射结构的联合波束成形设计方法。


背景技术：

2.智能反射面是一种新型的反射材料，其上的分布有大量的反射单元，每个反射单元的反射特性都是人为可控的，通过联合调整每个反射单元的反射振幅和相位来控制反射波的参数。智能反射面可以动态调整电磁波的传播特性，因此可以利用智能反射面对无线通信环境进行重新配置，优化无线信道环境，提升通信系统的性能。与传统的放大转发和解码转发中继不同，智能反射面不需要对信号进行处理，只需要反射信号，因此其不需要复杂的接收和发射设备，具有更低的硬件成本和耗能。而且智能反射面具有全双工的波束成形特质，不会引入自干扰。
3.之前很多工作只考虑发射端-智能反射面-接收端这种通信链路，主要研究单个智能反射面或多个智能反射面各自独立辅助于其附近的相关接收端的场景，发射端发射的信号入射到智能反射面并不是垂直入射的，都存在一个较大的入射角，因此智能反射面接收到的信号功率会有一定的损失，加上智能反射面只能被动的反射信号，不能对信号进行放大，这就导致智能反射面反射信号的强度在很大程度上依赖于来波信号的入射角度。在发射端功率一定的情况下，接收端的信噪比受制于发射端信号入射到智能反射面的角度以及智能反射面波束成形的设计。传统的方法是将智能反射面部署在发射端附近，使得发射端信号能垂直入射到智能反射面上，使得智能反射面能够在最大程度上对来波信号进行反射。而在实际应用中，为了能实现接收端信噪比的最大化，不仅仅需要考虑发射端入射信号的角度，还需要考虑智能反射面部署位置、反射波的方向等，因此入射信号并不能一直垂直入射在智能反射面上，导致了信号功率的浪费。
4.目前，上述问题并未得到解决。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种基于智能反射面双反射结构的联合波束成形设计方法，以解决现有技术中入射信号并不能一直垂直入射在智能反射面上，导致了信号功率的浪费，无法提高智能反射面辅助无线通信系统的性能的问题。
6.本发明提供了一种基于智能反射面双反射结构的联合波束成形设计方法，包括：
7.s1基于智能反射面通信系统下行通信链路，建立包括具有m根天线的发射端、n个反射单元的智能反射面irs1和n个反射单元的智能反射面irs2、以及一个单天线接收端的无线通信系统模型；
8.s2所述智能反射面irs1和所述智能反射面irs2成设定角度放置在所述发射端和所述接收端连接线的中轴线上，智能反射面irs1朝向所述发射端，智能反射面irs2朝向所述接收端，智能反射面irs1和irs2中轴线之间的距离为d，获得智能反射面双反射结构模
型；
9.s3根据所述发射端到所述智能反射面irs1、所述智能反射面irs1到所述智能反射面irs2、所述智能反射面irs2到单天线接收端链路的无线信道，构建所述单天线接收端的接收信噪比；
10.s31设置所述智能反射面irs1为镜面反射，所述发射端通过主动波束成形的方式360度发送信号，同时所述智能反射面irs1缓慢转动摆放角度，当所述发射端收到从所述智能反射面irs1反射回来的信号，视为所述发射端发送的信号垂直入射irs1，此时保持irs1摆放角度固定；
11.s32根据所述智能反射面irs1反射信号的来波角度，发射端处进行主动波束成形设计，使发送信号垂直入射irs1；
12.s33所述智能反射面irs1和所述智能反射面irs2用有线链路连接，irs1和irs2相距1m左右，并通过有线链路进行通信，交换放置位置信息及转动角度信息；
13.s34所述智能反射面irs1度取irs2的摆放角度后，进行被动波束成形设计，使得irs1反射的信号垂直入射到irs2上；
14.s35所述智能反射面irs2对被动波束成形矢量以及摆放角度进行联合优化设计，在保证irs1反射信号垂直入射irs2的情况下，使接收端的信噪比尽量最大化；
15.s36微调所述智能反射面irs2的旋转角度以及被动波束成形矢量w2，计算所述接收端的信噪比，获得最大接收端的接收信噪比，完成所述智能反射面双反射结构及其联合被动波束成形设计方法。
16.进一步地，所述s1中无线通信系统模型的建立，包括：
17.所述发射端和所述接收端之间的直射径信道被遮挡物遮挡，所述发射端和所述接收端之间没有视距信道存在，有级联信道hb＝h
aphirshuser
，且1级联信道hb服从复高斯分布，其中cb为协方差矩阵；
18.基于所述智能反射面，所述发射端与智能反射面irs1的信道为h
ap
∈cm×n，智能反射面irs1与智能反射面irs2的信道为h
irs
∈cn×n，irs2与所述接收端之间的信道为h
user
∈cn×1，其中，c表示矩阵，m表示m根发射天线，n表示n个反射单元；
