CN112888059B - 一种智能反射面辅助通信的快速数据传输协议 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能反射面辅助通信的快速数据传输协议，针对现有的智能反射面最优反射系数的调节需要获得完整信道信息从而导致导频开销巨大的问题，本发明利用接收端估计出的非完整信道信息来计算出使接收信号期望功率最大的反射系数，并在下一次导频或数据发送时配置相关反射系数，能够达到让接收端的瞬时接收功率逐步增大的效果。本发明能够让发射端尽早开始进行数据通信，减少了导频开销。

Description

一种智能反射面辅助通信的快速数据传输协议

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种智能反射面辅助通信的快速数据传输协议。

背景技术

智能反射表面是一种新型的人工电磁材料，它由大量相同结构的反射单元所构成。从微观上看，可以人为地控制每个反射单元的反射系数(相位、幅度)，使其对入射的电磁波独立施加可控影响；从宏观上看，可以协同控制所有反射单元，来改变反射波束的数量、方向、散射程度等。

智能反射面的最优反射系数设置，需要以发射端-智能反射面-接收端之间的信道响应为依据进行设计，因此需要进行瞬时信道状态信息(Channel State Information，CSI)的估计。在多输入单输出(Multiple Input Single Output，MISO)的通信环境下，发射端和智能反射面及接收端和智能反射面之间的信道可以合成一个级联信道，只要估计出该级联信道即可获得最优反射系数。假设智能反射面含有N个反射单元，则该级联信道可以采用传统的最小二乘(Least Square，LS)方法估计出来，但前提条件是需要为智能反射面配置K≥N次不同的反射系数，在此期间让发射端不断发送导频，接收端接收不同反射系数下的对应信号。因此，导频开销也会随着N的增大而增加，而其根本原因是在进行信道估计的过程中，不同的反射系数是随机配置的，接收端接收功率过小，故发射端只能发送导频，无法发送数据。

发明内容

发明目的：在智能反射面辅助的通信***中，最优反射系数的配置需要完整的信道信息，而在估计信道的过程中导频开销十分巨大。为了减小导频开销，让发射端可以尽早地发送数据，则需要对信道估计过程中的反射系数进行特殊的配置。为此，本发明提出一种智能反射面辅助通信的快速数据传输协议，它利用接收端估计出的级联信道信息来计算出使接收信号期望功率最大的反射系数，并在下一时刻对智能反射面配置相关的反射系数，能够达到让接收端的接收功率逐步增大的效果，当接收功率增大到某一阈值时，发射端便可以开始发送数据，实现数据的快速传输。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种智能反射面辅助通信的快速数据传输协议，其特征在于，包括如下步骤：定义用户与基站之间的视距链路信道为h_d，用户与智能反射面之间的信道为h₂，智能反射面与基站之间的信道为H₁，以上信道模型均为单径时不变信道模型，则将G＝H₁*diag(h₂)定义为用户、智能反射面、基站三者之间的级联信道。

步骤1：用户配备单天线，基站配备多天线，基站通过传统信道估计方法估计出信道h_d。在第0个符号时隙，智能反射面配置随机反射系数矢量v₀，用户发送导频x₀，基站侧记录对应的接收信号矢量y₀；

步骤2：记当前符号时隙数为n(n≥0)，用户发送导频为x_n，基站首先计算出对应的接收功率P_n＝|y_n|²，并将接收信号矢量y_n减去视距链路信道对应的接收信号矢量，得到智能反射面对应的接收信号矢量y_ni。基站将从0到n时隙的所有智能反射面对应的接收信号矢量组成矩阵Y_ni＝[y_0i,y_1i,…,y_ni]，把对应的智能反射面配置的反射系数矢量与导频的乘积组成矩阵V_n＝[v₀x₀,v₁x₁,…,v_nx_n]，并根据矩阵Y_ni和V_n来估计级联信道

