CN111050277B - 一种irs辅助的无线通信***的优化方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种IRS辅助的无线通信***的优化方法及装置，包括：在IRS的预设位置处选取第一预设数量的反射单元集合RUS；确定第一预设数量的RUS中各个RUS对应的信道时延，基于各个RUS对应的信道时延估计无线AP与UE之间经过各RUS的反射路径长度距离，基于各RUS对应的反射路径长度采用三角定位法确定UE的初始估计位置；在IRS上重新选取以距离UE的初始估计位置最近和最远的RUS为参考的第二预设数量的RUS，并重新估计UE的位置，得到优化后的UE估计位置；距离UE的初始估计位置最近和最远的RUS对应的信道差异最大，使得优化后的UE估计位置精度更高；基于优化后的UE位置通信。本发明可以精确估计UE的位置，优化AP与UE之间的通信。

Description

一种IRS辅助的无线通信***的优化方法及装置
技术领域
本发明涉及5G无线通信技术领域，更具体地，涉及一种IRS辅助的无线通信***的优化方法及装置。
背景技术
在5G无线通信领域，由于高频信号的传输(如毫米波或太赫兹波)容易受障碍物阻挡，导致无线通信效果不佳。为了解决这个问题，有一种思路：通过一种特殊制造的低成本、无源的、可反射的、可重构的智能表面(Metasurface/LIS/Large Intelligent Surface/Reconfigurable reflectarrays/Intelligent walls/Software-controlledmetasurfaces/Intelligent Reflecting Surface/IRS，下文均用IRS表述)，特别是当无线接入点AP(Acess Point)与用户设备UE(User Equipement)不能直接通信时，可以通过AP-IRS-UE信道进行通信，如图1所示。
其中IRS部分如图2所示。图2所示的矩形均匀分布的结构只是IRS的一种常见结构，IRS的结构、反射单元的分布和个数、单元间距等参数可以自定义。根据AP，IRS和UE的位置信息，通过计算得到合适的反射系数矩阵θ，IRS通过控制器设定反射单元的反射系数矩阵，使得AP发出的信号经过IRS的反射，可以被UE接收到，从而实现了AP与UE间的通信。
具体地，得到UE的位置是实现AP-IRS-UE通信的前提。一种方法是在IRS上预设若干个固定的反射单元集合RUS(Reflecting Unit Set)，激活预设RUS内的子单元，对UE的位置进行估计计算。得到UE的估计位置后，计算得到反射单元的反射系数矩阵。再激活所有反射子单元，实现AP-IRS-UE的通信。现有技术中，RUS的位置、大小以及个数是固定的，不能自适应变化。当UE的位置不断变化时，RUS对UE的位置估计误差较大，导致反射系数矩阵不是最适合矩阵，AP与UE间通信效果不够理想。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术中当UE的位置不断变化时，RUS对UE的位置估计误差较大，导致反射系数矩阵不是最适合矩阵，AP与UE间通信效果不够理想的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种IRS辅助的无线通信***的优化方法，所述IRS用于实现无线接入点AP与用户设备UE之间的反射信道，实现无线AP和UE的有效通信，包括以下步骤：
在IRS的预设位置处选取第一预设数量的反射单元集合RUS；每个反射单元集合包括M个反射单元，所述IRS包括N个反射单元，各个反射单元集合被激活后可以反射射向其的电磁信号；1≤M<N，M和N均为整数；
确定所述第一预设数量的RUS中各个RUS对应的信道时延，基于各个RUS对应的信道时延估计无线AP与UE之间经过各RUS的反射路径长度，基于各RUS对应的反射路径长度采用三角定位法确定UE的初始估计位置；
在IRS上重新选取以距离所述UE的初始估计位置最近和最远的RUS为参考的第二预设数量的RUS，并基于所述第二预设数量的RUS重新估计UE的位置，得到优化后的UE估计位置；距离所述UE的初始估计位置最近和最远的RUS对应信道的信道差异最大，使得对应的优化后的UE估计位置精度更高；
