RIS辅助通信系统的相位调控方法、装置、电子设备及介质与流程

ris辅助通信系统的相位调控方法、装置、电子设备及介质
技术领域
1.本发明属于通信技术领域，具体涉及一种ris辅助通信系统的相位调控方法、装置、电子设备及介质。


背景技术：

2.智能反射面(reconfigurable intelligent surface,ris)是6g候选新技术之一，它是一种具有可编程电磁特性的人工电磁表面结构，通常由大量精心设计的电磁单元排列而成，可以通过对表面上的每一个电磁单元进行状态控制，从而形成幅度、相位、极化和频率等参数可控制的电磁场，进而可实现对空间电磁波的主动调控，它革命性地改变了传统通信中无线环境不可被改变的困境，已得到了广泛的推广与应用。
3.在实际应用过程中，要想通过ris改变电磁波相位，让其主动朝某个特定方向传播，实现在该方向上的用户增益，需要确定每个电磁单元的相移状态，而ris板上的单元数目往往成千上万，且在1-bit的ris辅助通信系统中，ris板上每个单元的可选相移状态是固定的(0和π两种)，在使用时不易得到最优的相移状态；目前，已有的相位调控方法主要分为以下两种：(1)半定松弛和半定规划方法，其是假设ris上的每个电磁单元的相移状态是在[0，2π]中连续的，然后计算出一个相移值，并比较该值与0和π的差值，以便通过与之相近的一个值来确定出相移状态(其中，靠近π则将相移状态选择为-1，靠近0则选择为1)；(2)穷举法，其是穷举每个单元的每种状态，通过遍历所有状态来选择最优的相移状态。
[0004]
但是，前述方法存在以下不足：半定松弛和半定规划方法无法准确得出相移状态，其计算出的值只能靠近0或π,因此，在量化为1或者-1时，会出现较大的量化误差，使得系统实现的实际信噪比增益往往达不到理论预期值；而穷举法则存在计算复杂度极高的问题，且只有当相控单元足够小时才能够使用，这就会导致ris响应时间变长，从而影响通信质量；由此，提供一种计算复杂度低、速度快以及能够准确得出相移状态的相位调控方法迫在眉睫。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是提供一种ris辅助通信系统的相位调控方法、装置、电子设备及介质，用以解决现有技术中所存在的实际信噪比增益往往达不到理论预期值的问题，以及计算复杂度高而导致ris响应时间变长的问题。
[0006]
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007]
第一方面，提供了一种ris辅助通信系统的相位调控方法，包括：
[0008]
获取ris辅助通信系统的信道信息，其中，所述信道信息包括ris辅助通信系统中信号发送端到ris反射端的信道状态信息矩阵、ris反射端到信号接收端的信道状态信息矩阵以及信号发送端到信号接收端的信道状态信息矩阵；
[0009]
根据所述信道信息，计算得到目标矩阵对应的自共轭矩阵，其中，所述目标矩阵为所述ris反射端内相控阵单元的最优相控矩阵，且所述最优相控矩阵为所述ris辅助通信系
统的接收功率最大时，所述相控阵单元对应的相控矩阵；
[0010]
构建一相位计算矩阵，并利用所述相位计算矩阵和所述自共轭矩阵，计算得到所述目标矩阵，其中，所述相位计算矩阵的行数为n 1，且n为所述相控阵单元中阵元的总个数；
[0011]
基于所述目标矩阵中的对角线元素的值，得到所述相控阵单元中各个阵元的反射系数，其中，所述目标矩阵中的对角线元素的值为1或-1，且任一阵元的反射系数也为1或-1；
[0012]
对于所述相控阵单元中的任一阵元，利用所述任一阵元的反射系数，对所述任一阵元同时进行波束调控，以在将所有阵元的波束调控完毕后，完成对ris反射端内相控阵单元的相位调控。
[0013]
基于上述公开的内容，本发明通过ris辅助通信系统中信号发送端、ris反射端和信号接收端三者的信道状态信息矩阵，来计算得出系统接收功率最大时，ris反射端内相控阵单元的相控矩阵对应的自共轭矩阵；然后，再构建出一行数为n 1的相位计算矩阵，该相位计算矩阵与自共轭矩阵作矩阵运算，可逆向计算出系统接收功率最大时，相控阵单元对应的相控矩阵(也就是最优相控矩阵，而基于最优相控矩阵可得出最优相移值)，同时，该步骤使得相控阵单元的相移值的计算被限定在n 1行(n为相控阵单元的个数)的矩阵内，因此，可大幅降低计算复杂度，从而提高系统的响应时间；接着，通过计算出的目标矩阵中的对角线元素的值，即可确定出相控阵单元中各个阵元的反射系数，且对角线元素的值为1或-1，而确定出的反射系数也为-1或1，由此，本发明相当于是将对角线元素的值作为阵元的反射系数，从而可精确计算出每个阵元的反射系数，并基于反射系数来得出相移状态，因此，本发明无需通过传统的比较差值的方法来确定相移状态，降低了量化误差；最后，则可基于各个阵元的反射系数，来进行对应阵元的相位调控，即任一阵元的反射系数为-1，则该任一阵元的相移状态则为π，反之，则为0。
[0014]
通过上述设计，本发明的计算复杂度低，对于任意单元数目的相控阵单元都能在很短的时间内得到对应的最优相控矩阵，从而可基于计算出的最优相控矩阵来快速得出各个阵元的最优相移状态，进而极大地缩短了计算时间和节省了计算资源，适用于大规模乃至超大规模的ris辅助通信系统，同时，本发明计算出的相移值精确至1和-1，因此，能够实现对1-bit ris板上每个阵元相移状态的精确量化，从而可最大化实现无线信号的信噪比和方向性增益，确保了通信系统接收功率的最大化增益，在当前和未来通信系统中拥有广阔的应用前景。