步骤3：基站利用估计出的级联信道

计算出能使接收信号期望功率最大的反射系数v_no；

步骤4：基站产生一组随机反射系数v_nr，并将反射系数v_no与随机反射系数v_nr乘以对应的权重后进行相加，得到一组混合反射系数v_n+1；

步骤5：基站将前一符号时隙的接收功率P_n-1和P_n以及用户发送数据所需的最小功率P_th进行比较，如果满足条件a：P_n<P_th，则转到步骤6；如果满足条件b：P_th≤P_n-1，则直接转到步骤7；如果条件a与条件b均不满足，即满足条件c：P_n-1<P_th≤P_n，则基站通知用户可以开始发送数据，并转到步骤7；

步骤6：下一个符号时隙开始，智能反射面配置混合反射系数v_n+1,用户发送导频x_n+1，基站侧记录对应的接收信号矢量y_n+1，并转到步骤2；

步骤7：基站依次序判断下列条件是否成立：

(1)用户数据已经发送完毕；

(2)当前符号时隙数满足n≥γN(γ≥1.5)，N代表智能反射面反射单元的个数；

(3)当前符号时隙与前k个符号时隙的接收功率组成的向量的方差小于某个阈值：

var(P_n-k,P_n-k+1,…,P_n)≤var_th,

即接收功率已经趋于稳定，var表示方差符号，var_th表示阈值。

上述3个条件，基站只要判断出有任何一个条件成立，则智能反射面配置步骤3中的反射系数v_no并保持该配置；若都不成立，则下一个符号时隙开始，智能反射面配置混合反射系数v_n+1，用户发送数据z_n+1，基站侧记录对应的接收信号矢量y_n+1，并进行解调，将解调出的数据当作新的导频，转到步骤2。

作为优选，步骤2中，基站估计出级联信道的方法有多种，其中一种是采用MMSE信道估计。

作为优选，步骤3中，v_no的计算可以采用现有文献中的方法，但更为优选的方法是利用下列计算公式：

∠表示只取其相位，μ，μ≥1表示更新步长，v_n表示当前时隙智能反射面所配置的反射系数。当基站处只有一根天线时，计算公式为

作为优选，步骤4中，令反射系数v_no的权重为ω₁，0.6≤ω₁≤0.9，随机反射系数v_nr的权重为1-ω₁，则混合反射系数v_n+1的表达式为：

v_n+1＝∠(ω₁v_no+(1-ω₁)v_nr)。

作为优选，当用户与基站之间不存在视距链路信道即h_d＝0时，步骤1中基站估计视距链路信道的流程省略，步骤2中视距链路信道对应的接收信号矢量为零，其余步骤保持不变。

作为优选，应用场景中考虑的是上行通信场景，鉴于上下行链路之间存在互易性，故步骤7中将智能反射面的反射系数配置为v_no后可直接用于下行通信场景。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明通过在不同时隙内给智能反射面配置特定的反射系数，能够达到让接收端的接收功率逐步增大的效果，当接收功率增大到某一阈值时，发射端便可以开始发送数据，实现数据的快速传输。

附图说明

图1为多个实例的瞬时接收功率随符号时隙变化曲线图；

图2为多个实例的期望接收功率随符号时隙变化曲线图；

图3为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种智能反射面辅助通信的快速数据传输协议，它利用接收端估计出的级联信道信息来计算出使接收信号期望功率最大的反射系数，并在下一时刻对智能反射面配置相关的反射系数，能够达到让接收端的接收功率逐步增大的效果，当接收功率增大到某一阈值时，发射端便可以开始发送数据，实现数据的快速传输。其包括如下步骤：