基于优化后的UE位置实现无线AP与UE之间的通信。
在一个可能的实施例中，在IRS上重新选取以距离所述UE的初始估计位置最近和最远的RUS为参考的第二预设数量的RUS，并基于所述第二预设数量的RUS重新估计UE的位置，得到优化后的UE估计位置，具体包括如下步骤：
确定所述IRS上到所述UE初始估计位置距离最近的第一RUS和到所述UE初始估计位置距离最远的第二RUS；
以所述第一RUS和第二RUS为一条对角线取矩形，确定所述矩形另一条对角线两个顶点处对应的第三RUS和第四RUS；
从所述第一RUS、第二RUS、第三RUS以及第四RUS中循环选取三个RUS以三角定位法确定UE的位置，最终对循环求得的UE位置求平均值，得到优化后的UE位置。
在一个可能的实施例中，确定所述第一预设数量的RUS中各个RUS对应的信道时延，基于各个RUS对应的信道时延估计无线AP与UE之间经过各RUS的反射路径长度，基于各RUS对应的反射路径长度采用三角定位法确定UE的初始估计位置，具体包括如下步骤：
激活第一预设数量的RUS中每个RUS实现无线AP与UE之间的通信，确定每个RUS对应的无线AP与UE之间的信道时延；
根据每个RUS对应的信道时延确定每个RUS对应的无线AP与UE之间的反射路径长度；
基于每个RUS对应的无线AP与UE之间的反射路径长度确定UE的初始估计位置。
其中，每个RUS对应的信道时延具体为：当RUS进行UE位置估计时建立AP-RUS-UE通信信道，每个RUS都对应有一条AP-RUS-UE信道，可以测得各个RUS对应信道的信道时延，即每个RUS对应的信道时延。每个RUS对应的无线AP与UE之间的反射路径长度具体为：每个RUS都对应有一条AP-RUS-UE信道，可以计算得到无线AP与UE之间经过各RUS的反射路径长度，即每个RUS对应的无线AP与UE之间的反射路径长度。
在一个可能的实施例中，所述RUS的大小由M的数值决定；
当M小于预设数值时，所得到的优化后UE位置的误差随着M的增大而减小；所述预设数值与UE和IRS之间的距离相关。
在一个可能的实施例中，当一个RUS被激活时，RUS上的反射单元根据相应的反射系数矩阵反射信号。
第二方面，本发明提供一种IRS辅助的无线通信***的优化装置，所述IRS用于实现无线接入点AP与用户设备UE之间的反射信道，实现无线AP和UE的有效通信，包括：
选取单元，用于在IRS的预设位置处选取第一预设数量的反射单元集合RUS；每个反射单元集合包括M个反射单元，所述IRS包括N个反射单元，各个反射单元集合被激活后可以反射射向其的电磁信号；1≤M<N，M和N均为整数；
初始估计单元，用于确定所述第一预设数量的RUS中各个RUS对应的信道时延，基于各个RUS对应的信道时延估计无线AP与UE之间经过各RUS的反射路径长度，基于各RUS对应的反射路径长度采用三角定位法确定UE的初始估计位置；
优化估计单元，用于在IRS上重新选取以距离所述UE的初始估计位置最近和最远的RUS为参考的第二预设数量的RUS，并基于所述第二预设数量的RUS重新估计UE的位置，得到优化后的UE估计位置；距离所述UE的初始估计位置最近和最远的RUS对应信道的信道差异最大，使得对应的优化后的UE估计位置精度更高；
通信单元，用于基于优化后的UE位置实现无线AP与UE之间的通信。
在一个可能的实施例中，所述优化估计单元，确定所述IRS上到所述UE初始估计位置距离最近的第一RUS和到所述UE初始估计位置距离最远的第二RUS；以所述第一RUS和第二RUS为一条对角线取矩形，确定所述矩形另一条对角线两个顶点处对应的第三RUS和第四RUS；从所述第一RUS、第二RUS、第三RUS以及第四RUS中循环选取三个RUS以三角定位法确定UE的位置，最终对循环求得的UE位置求平均值，得到优化后的UE位置。
在一个可能的实施例中，所述初始估计单元，激活第一预设数量的RUS中每个RUS实现无线AP与UE之间的通信，确定每个RUS对应的无线AP与UE之间的信道时延；根据每个RUS对应的信道时延确定每个RUS对应的无线AP与UE之间的反射路径长度；基于每个RUS对应的无线AP与UE之间的反射路径长度确定UE的初始估计位置。