[0015]
在一个可能的设计中，根据所述信道信息，计算得到目标矩阵对应的自共轭矩阵，包括：
[0016]
根据所述信道信息，并按照如下公式(1)计算得到所述自共轭矩阵；
[0017][0018]
上述式(1)中，r为自共轭矩阵，表示ris反射端到信号接收端的信号状态信息矩阵的共轭转置矩阵，g
t
表示信号发送端到ris反射端的信道状态信息矩阵g的转置矩阵，gh表示信号发送端到ris反射端的信道状态信息矩阵g的共轭转置矩阵，表示信号发送端
到信号接收端的信道状态信息矩阵，hd表示矩阵的共轭转置矩阵，表示矩阵的对角矩阵，t表示转置运算。
[0019]
在一个可能的设计中，对于所述相位计算矩阵中的第k行，第k行的前k个元素为1，第k行除去前k个元素以外的所有元素为-1，且k＝1,2,...,m,m＝n 1；
[0020]
其中，利用所述相位计算矩阵和所述自共轭矩阵，计算得到所述目标矩阵，包括：
[0021]
对所述自共轭矩阵进行特征值分解，得到最大特征值对应的特征向量，其中，所述特征向量为列向量；
[0022]
计算所述特征向量中每个元素的相位角，并对所述特征向量中每个元素的相位角进行投影处理，得到特征向量中每个元素的投影角；
[0023]
按照从小到大的顺序，对所述特征向量中每个元素的投影角进行排序，得到投影角集合；
[0024]
为所述投影角集合中的每个投影角配置一排序索引，得到索引集合，其中，所述索引集合中排序索引的排序顺序为投影角的排序顺序，任一投影角的排序索引，为目标相位角对应元素在所述特征向量中所处的行数，且所述目标相位角为所述任一投影角对应的相位角；
[0025]
利用所述索引集合，对所述相位计算矩阵进行矩阵变换，得到包含有所述目标矩阵内对角线元素的阵元反射系数矩阵；
[0026]
基于所述信道信息和所述阵元反射系数矩阵，计算得到所述目标矩阵。
[0027]
基于上述公开的内容，本发明公开了相控阵单元的最优相控矩阵(即目标矩阵)的具体计算过程，即先对自共轭矩阵进行特征分解，并求取该最大特征值对应特征向量内各个元素的相位角；然后，将各个元素的相位角进行投影处理，得到各个相位角的投影角，并按照从小到大的顺序对各个投影角进行排序，同时，对于任一投影角，将任一投影角关联的相位角对应的元素所处的行数，作为该任一投影角的排序索引，如此，即可利用所有投影角的排序索引组成一索引集合(如存在3个投影角，排序分别为a1，a2和a3，a1关联相位角对应元素为第3行，a2为第1行，而a3则为第2行，那么索引集合则为{3，1，2})；接着，利用索引集合对相位计算矩阵进行矩阵变换，即可得到包含有目标矩阵内对角线元素的阵元反射系数矩阵，最后，利用信道信息和阵元反射系数矩阵，即可逆运算出目标矩阵。
[0028]
在一个可能的设计中，对所述特征向量中每个元素的相位角进行投影处理，得到特征向量中每个元素的投影角，包括：
[0029]
对于所述特征向量中任一元素的相位角，判断所述任一元素的相位角是否处于第一阈值区间内，其中，所述第一阈值区间为
[0030]
若是，则将所述任一元素的相位角，作为所述任一元素的投影角，否则，则判断所述任一元素的相位角是否在第二阈值区域间内，其中，所述第二阈值区间为
[0031]
若是，则计算π与任一元素的相位角之间的差值，得到角度差，并取角度差的负值，以作为所述任一元素的投影角。
[0032]
在一个可能的设计中，利用所述索引集合，对所述相位计算矩阵进行矩阵变换，得
到包含有所述目标矩阵内对角线元素的阵元反射系数矩阵，包括：
[0033]
对于所述相位计算矩阵中的第m行，将所述索引集合中的第m个排序索引，作为变换序号；
[0034]
将所述第m行内的第s个元素，与第m行内的第一个元素进行位置互换，以在位置互换后，完成第m行的位置变换，其中，s为所述变换序号；
[0035]
当m从1轮询至l时，得到位置变换后的相位计算矩阵，其中，l为所述相位计算矩阵的总行数，且m为正整数；
[0036]
从所述索引集合中，确定出符合预设条件的排序索引，以将符合预设条件的排序索引作为目标序号，其中，所述预设条件为排序索引关联的投影角所对应的相位角处于第二阈值区间内；
[0037]
对于所述位置变换后的相位计算矩阵中的每一行，将每一行中目标序号对应元素的值进行取反，以在取反完毕后，得到所述阵元反射系数矩阵。
[0038]
在一个可能的设计中，基于所述信道信息和所述阵元反射系数矩阵，计算得到所述目标矩阵，包括：
[0039]
对所述阵元反射系数矩阵进行转置运算，得到阵元反射系数转置矩阵，并提取出所述阵元反射系数转置矩阵中的每一列元素，以得到多个待选列向量；
[0040]
对于多个待选列向量中的第t个待选列向量，基于目标向量、所述第t个待选列向量以及所述自共轭矩阵，计算得到一矩阵值，其中，所述目标向量为第t个待选列向量的转置向量；
[0041]
当t从1轮询至p时，得到p个矩阵值，其中，p为待选列向量的总个数；
[0042]
将p个矩阵值中最大矩阵值对应的待选列向量作为相控矩阵计算向量；
[0043]
对所述相控矩阵计算向量进行归一化处理，得到最终目标向量；
[0044]
对所述最终目标向量进行对角化处理，得到所述目标矩阵。