步骤1：基站具有M根天线，智能反射面具有N个反射单元，单个用户，用户有一根全向天线。本实例中设置M＝32，N＝256。将用户到基站之间的视距链路信道建模为：

其中

为基站处视距链路信号的到达角度，L_d为信道路径数目，

为导向矢量，α_i,i＝0,1,…,L_d-1表示对应的路径增益，Δ_BS是对波长归一化后的基站天线单元的距离。

将智能反射面与基站之间的信道建模为莱斯信道：

K₁代表H₁的莱斯因子，

代表视距链路分量，可表示为

为导向矢量，θ_AOA,1表示基站处的到达角，θ_DOA,1表示智能反射面处的离开角，Δ_IRS是对波长归一化后的智能反射面天线单元的距离。

代表非视距链路分量，其中的每个元素都服从均值为0，方差为1的独立复高斯分布。

将用户与智能反射面之间的信道建模为莱斯信道：

K₂代表h₂的莱斯因子，

代表视距链路分量，可表示为

θ_AOA,2表示智能反射面处的到达角。

代表非视距链路分量，其中的每个元素都服从均值为0，方差为1的独立复高斯分布。

本实例中基站根据MMSE信道估计方法估计出视距链路信道h_d，智能反射面反射系数矢量v₀的幅度设置为1，相位设置为[0,π)内的随机角度。信道莱斯因子设置为K₁＝K₂＝13，将基站处的到达角、智能反射面的到达角和离开角均设置为服从[0,π)内均匀分布的随机角度，Δ_IRS和Δ_BS均设置为0.5。用户发送导频设置为x₀＝1，基站侧记录对应的接收信号矢量y₀。

步骤2：记当前符号时隙数为n，用户发送导频为x_n，基站计算出对应接收功率P_n＝|y_n|²，智能反射面对应的接收信号矢量计算公式为

表示步骤1中估计出来的视距链路信道。基站将从0到n时隙的所有智能反射面对应的接收信号矢量组成接收信号矩阵Y_ni＝[y_0i,y_1i,…,y_ni]，并把对应时隙的智能反射面配置的反射系数矢量与导频的乘积组成矩阵V_n＝[v₀x₀,v₁x₁,…,v_nx_n]。采用MMSE信道估计方法来估计出级联信道

估计公式为

σ²表示噪声方差，本实例中设置信噪比大小为SNR＝0dB，则噪声方差大小为σ²＝1。

步骤3：基站利用估计出的级联信道

计算出能使接收信号期望功率最大的反射系数v_no，计算公式为

本实例中设置更新步长为μ＝10，v_n表示当前时隙智能反射面所配置的反射系数。

步骤4：基站产生一组随机反射系数v_nr，其生成方式与步骤1相同，即将v_nr的幅度设置为1，相位设置为[0,π)内的随机角度。并将反射系数v_no与随机反射系数v_nr乘以对应的权重后进行相加，得到一组混合反射系数v_n+1：

v_n+1＝∠(ω₁v_no+(1-ω₁)v_nr).

本实例中取ω₁＝0.7，即为v_n+1＝∠(0.7v_no+0.3v_nr)。在获得v_n+1之后，本实例会根据真实信道G来计算对应的期望接收功率，计算公式为P_expn＝|Gv_n+1|²。

步骤5：基站将前一符号时隙的接收功率P_n-1和P_n以及用户发送数据所需的最小功率P_th进行比较，如果满足条件a：P_n<P_th，则转到步骤6；如果满足条件b：P_th≤P_n-1，则直接转到步骤7；如果条件a与条件b均不满足，即满足条件c：P_n-1<P_th≤P_n，则基站通知用户可以开始发送数据，并转到步骤7。本实例中将P_th设置为200W，即当基站端某一符号时隙的接收功率大于200W时，用户端可以开始发送数据。

步骤6：下一个符号时隙开始，智能反射面配置步骤4中获得的混合反射系数v_n+1,用户发送导频x_n+1，基站侧记录对应的接收信号矢量y_n+1，并转到步骤2。本实例中设置用户发送的导频x_n+1＝1。