在一个可能的实施例中，所述RUS的大小由M的数值决定；当M小于预设数值时，所计算的优化后UE位置的误差随着M的增大而减小；所述预设数值与UE和IRS之间的距离相关。
在一个可能的实施例中，当一个RUS被激活时，RUS上的反射单元根据相应的反射系数矩阵反射信号。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种IRS辅助的无线通信***的优化方法及装置，在对UE进行位置估计时，根据IRS上预设的RUS估计得到UE初始估计位置，基于此位置在IRS上重新选择与UE间的距离差异最大的两个RUS，以重新选择的两个RUS位置为对角线顶点，确定一个矩形，矩形的四个顶点处对应重新选择的四个RUS，并依据UE初始估计位置与IRS的距离，重新确定RUS的大小。以此方法选择的各个RUS对应的AP-UE信道差异较大，用三角定位法计算得到的UE位置准确度更高，明显地减小了UE位置估计的误差，提高了通信***的接收信号强度，提升了通信***的频谱效率。
附图说明
图1为本发明提供的IRS辅助的无线通信***架构图；
图2为本发明提供的IRS结构示意图；
图3为本发明提供一种IRS辅助的无线通信***的优化方法流程图；
图4为本发明提供的IRS空间坐标系示意图；
图5为本发明提供的AP、IRS以及UE坐标示意图；
图6为本发明提供的RUS的个数和位置自适应变化流程图；
图7为本发明提供的用预设的RUS计算UE的估计位置示意图；
图8为本发明提供的优化方法计算得到coor_RUS_1和coor_RUS_2示意图；
图9为本发明提供的优化方法得到coor_RUS_3和coor_RUS_4示意图；
图10为本发明提供的优化方法重新选择的RUS计算的到UE_opt示意图；
图11为本发明提供的优化前后的UE位置计算误差曲线示意图；
图12为本发明提供的优化前后的信噪比SNR与SNR_opt示意图；
图13为本发明提供的优化前后的频谱效率C与C_opt示意图；
图14为本发明提供的RUS大小分别为[2,2],[4,4],[6,6],[8,8],[10,10]时UE位置估计的误差示意图；
图15为本发明提供的RUS的大小、位置和个数自适应变化流程图；
图16为本发明提供的RUS的大小自适应增大示意图；
图17为本发明提供的RUS的大小、个数和位置自适应变化时误差对比曲线示意图；
图18为本发明提供的未优化与RUS的大小、个数和位置自适应变化时的信噪比示意图；
图19为本发明提供的未优化与RUS的大小、个数和位置自适应变化时的频谱效率示意图；
图20为本发明提供一种IRS辅助的无线通信***的优化装置架构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图3为本发明提供一种IRS辅助的无线通信***的优化方法流程图，如图3所示，包括如下步骤：
S101，在IRS的预设位置处选取第一预设数量的反射单元集合RUS；每个反射单元集合包括M个反射单元，所述IRS包括N个反射单元，各个反射单元集合被激活后可以反射射向其的电磁信号；1≤M<N，M和N均为整数；
具体地，RUS(Reflecting Unit Set)是反射单元间的集合，可以用来估计UE的位置和确定信道。应用中，RUS的参数有大小、位置和RUS的个数。本发明中RUS的大小、位置和个数可以自适应变化，达到更好的通信效果。
S102，确定所述第一预设数量的RUS中各个RUS对应的信道时延，基于各个RUS对应的信道时延估计无线AP与UE之间经过各RUS的反射路径长度，基于各RUS对应的反射路径长度采用三角定位法确定UE的初始估计位置；
S103，在IRS上重新选取以距离所述UE的初始估计位置最近和最远的RUS为参考的第二预设数量的RUS，并基于所述第二预设数量的RUS重新估计UE的位置，得到优化后的UE估计位置；距离所述UE的初始估计位置最近和最远的RUS对应信道的信道差异最大，使得对应的优化后的UE估计位置精度更高；
S104，基于优化后的UE位置实现无线AP与UE之间的通信。
在一个可能的实施例中，在IRS上重新选取以距离所述UE的初始估计位置最近和最远的RUS为参考的第二预设数量的RUS，并基于所述第二预设数量的RUS重新估计UE的位置，得到优化后的UE估计位置，具体包括如下步骤：