[0045]
基于上述公开的内容，本发明公开了依据信道信息和阵元反射系数矩阵来计算目标矩阵的具体过程，即将阵元反射系数矩阵对应转置矩阵中的每一列均作为一待选列向量，而对于任一待选列向量，先计算该任一待选列向量的转置向量，然后再将转置向量、该任一待选列向量以及自共轭矩阵做向量运算，得到一矩阵值；如此，采用前述方法，即可得到多个矩阵值；接着，取矩阵值最大的待选列向量，作为相控矩阵计算向量(值最大，说明增益越高)；最后，对相控矩阵计算向量进行归一化处理，并对归一化的后的向量进行对角化，即可得到目标矩阵。
[0046]
在一个可能的设计中，对所述相控矩阵计算向量进行归一化处理，得到最终目标向量，包括：
[0047]
计算所述相控矩阵计算向量中的每一个元素与目标元素的商，以在计算完毕后，得到归一化向量，其中，所述目标元素为所述相控矩阵计算向量中的最后一个元素；
[0048]
取所述归一化向量中的前n个元素，组成所述最终目标向量。
[0049]
第二方面，提供了一种ris辅助通信系统的相位调控装置，包括：
[0050]
信道获取单元，用于获取ris辅助通信系统的信道信息，其中，所述信道信息包括ris辅助通信系统中信号发送端到ris反射端的信道状态信息矩阵、ris反射端到信号接收端的信道状态信息矩阵以及信号发送端到信号接收端的信道状态信息矩阵；
[0051]
自共轭矩阵计算单元，用于根据所述信道信息，计算得到目标矩阵对应的自共轭矩阵，其中，所述目标矩阵为所述ris反射端内相控阵单元的最优相控矩阵，且所述最优相控矩阵为所述ris辅助通信系统的接收功率最大时，所述相控阵单元对应的相控矩阵；
[0052]
全局最优相控矩阵计算单元，用于构建一相位计算矩阵，并利用所述相位计算矩阵和所述自共轭矩阵，计算得到所述目标矩阵，其中，所述相位计算矩阵的行数为n 1，且n为所述相控阵单元中阵元的总个数；
[0053]
阵元反射系数确定单元，用于基于所述目标矩阵中的对角线元素的值，得到所述相控阵单元中各个阵元的反射系数，其中，所述目标矩阵中的对角线元素的值为1或-1，且任一阵元的反射系数也为1或-1；
[0054]
相位调整单元，用于对于所述相控阵单元中的任一阵元，利用所述任一阵元的反射系数，对所述任一阵元同时进行波束调控，以在将所有阵元的波束调控完毕后，完成对ris反射端内相控阵单元的相位调控。
[0055]
第三方面，提供了另一种ris辅助通信系统的相位调控装置，以装置为电子设备为例，包括依次通信相连的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如第一方面或第一方面中任意一种可能设计的所述ris辅助通信系统的相位调控方法。
[0056]
第四方面，提供了一种存储介质，存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面或第一方面中任意一种可能设计的所述ris辅助通信系统的相位调控方法。
[0057]
第五方面，提供了一种包含指令的计算机程序产品，当指令在计算机上运行时，使计算机执行如第一方面或第一方面中任意一种可能设计的所述ris辅助通信系统的相位调控方法。
[0058]
有益效果：
[0059]
(1)本发明的计算复杂度低，对于任意单元数目的相控阵单元都能在很短的时间内得到对应的最优相控矩阵，从而可基于计算出的最优相控矩阵来快速得出各个阵元的最优相移状态，进而极大地缩短了计算时间和节省了计算资源，适用于大规模乃至超大规模的ris辅助通信系统，同时，本发明计算出的相移值精确至1和-1，因此，能够实现对1-bit ris板上每个阵元相移状态的精确量化，从而可最大化实现无线信号的信噪比和方向性增益，确保了通信系统接收功率的最大化增益，在当前和未来通信系统中拥有广阔的应用前景。
附图说明
[0060]
图1为本发明实施例提供的ris辅助通信系统的相位调控方法的步骤流程示意图；
[0061]
图2为本发明实施例提供的ris辅助通信系统的相位调控方法的一种通信场景效果图；
[0062]
图3为本发明实施例提供的ris辅助通信系统的相位调控方法的另一种通信场景效果图；
[0063]
图4为本发明实施例提供的利用本实施例方法实现穷举搜索性能指标的示意图；
[0064]
图5为本发明实施例提供的当相控阵单元的阵元数目为50时，本实施例所提供的
方法与传统方法之间的性能优势对比图；
[0065]
图6为本发明实施例提供的当相控阵单元的阵元数目为50-300时，本实施例所提供的方法与传统方法之间的性能优势对比图；
[0066]
图7为本发明实施例提供的ris辅助通信系统的相位调控装置的结构示意图；
[0067]
图8为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0068]
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，下面将结合附图和实施例或现有技术的描述对本发明作简单地介绍，显而易见地，下面关于附图结构的描述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他的附图。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
[0069]