步骤7：基站依次序判断下列条件是否成立：

(1)用户数据已经发送完毕；

(2)当前符号时隙数满足n≥γN(γ≥1.5)，N代表智能反射面反射单元的个数；

(3)当前符号时隙与前k个符号时隙的接收功率组成的向量的方差小于某个阈值：

var(P_n-k,P_n-k+1,…,P_n)≤var_th,

即接收功率已经趋于稳定；

上述3个条件，基站只要判断出有任何一个条件成立，则智能反射面配置步骤3中的反射系数v_no并保持该配置；若都不成立，则下一个符号时隙开始，智能反射面配置混合反射系数v_n+1，用户发送数据z_n+1，基站侧记录对应的接收信号矢量y_n+1，并进行解调，将解调出的数据z_n+1当作新的导频x_n+1，转到步骤2。本实例中设定用户的数据需要210个符号时隙才能发送完毕；条件(2)中的γ设定为1.5，即符号时隙数n≥1.5N＝384时，条件(2)成立；条件(3)中的方差阈值设定为var_th＝10。本实例中将用户发送的数据设置为0.5～1之间的随机数。

实施例二：

步骤1：基站具有M根天线，智能反射面具有N个反射单元，单个用户，用户有一根全向天线。本实例中设置M＝32，N＝256，与实施例一中相同。将用户到基站之间的视距链路信道建模为：

其中

为基站处视距链路信号的到达角度，L_d为信道路径数目，

为导向矢量，α_i,i＝0,1,…,L_d-1表示对应的路径增益，Δ_BS是对波长归一化后的基站天线单元的距离。

将智能反射面与基站之间的信道建模为莱斯信道：

K₁代表H₁的莱斯因子，

代表视距链路分量，可表示为

为导向矢量，θ_AOA,1表示基站处的到达角，θ_DOA,1表示智能反射面处的离开角，Δ_IRS是对波长归一化后的智能反射面天线单元的距离。

的配置与实施例一相同。

将用户与智能反射面之间的信道建模为莱斯信道：

K₂代表h₂的莱斯因子，

代表视距链路分量，可表示为

θ_AOA,2表示智能反射面处的到达角。

的配置与实施例一相同。

本实例中基站根据MMSE信道估计方法估计出视距链路信道h_d，智能反射面反射系数矢量v₀的配置与实例一中相同。信道莱斯因子、基站处的到达角、智能反射面的到达角和离开角及Δ_IRS和Δ_BS的配置均与实例一中相同。用户发送导频设置为x₀＝1，基站侧记录对应的接收信号矢量y₀。

步骤2：记当前符号时隙数为n，用户发送导频为x_n，基站计算出对应接收功率P_n＝|y_n|²，智能反射面对应的接收信号矢量计算公式为

表示步骤1中估计出来的视距链路信道。基站将从0到n时隙的所有智能反射面对应的接收信号矢量组成接收信号矩阵Y_ni＝[y_0i,y_1i,…,y_ni]，并把对应时隙的智能反射面配置的反射系数矢量与导频的乘积组成矩阵V_n＝[v₀x₀,v₁x₁,…,v_nx_n]。采用MMSE信道估计方法来估计出级联信道

估计公式为

σ²表示噪声方差，本实例中设置信噪比大小为SNR＝0dB，与实例一中相同。

步骤3：基站利用估计出的级联信道

计算出能使接收信号期望功率最大的反射系数v_no，计算公式为

本实例中设置更新步长为μ＝10，v_n表示当前时隙智能反射面所配置的反射系数。

步骤4：基站产生一组随机反射系数v_nr，其生成方式与实施例一相同。并将反射系数v_no与随机反射系数v_nr乘以对应的权重后进行相加，得到一组混合反射系数v_n+1：

v_n+1＝∠(ω₁v_no+(1-ω₁)v_nr).