确定所述IRS上到所述UE初始估计位置距离最近的第一RUS和到所述UE初始估计位置距离最远的第二RUS；
以所述第一RUS和第二RUS为一条对角线取矩形，确定所述矩形另一条对角线两个顶点处对应的第三RUS和第四RUS；
从所述第一RUS、第二RUS、第三RUS以及第四RUS中循环选取三个RUS以三角定位法确定UE的位置，最终对循环求得的UE位置求平均值，得到优化后的UE位置。
在一个可能的实施例中，确定所述第一预设数量的RUS中各个RUS对应的信道时延，基于各个RUS对应的信道时延估计各RUS与UE间的距离，基于各RUS与UE间的距离采用三角定位法确定UE的初始估计位置，具体包括如下步骤：
激活第一预设数量的RUS中每个RUS实现无线AP与UE之间的通信，确定每个RUS对应的无线AP与UE之间的信道时延；
根据每个RUS对应的信道时延确定每个RUS对应的无线AP与UE之间的反射路径长度；
基于每个RUS对应的无线AP与UE之间的反射路径长度确定UE的初始估计位置。
在一个可能的实施例中，所述RUS的大小由M的数值决定；
当M小于预设数值时，所得到的优化后UE位置的误差随着M的增大而减小；所述预设数值与UE和IRS之间的距离相关。
在一个可能的实施例中，当一个RUS被激活时，RUS上的反射单元根据相应的反射系数矩阵反射信号。
需要说明的是，本发明中所说的RUS大小、位置和个数自适应变化指的是用来估计UE位置所选择的RUS不是固定的，可根据初步估计的UE位置选择对应距离UE最近的RUS和距离UE最远的RUS作为参考进一步选取相应的多个RUS精确估计UE的位置，优化UE位置的估计结果，优化AP-IRS-UE之间的通信。
可以理解的是，关于RUS的大小：不同大小的RUS，进行位置估计的误差结果有差别，会影响最终的通信效果。本发明中RUS的大小根据UE与IRS间的距离变化，自适应改变。RUS的位置和个数：RUS的位置和个数也会影响位置估计的误差，本发明中为了达到更好的通信，会根据UE的位置变化，重新确定RUS的位置以及RUS的个数。当AP与UE间通信质量不佳时，可由AP或UE通知IRS对RUS参数进行调整，重新确定通信信道，达到更高的通信质量。
具体地，IRS的形状可以根据需要进行自定义，例如矩形、圆形等形状。但是在实际通信***中，IRS最常见的结构为矩形，因此在以下本发明提供的具体实例中，以IRS形状为矩形，反射单元形状同为矩形进行举例说明，但是本发明的所有举例示意并不做对本发明的任何限定。
可以理解的是，RUS是一块IRS的某个区域上的一定数量的可控反射单元的集合。RUS的灵活性强，一块IRS的RUS数量可自定义；RUS的形状可自定义；一个RUS的反射单元个数可自定义；每个RUS可不相同；IRS上RUS的参数选择可预设也可自适应选择等。
另外，RUS存在“激活”状态，可单独控制。当RUS激活时，RUS上的反射单元根据相应的发射系数矩阵反射信号，IRS上其他无关的单元不反射信号，一般情况下是一次只激活一个RUS。
使用方法：根据实际需要，在IRS上选择一定数量、一定大小、不同位置的RUS，大小参数为rus_size＝[m,n]，表述一个RUS内包含m行，n列反射单元。按照一定的时序激活相应的RUS实现信号反射。RUS的大小、位置以及个数根据需求可以再设定。
在一个具体的实施例中，一个IRS，可设其上反射单元为M行，N列([M,N]＝[64,128])，反射单元总数为M*N(64*128＝8192)个。一行内反射单元间的间隔为Dr，一列内单元间的间隔为Dc([Dr,Dc]＝[0.005，0.005])，单位长度为1m。以IRS左下角反射单元为三维坐标系原点，坐标为(0,0,0)，行方向向右为y轴正方向，列方向向上为z轴正方向，垂直y-z平面向外为x轴正方向。空间坐标系如图4所示。
AP坐标为(5，-5，0)，用户UE位置沿x轴正方向，依次从(5，3，0)以0.5m为间隔分布到(20，3，0)，共31个位置。AP，IRS，UE位置如图5所示。
本发明在测距时会用到宽带时延估计和三角定位法。其中检测信号的中心频率Fc＝28GHz，子带的数量K＝128，子载波间隔SCS＝60KHz，子带的带宽Fd＝3.6MHz。