应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
[0070]
应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，单独存在b，同时存在a和b三种情况；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，a/和b，可以表示：单独存在a，单独存在a和b两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
[0071]
实施例：
[0072]
参见图1所示，本实施例所提供的ris辅助通信系统的相位调控方法，通过构建元素值为1或-1的相位计算矩阵(该矩阵的行数为n 1，n为ris反射端内相控阵单元中阵元的个数)，来与基于系统信道信息计算出的自共轭矩阵进行矩阵运算，从而得出前述相控阵单元的最优相控矩阵，由此，可将各个阵元的相移状态量化为-1或1，从而实现相移状态的精确量化，同时，将最优相控矩阵的运算限制在n 1行的矩阵内，可以大幅降低计算复杂度，从而极大地节省计算时间和计算资源，以及提高系统响应速度；通过前述设计，本方法适用各种ris通信场景，在当前和未来通信系统中拥有广阔的应用前景；在本实施例中，举例该方法可以但不限于在ris反射端侧运行，可以理解的，前述执行主体并不构成对本技术实施例的限定，相应的，本方法的运行步骤可以但不限于如下述步骤s1～s5所示。
[0073]
s1.获取ris辅助通信系统的信道信息，其中，所述信道信息包括ris辅助通信系统中信号发送端到ris反射端的信道状态信息矩阵、ris反射端到信号接收端的信道状态信息矩阵以及信号发送端到信号接收端的信道状态信息矩阵；具体应用时，参见图2所示，图2公开了ris辅助通信系统的通信场景图，其中，图2中的表示ris反射端到信号接收端的信号状态信息矩阵，g表示信号发送端到ris反射端的信道状态信息矩阵，表示信号发送端到信号接收端的直射链路的信道状态信息矩阵；另外，在本实施例中，图3为图2中的一种特殊通信场景，即直射链路被阻挡，也就是当然，图3所示的通信场景，也可使用本实施
例所提出的方法来进行相位调控，其与图2所示的通信场景下相位调控原理相同，下述以图2所示场景为例，来具体阐述相控调控方法。
[0074]
在本实施例，相位调控最优，则是要使整个系统的接收功率最大，而接收功率可量化为如下表达式：
[0075]
该式中，p为接收功率，w(θ)则表示ris反射端内的相控矩阵，因此，要使接收功率最大，那么，则需要相控矩阵达到最优，由此，本实施例所提供的方法，则是要计算出ris反射端内相控阵单元的最优相控矩阵，以便根据最优相控矩阵，来完成相控阵单元的相位调控，从而使系统的接收功率达到最大。
[0076]
因此，本实施例则可将最优相控矩阵的计算问题，转化为前述接收功率表达式的全局最优解的求解问题；具体应用时其中n是ris反射端内相控阵单元中阵元的总个数，n＝1,2,...,n，其是相控阵单元中第n个阵元作用于入射信号的反射系数，an是第n个阵元是相位角，取0或者π，diag表示把向量对角化，i为复数单位；由此，即可将w(θ)的求解问题转换为列向量w的求解问题，其中，为复数单位；由此，即可将w(θ)的求解问题转换为列向量w的求解问题，其中，在本实施例中，对列向量w进行求解，可将前述接收功率表达式转换为二次型求解形式，即：
[0077][0078]
上述式(2)中，r是半正定的hermit(自共轭)矩阵，为包含前述列向量w的最优列向量，t表示转置运算，由此，经过前述阐述，即可将本发明中的最优相控阵矩阵求解问题，转换为计算自共轭矩阵和包含列向量w的最优列向量的过程，而计算出包含列向量w的最优列向量后，即可基于计算出的最优列向量，来逆运算出最优相控阵矩阵；在本实施例中，自共轭矩阵以及最优列向量的计算过程如下述步骤s2和s3所示。
[0079]
s2.根据所述信道信息，计算得到目标矩阵对应的自共轭矩阵，其中，所述目标矩阵为所述ris反射端内相控阵单元的最优相控矩阵，且所述最优相控矩阵为所述ris辅助通信系统的接收功率最大时，所述相控阵单元对应的相控矩阵；具体应用时，可以但不限于采用如下公式(1)来计算得到自共轭矩阵。
[0080][0081]
上述式(1)中，r为自共轭矩阵，表示ris反射端到信号接收端的信号状态信息矩阵的共轭转置矩阵，g
t
表示信号发送端到ris反射端的信道状态信息矩阵g的转置矩阵，gh表示信号发送端到ris反射端的信道状态信息矩阵g的共轭转置矩阵，表示信号发送端到信号接收端的信道状态信息矩阵，hd表示矩阵的共轭转置矩阵，表示矩阵的对角矩阵，t表示转置运算。
[0082]
依据前述信号发送端到ris反射端的信道状态信息矩阵、ris反射端到信号接收端的信道状态信息矩阵以及信号发送端到信号接收端的信道状态信息矩阵，并基于前述公式(1)计算得到与最优相控矩阵对应的自共轭矩阵后，即可构建一相位计算矩阵，并结合自共轭矩阵，来计算得到前述最优列向量，以便基于最优列向量，来逆推得到最优相控矩阵，其
中，最优相控矩阵(即目标矩阵)的计算过程如下述步骤s3所示。
[0083]