本实例中取ω₁＝0.9，即为v_n+1＝∠(0.9v_no+0.1v_nr)。相对于实施例一，本实例中增大了ω₁，即增大了反射系数v_no的比例。在获得v_n+1之后，本实例会根据真实信道G来计算对应的期望接收功率，计算公式为P_expn＝|Gv_n+1|²。

步骤5：基站将前一符号时隙的接收功率P_n-1和P_n以及用户发送数据所需的最小功率P_th进行比较，如果满足条件a：P_n<P_th，则转到步骤6；如果满足条件b：P_th≤P_n-1，则直接转到步骤7；如果条件a与条件b均不满足，即满足条件c：P_n-1<P_th≤P_n，则基站通知用户可以开始发送数据，并转到步骤7。本实例中将P_th设置为200W，与实例一相同。

步骤6：下一个符号时隙开始，智能反射面配置步骤4中获得的混合反射系数v_n+1,用户发送导频x_n+1，基站侧记录对应的接收信号矢量y_n+1，并转到步骤2。本实例中设置用户发送的导频x_n+1＝1。

步骤7：基站依次序判断下列条件是否成立：

(1)用户数据已经发送完毕；

(2)当前符号时隙数满足n≥γN(γ≥1.5)，N代表智能反射面反射单元的个数；

(3)当前符号时隙与前k个符号时隙的接收功率组成的向量的方差小于某个阈值：

var(P_n-k,P_n-k+1,…,P_n)≤var_th,

即接收功率已经趋于稳定；

上述3个条件，基站只要判断出有任何一个条件成立，则智能反射面配置步骤3中的反射系数v_no并保持该配置；若都不成立，则下一个符号时隙开始，智能反射面配置混合反射系数v_n+1，用户发送数据z_n+1，基站侧记录对应的接收信号矢量y_n+1，并进行解调，将解调出的数据z_n+1当作新的导频x_n+1，转到步骤2。本实例中设定用户的数据需要210个符号时隙才能发送完毕；条件(2)中的γ设定为1.5，即符号时隙数n≥1.5N＝384时，条件(2)成立；条件(3)中的方差阈值设定为var_th＝10。本实例中将用户发送的数据设置为与实例一相同。

本发明中步骤4获得混合反射系数的表达式为v_n+1＝∠(ω₁v_no+(1-ω₁)v_nr)，其中ω₁满足0.6≤ω₁≤0.9。为了更好的将本发明方法与其他方法进行对比，除了上述两个“混合实施例”外，仿真结果图中还将出现两个特殊的实施例。第一个特殊实施例中ω₁取值为1，则v_n+1＝v_no，即混合反射系数的配置完全取决于步骤3中的v_no，该实施例可称为“全优实施例”；第二个特殊实施例中ω₁取值为0，则v_n+1＝v_nr，即混合反射系数的配置完全取决于步骤4中的v_nr，该实施例可称为“全随机实施例”。两个特殊实施例中除了ω₁取值与实施例一不同以外，其余执行步骤均与实施例一相同。

图1为四个实施例的瞬时接收功率随符号时隙变化曲线图，从中可以看出，混合实施例一与二的瞬时接收功率增长较快，在符号时隙数较小时便可开始发送数据。相比之下，全优实施例的瞬时接收功率增长缓慢，在符号时隙数较大时仍未达到发送数据最小功率要求，而全随机实施例的瞬时接收功率一直在较小范围内波动，同样无法发送数据。类似地，图2为四个实施例的期望接收功率随符号时隙变化曲线图，混合实施例一与二及全随机实施例在符号时隙数较小时均可开始发送数据，而全优实施例的期望接收功率仍然增长缓慢，难以达到发送数据最小功率要求。综合图1与图2的结果曲线来看，与其他方法相比，本发明方法确实能够逐步增大接收端的瞬时接收功率，让发射端尽早开始发送数据。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种智能反射面辅助通信的快速数据传输协议，其特征在于，应用场景为上行通信场景；定义用户与基站之间的视距链路信道为h_d，用户与智能反射面之间的信道为h₂，智能反射面与基站之间的信道为H₁，以上信道模型均为单径时不变信道模型，则将G＝H₁*diag(h₂)定义为用户、智能反射面、基站三者之间的级联信道；该传输协议包括如下步骤：