具体地，现有的IRS辅助的通信***内，IRS上的RUS都是若干个经过预设的大小固定，位置固定的反射单元集合，用来进行UE位置估计。当UE的位置不断改变时，用若干个位置和大小固定的RUS来计算UE的位置，结果不够理想，误差较大。当RUS的位置和RUS的个数可以自适应变化时，估计结果准确率将大大提升。
将IRS上反射子单元划分为C行、R列的RUS区域块，([C,R]＝[7,15])，共有C*R个RUS区域块(C*R＝7*15＝105)。分别计算出每个RUS区域的中心位置坐标coor_RUS(i)，i＝1,2,…,(C*R)。三维坐标系如图4所示。
在一个具体的实施例中，对于一个位置待估计的UE，流程图如图6所示，仿真步骤如下：
步骤一：RUS初始设定若干个位置，例如设定IRS下方两个对角位置和IRS中间位置的3个RUS区域，分别可知3个RUS的中心坐标coor_RUS(1)，coor_RUS(2)和coor_RUS(3)。设定RUS的大小参数为(RUS内反射单元的规模：m行，n列)，rus_size＝[m,n]＝[4,4]，每个RUS内包含4*4＝16个反射单元。
步骤二：使用3个预设的RUS，采用宽带时延估计和三角定位法(Triangulation)计算得到UE初始估计位置坐标UEest＝(x0,y0,z0)。如图7所示，得到UE_est坐标。
步骤三：计算位置估计误差error＝UEreal-UEest，其中UEreal为UE真实位置。以UE的估计位置UE_est作为UE位置，计算AP-IRS-UE通信***进行通信时的信噪比以及***的信息吞吐量C。
步骤四：已知每个RUS区域的中心坐标，计算UE_est到每一个RUS区域的距离Dis_i，i＝1,2,…,(C*R)，当Dis_i最大时的RUS中心坐标为coor_RUS_1＝(x1,y1,z1)，当Dis_i最小时的RUS中心坐标为coor_RUS_2＝(x2,y2,z2)。如图8所示。
步骤五：以coor_RUS_1和coor_RUS_2的坐标连线为对角线，作矩形，coor_RUS_1和coor_RUS_1为两个对角矩形块，取另两个矩形角区域为RUS区域。中心坐标分别为coor_RUS_3＝(x3,y3,z3)和coor_RUS_4＝(x4,y4,z4)。如图9所示。
具体地，本例中RUS的个数选取为4个，可根据需要设置或自适应改变。
步骤六：在这四个区域内激活反射单元作为RUS，每个RUS的规模为4*4反射单元。以这四个RUS，用三角定位法进行循环测量计算，得到UE更精确的位置信息UE_opt。如图10所示，得到UE_opt，本图所示为假设通过计算得到的RUS区域是IRS的四个角区域。
步骤七：计算UE位置误差error_opt＝UEreal-UEopt，并与未优化的计算误差error进行比较。以更精确地UE_opt作为UE位置，计算AP-IRS-UE通信***进行通信时的信噪比SNR_opt以及***的信息吞吐量C_opt，并与未优化时的信噪比SNR和信息吞吐量C进行比较。仿真结果如图11-图13所示。
图11中，两条线分表表示未优化时的计算误差曲线和优化后曲线。经过优化后的error_opt大幅下降，UE距离越远，优化效果更明显。在UE的x坐标为20m时，初始误差Error为2.46cm，经过优化后的误差Error_opt仅1.08cm，误差优化效果达到了56％。
图12中，两条线分表表示未优化时的信噪比SNR和优化后的信噪比SNR_opt。横坐标表示UE的x坐标，当UE距离y-z平面20m时，优化后比未优化的信噪比高了7dB。
图13中，两条线分表表示未优化时的频谱效率C和RUS位置、个数自适应变化时的频谱效率C_opt。当UE的x坐标为20m时，优化后的频谱效率为1.9632bps/HZ，未优化时的频谱效率为0.6598bps/HZ，频谱效率提高了197.5％。总体看，频谱效率有明显提升。
具体地，RUS的大小即RUS包含反射单元的个数多少。UE位置与IRS越远，RUS的规模需要相应增大，但是根据实际IRS上反射单元参数以及UE情况，RUS规模有最大上限，超过上限规模，误差会更大。本实例中IRS上反射单元规模为64*128，通过观察仿真得到的误差结果，本实施例中RUS的大小参数rus_size的上限是[10,10]。
图14所示为RUS的大小对UE位置计算误差的影响。横坐标表示UE与IRS的距离，单位为m，纵坐标表示UE估计位置与UE实际位置之间的误差，单位为cm。