s3.构建一相位计算矩阵，并利用所述相位计算矩阵和所述自共轭矩阵，计算得到所述目标矩阵，其中，所述相位计算矩阵的行数为n 1，且n为所述相控阵单元中阵元的总个数；具体应用时，对于所述相位计算矩阵中的第k行，第k行的前k个元素为1，第k行除去前k个元素以外的所有元素为-1，且k＝1,2,...,m,m＝n 1，即m为相位计算矩阵的总行数，如，对于相位计算矩阵中的第一行，前一个元素为1，剩余的元素为-1，对于第二行，前2个元素为1，第二行剩余的元素为-1，对于第三行，前三个元素为1，第三行剩余的元素为-1，以此类推，即可构建出行数为n 1行的相位计算矩阵。
[0084]
在本实施例中，举例是先对相位计算矩阵进行特征分解，得到最大特征值对应的特征向量，然后，再求取特征向量中每个元素的相位角，并对每个相位角进行投影处理，得到每个元素的投影角，接着，对于任一投影角，将任一投影角关联的相位角对应的元素所处的行数，作为该任一投影角的排序索引，如此，即可利用所有投影角的排序索引组成一索引集合；最后，利用索引集合对相位计算矩阵进行矩阵变换，即可得到包含有目标矩阵内对角线元素的阵元反射系数矩阵，而利用信道信息和该阵元反射系数矩阵，则可逆运算出目标矩阵，其中，前述处理过程可以但不限于如下述步骤s31～s36所示。
[0085]
s31.对所述自共轭矩阵进行特征值分解，得到最大特征值对应的特征向量，其中，所述特征向量为列向量；下述以一个实例来阐述步骤s31，其中：
[0086]
假设ris反射端内相控阵单元中阵元总个数为4，其中，
[0087][0088]
上述式中，i为复数单位。
[0089]
那么，按照前述式(1)计算得到的自共轭矩阵为：
[0090][0091]
此时，对自共轭矩阵r进行特征值分解，得到的最大特征值对应的特征向量z为：
[0092][0093]
由此经过前述阐述，即可得到自共轭矩阵最大特征值对应的特征向量，而后，即可求解特征向量中每个元素的相位角，并基于相位角的投影角的排序索引，来实现对相位计算矩阵的矩阵变换，从而得到包含有目标矩阵对角线元素的阵元反射系数矩阵；最后，即可
基于阵元反射系数矩阵，来计算出最优列向量，以便基于计算出的最优列向量来计算得到目标矩阵。
[0094]
在本实施例中，求取特征向量中每个元素的相位角的缘由是：在1-bit的ris辅助通信系统中，前述最优列向量中每个元素的取值为1或-1，因此，前述求取最优列向量的问题就可以转换为形式，在该形式下，即可引入一辅助变量，从而将复数域的优化问题转换为实数域的优化问题，即实数域下最优列向量的求解形式则变为：同时，根据欧拉公式，前式可变换为：
[0095]
其中，θn是特征向量中第n个元素的相位角，且n＝1，2，...，n 1；由此，即可基于特征向量中每个元素的相位角，来计算出前述最优列向量，而计算过程可以但不限于如下述步骤s32～s36所示。
[0096]
s32.计算所述特征向量中每个元素的相位角，并对所述特征向量中每个元素的相位角进行投影处理，得到特征向量中每个元素的投影角；具体应用时，由于每个相位角的投影处理过程相同，下述以任一相位角为例，来具体阐述前述步骤s32，其中，投影处理过程可以但不限于如下述步骤s32a～s32c所示。
[0097]
s32a.对于所述特征向量中任一元素的相位角，判断所述任一元素的相位角是否处于第一阈值区间内，其中，所述第一阈值区间为
[0098]
s32b.若是，则将所述任一元素的相位角，作为所述任一元素的投影角，否则，则判断所述任一元素的相位角是否在第二阈值区域间内，其中，所述第二阈值区间为
[0099]
s32c.若是，则计算π与任一元素的相位角之间的差值，得到角度差，并取角度差的负值，以作为所述任一元素的投影角；下述在前述举例的基础上进行进一步的阐述：
[0100]
假设前述特征向量z中每个元素(一行则为一个元素)的相位角依次为θ1＝3.3961,θ2＝-0.7423，θ3＝2.8683，θ4＝3.7657，θ5＝0，那么，根据前述步骤s32a～s32c可知，θ2和θ5处于第一阈值区间内，那么第二个元素和第五个元素的投影角就为-0.7423和0，而剩余的三个相位角均处于第二阈值区间内，那么则计算其与π(取3.1415926)的差值，并取负值，即可得到剩余三个相位角的投影角，如对于θ1，则先使用π-3.3961＝-0.2545，然后取负值，即θ1的投影角为0.2545，同样，以前述方法即可计算出θ3和θ4的投影角(分别为-0.2733,0.6241)；当然，不同大小的相位角的投影处理过程与前述举例一致，于此不再赘述。
[0101]
在得到特征向量中每个元素的投影角后，则可将5个投影角按照从小到大的顺序进行排序，以便后续为排序后的投影角配置排序索引，如下述步骤s33和步骤s34所示。
[0102]
s33.按照从小到大的顺序，对所述特征向量中每个元素的投影角进行排序，得到投影角集合。
[0103]
s34.为所述投影角集合中的每个投影角配置一排序索引，得到索引集合，其中，所
述索引集合中排序索引的排序顺序为投影角的排序顺序，任一投影角的排序索引，为目标相位角对应元素在所述特征向量中所处的行数，且所述目标相位角为所述任一投影角对应的相位角；具体应用时，还是在前述举例的基础上进行详细阐述，前述θ1～θ5的投影角集合为[-0.7423,-0.2733,0,0.2545,0.6241]，其中，-0.7423为θ2的对应的投影角，而θ2的元素处于特征向量的第2行，那么-0.7423这一投影角对应的排序索引则为2，同理，-0.2733对应的投影角为θ3，其中，θ3对应的元素处于特征向量的第3行，那么-0.2733这一投影角对应的排序索引则为3，以此原理，即可得出投影角0对应的排序索引为5，投影角0.2545对应的排序索引为1，投影角0.6241对应的排序索引则为4，那么索引集合则为[2,3,5,1,4]；由此，按照前述公开的方法，则可为每个投影角关联一排序索引，从而得到索引集合。