步骤1：用户配备单天线，基站配备多天线，基站通过传统信道估计方法估计出视距链路信道h_d；在第0个符号时隙，智能反射面配置随机反射系数矢量v₀，用户发送导频x₀，基站侧记录对应的接收信号矢量y₀；

步骤2：记当前符号时隙数为n，n≥0，用户发送导频为x_n，基站首先计算出对应的接收功率P_n＝|y_n|²，并将基站侧的接收信号矢量y_n减去视距链路信道对应的接收信号矢量，得到智能反射面对应的接收信号矢量y_ni；基站将从0到n时隙的所有智能反射面对应的接收信号矢量组成矩阵Y_ni＝[y_0i，y_1i，...，y_ni]，把对应的智能反射面配置的反射系数矢量与导频的乘积组成矩阵V_n＝[v₀x₀，v₁x₁，...，v_nx_n]，并根据矩阵Y_ni和V_n来估计级联信道

步骤3：基站利用估计出的级联信道

计算出能使接收信号期望功率最大的反射系数v_n0；

步骤4：基站产生一组随机反射系数v_nr，并将反射系数v_no与随机反射系数v_nr乘以对应的权重后进行相加，得到一组混合反射系数v_n+1；

步骤5：基站将前一符号时隙的接收功率P_n-1和P_n以及用户发送数据所需的最小功率P_th进行比较，如果满足条件a：P_n＜P_th，则转到步骤6；如果满足条件b：P_th≤P_n-1，则直接转到步骤7；如果条件a与条件b均不满足，即满足条件c：P_n-1＜P_th≤P_n，则基站通知用户可以开始发送数据，并转到步骤7；

步骤6：下一个符号时隙开始，智能反射面配置混合反射系数v_n+1，用户发送导频x_n+1，基站侧记录对应的接收信号矢量y_n+1，并转到步骤2；

步骤7：基站依次序判断下列条件是否成立：

(1)用户数据已经发送完毕；

(2)当前符号时隙数满足n≥γN(γ≥1.5)，N代表智能反射面反射单元的个数；

(3)当前符号时隙与前k个符号时隙的接收功率组成的向量的方差小于某个阈值：

var(P_n-k，P_n-k+1，...，P_n)≤var_th，

即接收功率已经趋于稳定，var表示方差符号，var_th表示阈值；

上述3个条件，基站只要判断出有任何一个条件成立，则智能反射面配置步骤3中的反射系数v_no并保持该配置；若都不成立，则下一个符号时隙开始，智能反射面配置混合反射系数v_n+1，用户发送数据z_n+1，基站侧记录对应的接收信号矢量y_n+1，并进行解调，将解调出的数据当作新的导频，转到步骤2。

2.根据权利要求1所述智能反射面辅助通信的快速数据传输协议，其特征在于：步骤2中，基站估计出级联信道的方法是采用MMSE信道估计。

3.根据权利要求1所述智能反射面辅助通信的快速数据传输协议，其特征在于：步骤3中，v_no的计算利用下列计算公式：

∠表示只取其相位，μ，μ≥1表示更新步长，v_n表示当前时隙智能反射面所配置的反射系数； 当基站处只有一根天线时，计算公式为

4.根据权利要求1所述智能反射面辅助通信的快速数据传输协议，其特征在于：步骤4中，令反射系数v_no的权重为ω₁，0.6≤ω₁≤0.9，随机反射系数v_nr的权重为1-ω₁，则混合反射系数v_n+1的表达式为：

v_n+1＝∠(ω₁v_no+(1-ω₁)v_nr)。

5.根据权利要求1所述智能反射面辅助通信的快速数据传输协议，其特征在于：当用户与基站之间不存在视距链路信道即h_d＝0时，步骤1中基站估计视距链路信道的流程省略，步骤2中视距链路信道对应的接收信号矢量为零，其余步骤保持不变。

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