图14中黑色直线型曲线表示的是rus_size为[2,2]时，计算误差随UE距离的变化曲线；虚线型曲线表示的是rus_size为[4,4]时的误差变化；矩形块标记曲线、圆形标记曲线和红色星形标记曲线分别表示RUS大小为[6,6],[8,8],[10,10]时计算误差的变化情况。
由图可见，随着UE距离增大，计算误差变化趋势也是越来越大。在相同UE距离下，RUS的大小越大，误差越小。图中误差效果最好的是RUS规模为10*10反射单元时。但是在仿真过程中发现：当RUS的规模大于11*11反射单元时，位置计算误差比RUS更小规模时大许多，误差在几十厘米到几米，不满足误差要求。
因此，实际估计UE位置时，UE的距离越远，需要更大的RUS规模来进行位置计算。根据UE位置初始估计值UE_est与IRS距离，RUS的规模大小需要相应增大或减小。但当UE距离较远时，不是RUS规模越大计算误差越小，当RUS规模达到一定大规模，误差会更大。
具体地，在另一个可能的实施例中，RUS的大小、位置和个数自适应变化，考虑RUS的大小对结果的影响，本发明中的RUS的大小可以自适应改变。如图15所示，仿真步骤如下：
步骤一：RUS初始设定若干个位置，例如设定IRS下方两个对角位置和IRS中间位置的3个RUS区域，分别可知3个RUS的中心坐标coor_RUS(1),coor_RUS(2)和coor_RUS(3)。设定RUS的大小参数为(RUS内反射单元的规模：m行，n列)，[m,n]＝[4,4]，每个RUS内包含4*4＝16个反射单元。
步骤二：使用3个预设的RUS，采用宽带时延估计检测和三角定位法(Triangulation)计算得到UE初始估计位置坐标UEest＝(x0,y0,z0)。
步骤三：计算位置估计误差error＝UEreal-UEest，其中UEreal为UE真实位置。以UE的估计位置UE_est作为UE位置，计算AP-IRS-UE通信***进行通信时的信噪比以及***的信息吞吐量C。
步骤四：已知每个RUS区域的中心坐标，计算UE_est到每一个RUS区域的距离Dis_i，i＝1,2,…,(C*R)，当Dis_i最大时的RUS中心坐标为coor_RUS_1＝(x1,y1,z1)，当Dis_i最小时的RUS中心坐标为coor_RUS_2＝(x2,y2,z2)。
步骤五：以coor_RUS_1和coor_RUS_2的坐标连线为对角线，作矩形，coor_RUS_1和coor_RUS_1为两个对角矩形块，取另两个矩形角区域为RUS区域。中心坐标分别为coor_RUS_3＝(x3,y3,z3)和coor_RUS_4＝(x4,y4,z4)。(本例中RUS的个数选取为4个，可根据需要设置或自适应改变)
步骤六：计算此时UE_est与IRS中心的距离得到参数Dis_UE_IRS，参考5.2.1节内RUS的大小对结果的影响，RUS的大小参数rus_size随着Dis_UE_IRS增大自适应增大，但在本实施例中，RUS的大小最大只能扩大到10*10反射子单元，即m≤10，n≤10。(本实施例中，当Dis_UE_IRS>6时，rus_size会扩大至6*6反射单元，如图16所示，随着UE与IRS的距离更远时，RUS大小可以继续增大，但不能超过RUS的大小界限)
步骤七：在这四个区域内激活反射单元作为RUS，每个RUS的规模为参数rus_size。以这四个RUS，用三角定位法进行循环测量计算，得到UE更精确的位置信息UE_opt。
步骤八：计算UE位置误差error_opt＝UEreal-UEopt，并与未优化的计算误差error进行比较。以更精确地UE_opt作为UE位置，计算AP-IRS-UE通信***进行通信时的信噪比SNR_opt以及***的信息吞吐量C_opt，并与未优化时的信噪比SNR和信息吞吐量C进行比较。结果如图17-图19所示。
图17中，两条线分别是未优化后的误差和RUS的大小、位置及个数随着UE位置改变自适应变化时的误差曲线。当UE与IRS的距离到达20m时，未优化的误差在2.60cm，而优化后的误差仅为1.03cm，经过优化后的误差大幅减小，误差下降了60.4％，效果显著。