[0104]
在利用每个投影角对应的排序索引，组成索引集合后，则可利用索引集合来对相位计算矩阵进行矩阵变换，以便得到包含有目标矩阵内对角线元素的阵元反射系数矩阵，从而基于阵元反射系数矩阵来得到最优列向量，其中，矩阵变换过程如下述步骤s35所示。
[0105]
s35.利用所述索引集合，对所述相位计算矩阵进行矩阵变换，得到包含有所述目标矩阵内对角线元素的阵元反射系数矩阵；具体应用时，相位计算矩阵会进行两次变换，第一次变换为：针对相位计算矩阵中的每一行，根据每一行的序号，来从索引集合中确定出每一行要变换位置的元素，然后将确定出的元素与该行第一个元素进行位置变换，变换完成后，则可进行第二次变换；而第二次变换为：对于经过第一次变换后的矩阵，基于索引集合，确定出其每一行中要进行取反的元素的位置，然后将确定出的元素进行取反，即可得到包含阵元反射系数矩阵；其中，前述变换过程可以但不限于如下述步骤s35a～s35e所示。
[0106]
s35a.对于所述相位计算矩阵中的第m行，将所述索引集合中的第m个排序索引，作为变换序号。
[0107]
s35b.将所述第m行内的第s个元素，与第m行内的第一个元素进行位置互换，以在位置互换后，完成第m行的位置变换，其中，s为所述变换序号。
[0108]
s35c.当m从1轮询至l时，得到位置变换后的相位计算矩阵，其中，l为所述相位计算矩阵的总行数，且m为正整数。
[0109]
s35d.从所述索引集合中，确定出符合预设条件的排序索引，以将符合预设条件的排序索引作为目标序号，其中，所述预设条件为排序索引关联的投影角所对应的相位角处于第二阈值区间内。
[0110]
s35e.对于所述位置变换后的相位计算矩阵中的每一行，将每一行中目标序号对应元素的值进行取反，以在取反完毕后，得到所述阵元反射系数矩阵。
[0111]
下述还是在前述举例的基础上，进行矩阵变换的详细阐述：
[0112]
由于阵元总个数为4，那么相位计算矩阵的总行数为1，因此，相位计算矩阵为
[0113][0114]
那么，根据步骤s35a～s35b可知，对于相位计算矩阵中的第一行，那么则将索引集
合中的第一个排序索引，作为变换序号，即第一行的变换序号为2，也就是将相位计算矩阵内第一行的第二个元素与第一个元素进行位置互换，对于第二行，则是将索引集合中的第二个排序索引，作为第二行的变换序号，因此，将第二行的第三个元素与第一个元素进行位置互换；同理，对于第三行，则是将第五个元素与第一个元素进行位置互换；对于第四行，是将第一个元素与第一个元素进行互换，而对于第五行，则是将第四个元素与第一个元素进行位置互换；由此，经过前述位置互换后，得到的位置变换后的相位计算矩阵如下所示：
[0115][0116]
接着，根据步骤s35d和步骤s35e可知，索引集合中，关联的投影角所对应的相位角处于第二阈值区间内的索引排序分别为：第1、3和4，那么则将前述矩阵中每行的第1、第3和第4个元素进行取反(即-1变为1,1变为-1)，取反完毕后，即可得到阵元反射系数矩阵，当然，其余不同行数的目标计算矩阵的矩阵变换过程与前述举例相同，于此不再赘述。
[0117]
在得到阵元反射系数矩阵后，即可基于阵元反射系数矩阵和信道信息，来计算得到目标矩阵，如下述步骤s36所示。
[0118]
s36.基于所述信道信息和所述阵元反射系数矩阵，计算得到所述目标矩阵；具体应用时，是先根据阵元反射系数矩阵来计算出前述最优列向量，然后基于最优列向量，来反推得到目标矩阵，其中，计算过程如下述步骤s36a～s36f所示。
[0119]
s36a.对所述阵元反射系数矩阵进行转置运算，得到阵元反射系数转置矩阵，并提取出所述阵元反射系数转置矩阵中的每一列元素，以得到多个待选列向量；具体实施时，相当于将阵元反射系数矩阵对应转置矩阵中的每一列，作为一待选列向量，其中，每一个待选列向量则作为预选最优列向量，而本实施例则是要从前述多个待选列向量中，选择出一个作为最优列向量，其中，选择的方法是，依据前述式(2)，来计算每个待选列向量对应的接收功率，而使接收功率最大的待选列向量，则为最优列向量，可选的，最优列向量的确定过程如下述步骤s36b～s36d所示。
[0120]
s436b.对于多个待选列向量中的第t个待选列向量，基于目标向量、所述第t个待选列向量以及所述自共轭矩阵，计算得到一矩阵值，其中，所述目标向量为第t个待选列向量的转置向量。
[0121]
s36c.当t从1轮询至p时，得到p个矩阵值，其中，p为待选列向量的总个数；具体实施时，则是使用前述这一公式(即将p个待选列向量依次作为带入公式进行计算，也就是行向量
×
矩阵
×
列向量，最终得到一常数值)，得到一常数值，从而将该常数值，作为矩阵值；因此，将所有待选列向量均计算完毕后，即可得到p个矩阵值，而后，即可在p个矩阵值中选择最大矩阵值对应的待选列向量，作为最优列向量，也就是下述的相控矩阵计算向量。
[0122]