19.若智能反射面，所述发射端与所述智能反射面irs1、所述智能反射面irs1与所述智能反射面irs2、所述智能反射面irs2与所述接收端之间的信道状态信息已知，则在下行链路中，所述单天线接收端接收到所述发射端发来的信号为：
20.y＝hhx n
ꢀꢀ
(1)
21.其中，表示发射端处发射的信号，h表示智能反射面双反射结构辅助的无线通信系统的整体信道模型，h表示共轭运算，表示服从复高斯分布其中，表示复数集，0是n的均值，是n的方差，对角阵表示智能反射面irs1对发射端来波信号的操作，表示智能反射面irs2对irs1来波信号的操作，θi∈[0,2π]表示irs1上第i个反射单元的相移，表示irs2上第j个反射单元的相移，hh表示对
h进行厄尔米特共轭运算，表示对h
user
进行厄尔米特共轭运算，表示对φ2进行厄尔米特共轭运算，表示对h
irs
进行厄尔米特共轭运算，表示对φ1进行厄尔米特共轭运算，表示对h
ap
进行厄尔米特共轭运算。
[0022]
进一步地，所述s2中智能反射面双反射结构模型的构建，包括：
[0023]
将智能反射面双反射结构俯视投影于直角坐标系中，所述智能反射面irs1和所述智能反射面irs2分别位于x轴(1，0)、(-1，0)处，所述智能反射面irs1和所述智能反射面rs2的法向矢量分别为
[0024]
所述法向矢量与x轴负方向的夹角为ψ，所述所述与x轴正方向的夹角为θ，所述智能反射面irs1和所述智能反射面irs2以中线为轴线进行旋转，改变夹角ψ、θ∈[0,π]；
[0025]
基于所述智能反射面irs1和所述智能反射面irs2的中轴线距离为d＝k，获得智能反射面双反射结构模型，获得智能反射面双反射结构模型，其中，λ为信号波长，k为正整数。
[0026]
进一步地，所述s35是根据公式(1)，获得所述接收端的接收信噪比如下：
[0027][0028]
进一步地，所述s36中获得最大接收端的接收信噪比，完成所述智能反射面双反射结构及其联合被动波束成形设计方法，包括：
[0029]
以最大化接收端信噪比为优化目标，基于所述智能反射面双反射结构的基础上，进行联合波束成形设计；
[0030]
所述智能反射面的旋转角度控制智能反射面的接收信号功率，基于旋转角度ψ、θ对应反射系数γ1、γ2∈[0,1]，通过和所述智能反射面双反射结构，获得的无线信道为：
[0031][0032]
其中，表示获得的无线信道，对优化变量γ1、γ2隐含在无线信道中，
[0033]
基于所述接收端的接收信噪比，当发射端功率一定时，通过调整γ1、γ2、、获得最高的接收信噪比，完成所述智能反射面双反射结构及其联合被动波束成形设计方法。
[0034]
进一步地，联合波束成形的设计方法被构造成一个优化问题：
[0035][0036]
s.t.γ1、γ2∈[0,1]、θi∈[0,2π]，i＝1,
…
,n、j＝1,
…
,n，其中，s.t.表示受限于，优化变量γ1、γ2、θi、隐含在无线信道中。
[0037]
本发明与现有技术相比存在的有益效果是：
[0038]
1.本发明通过在保证irs1反射信号垂直入射irs2的情况下，大大降低了功率损失；
[0039]
2.智能反射面双反射结构的设计，解决了在发射端功率一定的情况下，接收端的信噪比受制于发射端信号入射到智能反射面的角度以及智能反射面波束成形的问题；
[0040]
3.通过优化智能反射面双反射结构的摆放角度以及被动波束成形，提高智能反射面辅助无线通信系统的性能；
[0041]
4.本发明采用的智能反射面其不需要复杂的接收和发射设备，具有更低的硬件成本和耗能，而且智能反射面具有全双工的波束成形特质，不会引入自干扰。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0043]
图1是本发明提供的一种基于智能反射面双反射结构的联合波束成形设计方法流程图；
[0044]
图2是本发明提供的智能反射面双反射结构辅助无线通信系统示意图；
[0045]
图3是本发明提供的双反射结构示意图。
具体实施方式
[0046]
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
[0047]
下面将结合附图详细说明根据本发明的一种基于智能反射面双反射结构的联合波束成形设计方法。
[0048]
图1是本发明公开提供的一种基于智能反射面双反射结构的联合波束成形设计方法的流程图。如图1所示，该智能反射面双反射结构及其联合波束成形设计方法包括：
[0049]
s1，基于智能反射面通信系统下行通信链路，建立包括具有m根天线的发射端、n个反射单元的智能反射面irs1和n个反射单元的智能反射面irs2、以及一个单天线接收端的无线通信系统模型；