图18中，两条线分别是未优化时的信噪比SNR和优化后的信噪比SNR_opt。横坐标表示UE的x坐标，当UE距离y-z平面10m时，优化后比未优化的信噪比高了8.8dB。
图19中，两条线分别表示未优化时的频谱效率C和RUS的大小、位置和个数自适应变化时的频谱效率C_opt。当UE的x坐标为20m时，优化后的频谱效率为1.9457bps/HZ，未优化时的频谱效率为0.63848bps/HZ，频谱效率提高了204.74％。整体看，通信***的频谱效率有很大的提升。
图20为本发明提供一种IRS辅助的无线通信***的优化装置架构图，如图20所示，包括：选取单元210、初始估计单元220、优化估计单元230以及通信单元240。
选取单元210，用于在IRS的预设位置处选取第一预设数量的反射单元集合RUS；每个反射单元集合包括M个反射单元，所述IRS包括N个反射单元，各个反射单元集合被激活后可以反射射向其的电磁信号；1≤M<N，M和N均为整数；
初始估计单元220，用于确定所述第一预设数量的RUS中各个RUS对应的信道时延，基于各个RUS对应的信道时延估计无线AP与UE之间经过各RUS的反射路径长度，基于各RUS对应的反射路径长度采用三角定位法确定UE的初始估计位置；
优化估计单元230，用于在IRS上重新选取以距离所述UE的初始估计位置最近和最远的RUS为参考的第二预设数量的RUS，并基于所述第二预设数量的RUS重新估计UE的位置，得到优化后的UE估计位置；距离所述UE的初始估计位置最近和最远的RUS对应信道的信道差异最大，使得对应的优化后的UE估计位置精度更高；
通信单元240，用于基于优化后的UE位置实现无线AP与UE之间的通信。
在一个可能的实施例中，所述优化估计单元230，确定所述IRS上到所述UE初始估计位置距离最近的第一RUS和到所述UE初始估计位置距离最远的第二RUS；以所述第一RUS和第二RUS为一条对角线取矩形，确定所述矩形另一条对角线两个顶点处对应的第三RUS和第四RUS；从所述第一RUS、第二RUS、第三RUS以及第四RUS中循环选取三个RUS以三角定位法确定UE的位置，最终对循环求得的UE位置求平均值，得到优化后的UE位置。
在一个可能的实施例中，所述初始估计单元220，激活第一预设数量的RUS中每个RUS实现无线AP与UE之间的通信，确定每个RUS对应的无线AP与UE之间的信道时延；根据每个RUS对应的信道时延确定每个RUS对应的无线AP与UE之间的反射路径长度；基于每个RUS对应的无线AP与UE之间的反射路径长度确定UE的初始估计位置。
在一个可能的实施例中，所述RUS的大小由M的数值决定；当M小于预设数值时，所计算的优化后UE位置的误差随着M的增大而减小；所述预设数值与UE和IRS之间的距离相关。
在一个可能的实施例中，当一个RUS被激活时，RUS上的反射单元根据相应的反射系数矩阵反射信号。
具体地，图20中各个单元的功能可参见前述方法实施例，在此不做赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种IRS辅助的无线通信***的优化方法，所述IRS用于实现无线接入点AP与用户设备UE之间的反射信道，实现无线AP和UE的有效通信，其特征在于，包括以下步骤：
在IRS的预设位置处选取第一预设数量的反射单元集合RUS，所述第一预设数量大小为C，C为不小于1的整数；每个反射单元集合包括M个反射单元，所述IRS包括N个反射单元，各个反射单元集合被激活后反射射向其的电磁信号；1≤M<N，M和N均为整数；
确定所述第一预设数量的RUS中各个RUS对应的信道时延，基于各个RUS对应的信道时延估计无线AP与UE之间经过各RUS的反射路径长度，基于各RUS对应的反射路径长度采用三角定位法确定UE的初始估计位置；
在IRS上重新选取以距离所述UE的初始估计位置最近和最远的RUS为参考的第二预设数量的RUS，所述第二预设数量大小为S，S为不小于1的整数，并基于所述第二预设数量的RUS重新估计UE的位置，得到优化后的UE估计位置；距离所述UE的初始估计位置最近和最远的RUS对应信道的信道差异最大，使得对应的优化后的UE估计位置精度更高；
基于优化后的UE位置实现无线AP与UE之间的通信；