s36d.将p个矩阵值中最大矩阵值对应的待选列向量作为相控矩阵计算向量；在得到最优列向量后，即可基于最优列向量，来反推得到目标矩阵，如下述步骤s36e和步骤s36f
所示。
[0123]
s36e.对所述相控矩阵计算向量进行归一化处理，得到最终目标向量；在本实施例中，进行归一化处理，可以但不限于先计算所述相控矩阵计算向量中的每一个元素与目标元素的商，以在计算完毕后，得到归一化向量，其中，所述目标元素为所述相控矩阵计算向量中的最后一个元素；而后，即可取所述归一化向量中的前n个元素，组成所述最终目标向量。
[0124]
还是在前述举例的基础上进行阐述，其中，阵元反射系数矩阵u
temp
：
[0125][0126]
而对阵元反射系数矩阵进行转置运算，得到的阵元反射系数转置矩阵u为：
[0127][0128]
本例中，阵元反射系数转置矩阵的第5列元素组成的待选列向量，其对应的矩阵值最大，那么，最优列向量(即相控矩阵计算向量)则为：
[0129][0130]
在得到最优列向量后，其进行归一化的过程为：使用每个元素除以最后一个元素，由于最后一个元素为1，相当于每个元素的值不变，那么得到的归一化向量与最优列向量相同，最后，取归一化向量的前n(由于阵元总个数为4，那么n＝4)个元素，则可作为最终目标向量w，如下所示：
[0131][0132]
当然，在本实施例中，不同元素的待选列向量的归一化原理与前述举例原理一致，于此不再赘述。
[0133]
在得到最终目标向量后，将其对角化处理，即可得到目标矩阵(也就是最优相控矩阵)，如下述步骤s36f所示。
[0134]
s36f.对所述最终目标向量进行对角化处理，得到所述目标矩阵；具体应用过程中，即w(θ)＝diag(w)，即目标矩阵w(θ)为：
[0135][0136]
在得到目标矩阵后，即可基于目标矩阵中对角线元素的值，来得到相控阵单元中各个阵元的反射系数，如下述步骤s4所示。
[0137]
s4.基于所述目标矩阵中的对角线元素的值，得到所述相控阵单元中各个阵元的反射系数，其中，所述目标矩阵中的对角线元素的值为1或-1，且任一阵元的反射系数也为1或-1；具体应用时，任一对角线元素的所在行数，作为阵元的序号，且该任一对角线所在元素的值，则为该任一阵元所在行数对应阵元的反射系数，即若任一对角线元素处于第一行，那么该任一对角线元素的值，则为第一个阵元的反射系数，以前述目标矩阵为例，则第一个阵元的反射系数为-1，第二个阵元的反射系数为1，第三个阵元的反射系数为-1，第四个阵元的反射系数为-1；通过前述阐述，本实施例则可精确得出每个阵元的反射系数，从而基于反射系数得出每个阵元的相移状态，而无需使用传统的差值比较来确定其相移状态，由此，本实施例则可精确量化每个阵元的相移状态，从而提高信号增益。
[0138]
在得到每个阵元的反射系数后，即可进行相移状态的调控，如下述步骤s5所示。
[0139]
s5.对于所述相控阵单元中的任一阵元，利用所述任一阵元的反射系数，对所述任一阵元同时进行波束调控，以在将所有阵元的波束调控完毕后，完成对ris反射端内相控阵单元的相位调控；具体应用时，则是将反射系数为1的阵元，其相移状态调整为0，反之，为-1的则调整为π，反应在阵元的控制上，即可根据反射系数的值，来导通或断开阵元上的二极管(如1表示导通，-1表示断开)，从而完成其相移状态的调整，以实现整个相控阵单元的相位调整；参见图4所示，从图4可知，使用本实施例所提供的方法(proposed method表示本实施例所提供的方法，eexhaustive search表示穷举法)，依旧能够达到穷举法所实现的信号增益，因此，本实施例所提供的方法，则可在大幅降低计算复杂度的同时，保证系统的信号增益；同时，参见图5和图6所示，图5和图6给出了使用本方法进行相位调控所达到的信号增益，与传统方法所达到的信号增益之间的对比图，其中，proposed method表示本实施例所提供的方法，eexhaustive search表示穷举法，apx表示近似相位调控法，manopt表示流行优化法，sdr表示半定松弛法，因此，从图5和图6可看出，本方法在阵元个数少或多时，其进行相位调控所达到的信号增益，均要高于传统的方法，因此，可证明本发明能实现无线信号的最大信噪比和方向性增益。
[0140]
由此通过前述步骤s1～s5所详细描述的ris辅助通信系统的相位调控方法，本发明的计算复杂度低，对于任意单元数目的相控阵单元都能在很短的时间内得到对应的最优相控矩阵，从而可基于计算出的最优相控矩阵来快速得出各个阵元的最优相移状态，进而极大地缩短了计算时间和节省了计算资源，适用于大规模乃至超大规模的ris辅助通信系统，同时，本发明计算出的相移值精确至1和-1，因此，能够实现对1-bit ris板上每个阵元相移状态的精确量化，从而实现了无线信号的最大信噪比和方向性增益，确保了通信系统接收功率的最大化增益，在当前和未来通信系统中拥有广阔的应用前景。
[0141]
如图7所示，本实施例第二方面提供了一种实现实施例第一方面中所述的ris辅助通信系统的相位调控方法的硬件装置，包括：
[0142]
信道获取单元，用于获取ris辅助通信系统的信道信息，其中，所述信道信息包括ris辅助通信系统中信号发送端到ris反射端的信道状态信息矩阵、ris反射端到信号接收端的信道状态信息矩阵以及信号发送端到信号接收端的信道状态信息矩阵。
[0143]