[0050]
图2是本发明提供的智能反射面双反射结构辅助无线通信系统示意图。
[0051]
发射端和接收端之间的直射径信道被遮挡物遮挡，发射端和接收端之间没有视距信道存在，有级联信道hb＝h
aphirshuser
，且1级联信道hb服从复高斯分布，其中cb为协方差矩阵；
[0052]
基于智能反射面，发射端与智能反射面irs1的信道为h
ap
∈cm×n，智能反射面irs1与智能反射面irs2的信道为h
irs
∈cn×n，irs2与接收端之间的信道为h
user
∈cn×1，其中，c表示矩阵，m表示m根发射天线，n表示n个反射单元；
[0053]
无线通信系统模型的建立，如图2所示，其中两块相同的分别具有n个反射单元的
智能反射面部署在发射端与接收端中点附近，用来辅助具有m根天线的发射端与单天线接收端之间的通信，发射端和接收端之间的直射径信道被遮挡。对角阵表示智能反射面irs1对发射端来波信号的操作，表示智能反射面irs2对irs1来波信号的操作，其中θi∈[0,2π]表示irs1上第i个反射单元的相移，表示irs2上第j个反射单元的相移。发射端与接收端之间存在遮挡物，并没有视距信道存在，但是由于智能反射面的存在，发射端与irs1、irs1与irs2、irs2与接收端之间的信道都为视距信道，分别为h
ap
∈cm×n、h
irs
∈cn×n以及h
user
∈cn×1。发射端和接收端之间没有直传信道，但是有级联信道hb＝h
aphirshuser
，并且级联信道hb服从复高斯分布，其中cb为协方差矩阵。
[0054]
若智能反射面，发射端与智能反射面irs1、智能反射面irs1与智能反射面irs2、智能反射面irs2与接收端之间的信道状态信息已知，，在下行链路中，单天线接收端接收到发射端发来的信号为：
[0055]
y＝hhx n
ꢀꢀ
(1)
[0056]
其中，表示发射端处发射的信号，h表示智能反射面双反射结构辅助的无线通信系统的整体信道模型，h表示共轭运算，表示服从复高斯分布其中，表示复数集，0是n的均值，是n的方差，对角阵表示智能反射面irs1对发射端来波信号的操作，表示智能反射面irs2对irs1来波信号的操作，θi∈[0,2π]表示irs1上第i个反射单元的相移，表示irs2上第j个反射单元的相移，hh表示对h进行厄尔米特共轭运算，表示对h
user
进行厄尔米特共轭运算，表示对φ2进行厄尔米特共轭运算，表示对h
irs
进行厄尔米特共轭运算，表示对φ1进行厄尔米特共轭运算，表示对h
ap
进行厄尔米特共轭运算。
[0057]
图3是本发明提供的双反射结构示意图。
[0058]
s2，智能反射面irs1和智能反射面irs2成设定角度放置在发射端和接收端连接线的中轴线上，智能反射面irs1朝向发射端，智能反射面irs2朝向接收端，智能反射面irs1和irs2中轴线之间的距离为d，获得智能反射面双反射结构模型；
[0059]
s2中智能反射面双反射结构模型的构建，包括：
[0060]
将智能反射面双反射结构俯视投影于直角坐标系中，智能反射面irs1和智能反射面irs2分别位于x轴(1，0)、(-1，0)处，智能反射面irs1和智能反射面rs2的法向矢量分别为
[0061]
法向矢量与x轴负方向的夹角为ψ，与x轴正方向的夹角为θ，智能反射面irs1和智能反射面irs2以中线为轴线进行旋转，改变夹角ψ、θ∈[0,π]；
[0062]
基于智能反射面irs1和智能反射面irs2的中轴线距离为d＝kλ，获得智能反射面双反射结构模型，获得智能反射面双反射结构模型，其中，λ为信号波长，k为正整数。
[0063]
智能反射面双反射结构模型的建立，s2中，为了方便说明双反射结构的位置关系以及角度关系，将双反射结构进行了简化处理并将其俯视投影于直角坐标系中，此坐标并无实际物理含义，如图3所示。智能反射面irs1和irs2分别位于x轴(1，0)、(-1，0)处，irs1和irs2的法向矢量分别为irs2的法向矢量分别为与x轴负方向的夹角为ψ，与x轴正方向的夹角为θ，智能反射面irs1和irs2以中线为轴线进行旋转，改变夹角ψ、θ∈[0,π]。智能反射面irs1和irs2的中轴线距离为d＝kλ，获得智能反射面双反射结构模型。其中λ为信号波长，k为正整数。
[0064]
s3，根据发射端到智能反射面irs1、智能反射面irs1到智能反射面irs2、智能反射面irs2到单天线接收端链路的无线信道，构建单天线接收端的接收信噪比；
[0065]
本发明通过在保证irs1反射信号垂直入射irs2的情况下，大大降低了功率损失。
[0066]