所述在IRS上重新选取以距离所述UE的初始估计位置最近和最远的RUS为参考的第二预设数量的RUS，并基于所述第二预设数量的RUS重新估计UE的位置，得到优化后的UE估计位置，具体包括如下步骤：
确定所述IRS上到所述UE初始估计位置距离最近的第一RUS和到所述UE初始估计位置距离最远的第二RUS；
以所述第一RUS和第二RUS为一条对角线取矩形，确定所述矩形另一条对角线两个顶点处对应的第三RUS和第四RUS；
从所述第一RUS、第二RUS、第三RUS以及第四RUS中循环选取三个RUS以三角定位法确定UE的位置，最终对循环求得的UE位置求平均值，得到优化后的UE位置。
2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，确定所述第一预设数量的RUS中各个RUS对应的信道时延，基于各个RUS对应的信道时延估计无线AP与UE之间经过各RUS的反射路径长度，基于各RUS对应的反射路径长度采用三角定位法确定UE的初始估计位置，具体包括如下步骤：
激活第一预设数量的RUS中每个RUS实现无线AP与UE之间的通信，确定每个RUS对应的无线AP与UE之间的信道时延；
根据每个RUS对应的信道时延确定每个RUS对应的无线AP与UE之间的反射路径长度；
基于每个RUS对应的无线AP与UE之间的反射路径长度确定UE的初始估计位置。
3.根据权利要求1或2所述的优化方法，其特征在于，所述RUS的大小由M的数值决定；
当M小于预设数值时，所得到的优化后UE位置的误差随着M的增大而减小；所述预设数值与UE和IRS之间的距离相关。
4.根据权利要求1或2所述的优化方法，其特征在于，当一个RUS被激活时，RUS上的反射单元根据相应的反射系数矩阵反射信号。
5.一种IRS辅助的无线通信***的优化装置，所述IRS用于实现无线接入点AP与用户设备UE之间的反射信道，实现无线AP和UE的有效通信，其特征在于，包括：
选取单元，用于在IRS的预设位置处选取第一预设数量的反射单元集合RUS，所述第一预设数量大小为C，C为不小于1的整数；每个反射单元集合包括M个反射单元，所述IRS包括N个反射单元，各个反射单元集合被激活后反射射向其的电磁信号；1≤M<N，M和N均为整数；
初始估计单元，用于确定所述第一预设数量的RUS中各个RUS对应的信道时延，基于各个RUS对应的信道时延估计无线AP与UE之间经过各RUS的反射路径长度，基于各RUS对应的反射路径长度采用三角定位法确定UE的初始估计位置；
优化估计单元，用于在IRS上重新选取以距离所述UE的初始估计位置最近和最远的RUS为参考的第二预设数量的RUS，所述第二预设数量大小为S，S为不小于1的整数，并基于所述第二预设数量的RUS重新估计UE的位置，得到优化后的UE估计位置；距离所述UE的初始估计位置最近和最远的RUS对应信道的信道差异最大，使得对应的优化后的UE估计位置精度更高；
通信单元，用于基于优化后的UE位置实现无线AP与UE之间的通信；
所述优化估计单元，用于确定所述IRS上到所述UE初始估计位置距离最近的第一RUS和到所述UE初始估计位置距离最远的第二RUS；以所述第一RUS和第二RUS为一条对角线取矩形，确定所述矩形另一条对角线两个顶点处对应的第三RUS和第四RUS；从所述第一RUS、第二RUS、第三RUS以及第四RUS中循环选取三个RUS以三角定位法确定UE的位置，最终对循环求得的UE位置求平均值，得到优化后的UE位置。
6.根据权利要求5所述的优化装置，其特征在于，所述初始估计单元，激活第一预设数量的RUS中每个RUS实现无线AP与UE之间的通信，确定每个RUS对应的无线AP与UE之间的信道时延；根据每个RUS对应的信道时延确定每个RUS对应的无线AP与UE之间的反射路径长度；基于每个RUS对应的无线AP与UE之间的反射路径长度确定UE的初始估计位置。
7.根据权利要求5或6所述的优化装置，其特征在于，所述RUS的大小由M的数值决定；当M小于预设数值时，所计算的优化后UE位置的误差随着M的增大而减小；所述预设数值与UE和IRS之间的距离相关。
8.根据权利要求5或6所述的优化装置，其特征在于，当一个RUS被激活时，RUS上的反射单元根据相应的反射系数矩阵反射信号。
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