自共轭矩阵计算单元，用于根据所述信道信息，计算得到目标矩阵对应的自共轭矩阵，其中，所述目标矩阵为所述ris反射端内相控阵单元的最优相控矩阵，且所述最优相控矩阵为所述ris辅助通信系统的接收功率最大时，所述相控阵单元对应的相控矩阵。
[0144]
全局最优相控矩阵计算单元，用于构建一相位计算矩阵，并利用所述相位计算矩阵和所述自共轭矩阵，计算得到所述目标矩阵，其中，所述相位计算矩阵的行数为n 1，且n为所述相控阵单元中阵元的总个数。
[0145]
阵元反射系数确定单元，用于基于所述目标矩阵中的对角线元素的值，得到所述相控阵单元中各个阵元的反射系数，其中，所述目标矩阵中的对角线元素的值为1或-1，且任一阵元的反射系数也为1或-1。
[0146]
相位调整单元，用于对于所述相控阵单元中的任一阵元，利用所述任一阵元的反射系数，对所述任一阵元同时进行波束调控，以在将所有阵元的波束调控完毕后，完成对ris反射端内相控阵单元的相位调控。
[0147]
本实施例提供的装置的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见实施例第一方面，于此不再赘述。
[0148]
如图8所示，本实施例第三方面提供了另一种ris辅助通信系统的相位调控装置，以装置为电子设备为例，包括：依次通信相连的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如实施例第一方面所述的ris辅助通信系统的相位调控方法。
[0149]
具体举例的，所述存储器可以但不限于包括随机存取存储器(random access memory，ram)、只读存储器(read only memory，rom)、闪存(flash memory)、先进先出存储器(first input first output，fifo)和/或先进后出存储器(first in last out，filo)等等；具体地，处理器可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器等。处理器可以采用dsp(digital signal processing，数字信号处理)、fpga(field－programmable gate array，现场可编程门阵列)、pla(programmable logic array，可编程逻辑阵列)中的至少一种硬件形式来实现，同时，处理器也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称cpu(central processing unit，中央处理器)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。
[0150]
在一些实施例中，处理器可以在集成有gpu(graphics processing unit，图像处理器)，gpu用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制，例如，所述处理器可以不限于采用型号为stm32f105系列的微处理器、精简指令集计算机(reduced instruction set computer,risc)微处理器、x86等架构处理器或集成嵌入式神经网络处理器(neural-network processing units，npu)的处理器；所述收发器可以但不限于为无线保真(wifi)无线收发器、蓝牙无线收发器、通用分组无线服务技术(general packet radio service，gprs)无线收发器、紫蜂协议(基于ieee802.15.4标准的低功耗局域网协议，zigbee)无线收
发器、3g收发器、4g收发器和/或5g收发器等。此外，所述装置还可以但不限于包括有电源模块、显示屏和其它必要的部件。
[0151]
本实施例提供的电子设备的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见实施例第一方面，于此不再赘述。
[0152]
本实施例第四方面提供了一种存储包含有实施例第一方面所述的ris辅助通信系统的相位调控方法的指令的存储介质，即所述存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面所述的ris辅助通信系统的相位调控方法。
[0153]
其中，所述存储介质是指存储数据的载体，可以但不限于包括软盘、光盘、硬盘、闪存、优盘和/或记忆棒(memory stick)等，所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。
[0154]
本实施例提供的存储介质的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见实施例第一方面，于此不再赘述。
[0155]
本实施例第五方面提供了一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行如实施例第一方面所述的ris辅助通信系统的相位调控方法，其中，所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。
[0156]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。