s31，设置智能反射面irs1为镜面反射，发射端通过主动波束成形的方式360度发送信号，同时智能反射面irs1缓慢转动摆放角度，当发射端收到从智能反射面irs1反射回来的信号，视为发射端发送的信号垂直入射irs1，此时保持irs1摆放角度固定；
[0067]
通过优化智能反射面双反射结构的摆放角度以及被动波束成形，提高智能反射面辅助无线通信系统的性能。本发明采用的智能反射面其不需要复杂的接收和发射设备，具有更低的硬件成本和耗能，而且智能反射面具有全双工的波束成形特质，不会引入自干扰。
[0068]
s32，根据智能反射面irs1反射信号的来波角度，发射端处进行主动波束成形设计，使发送信号垂直入射irs1；
[0069]
其中，主动波束成形是指发端段天线进行的波束成形。
[0070]
s33，智能反射面irs1和智能反射面irs2用有线链路连接，irs1和irs2相距1m左右，并通过有线链路进行通信，交换放置位置信息及转动角度信息；
[0071]
s34，智能反射面irs1度取irs2的摆放角度后，进行被动波束成形设计，使得irs1反射的信号垂直入射到irs2上；
[0072]
其中，s34中的被动波束成形是指智能反射面无法主动发射信号只能被动反射信号。
[0073]
s35，智能反射面irs2对被动波束成形矢量以及摆放角度进行联合优化设计，在保证irs1反射信号垂直入射irs2的情况下，使接收端的信噪比尽量最大化；
[0074]
得到无线通信信道模型以及双反射结构模型后，s35是根据公式(1)，获得接收端的接收信噪比如下：
[0075][0076]
s36，微调智能反射面irs2的旋转角度以及被动波束成形矢量w2，计算接收端的信噪比，获得最大接收端的接收信噪比，完成智能反射面双反射结构及其联合被动波束成形设计方法。
[0077]
s36中获得最大接收端的接收信噪比，完成智能反射面双反射结构及其联合被动波束成形设计方法，包括：
[0078]
以最大化接收端信噪比为优化目标，基于智能反射面双反射结构的基础上，进行联合波束成形设计；
[0079]
智能反射面的旋转角度控制智能反射面的接收信号功率，基于旋转角度ψ、θ对应反射系数γ1、γ2∈[0,1]，通过和智能反射面双反射结构，获得的无线信道为：
[0080][0081]
其中，表示获得的无线信道，对优化变量γ1、γ2隐含在无线信道中，
[0082]
基于接收端的接收信噪比，当发射端功率一定时，通过调整γ1、γ2、、获得最高的接收信噪比，完成智能反射面双反射结构及其联合被动波束成形设计方法。
[0083]
6.联合波束成形的设计方法被构造成一个优化问题：
[0084][0085]
s.t.γ1、γ2∈[0,1]、θi∈[0,2π]，i＝1,
…
,n、j＝1,
…
,n，其
[0086]
中，s.t.表示受限于，优化变量γ1、γ2、θi、隐含在无线信道中。
[0087]
根据以上问题，拟采用如图3所示的求解步骤进行迭代计算。
[0088]
首先设置迭代初始次数t、收敛条件ε，然后计算目标函数以及irs1和irs2的波束成形矢量，改变irs2的旋转角度θ，计算t 1次的目标函数，并与收敛条件对比，如果目标函数的值小于收敛条件则更新迭代次数t＝t 1继续循环，否则输出irs2的旋转角度θ以及波束成形矢量w2，并结束循环。
[0089]
实施例1
[0090]
假设智能反射面irs1与发射端的距离为d1＝50m，智能反射面irs2与接收端的距离为d2＝50m，智能反射面irs1和irs2之间的距离忽略不计，因此irs1和irs2之间的路径损耗忽略不计。设置irs1的旋转角度irs2的旋转角度发射端放置在irs1的法线方向，接收端放置在irs2的法线方向。此时，irs1的波束成形矢量垂直指向irs2，irs2的波束成形矢量指向接收端，根据以上优化问题设置迭代次数初始值t＝1以及收敛条件∈＝1dbm，进入迭代后的，计算出的接收端信噪比snr＝-50.62db。在各种条件不变的情况下，将双反射结构替换为单反射结构，进入迭代后，计算出的接收端信噪比snr＝-57.33db，因此在不改变智能反射面的反射单元数量以及摆放位置的前提下，双反射结构能够实现更高的接收端信噪比。
[0091]
上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本技术的可选实施例，在此不再一一赘述。
[0092]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
[0093]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例
对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。