CN116633404A - 一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法，步骤如下：S1、输入部署区域和目标区域的位置信息；S2、计算并配置接入点发射信号的相位和功率；S3、构建并拆分智能反射面联合波束赋形和部署问题；S4、对于给定任意智能反射面部署，计算智能反射面的无源反射单元的相移；S5、基于S4所述智能反射面的无源反射单元的相移，计算并部署智能反射面部署位置；S6、基于S5所述智能反射面部署位置，计算并配置智能反射面的无源反射单元的相移。本发明所提出的双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法能够显著提升通信覆盖范围和目标区域边缘处的最差信噪比，并且避免了信道估计的开销。

Description

一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法

技术领域

本发明涉及数字无线通信技术领域，具体涉及一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法。

背景技术

为进一步提高第五代后续无线网络***和未来第六代无线网络***的数据传输速率和通信覆盖，目前工业界和学术界已经在探索更具低成本和竞争力的物理层技术。然而，在现有技术中，由于有源天线数量大，随之带来能耗高、信道估计开销大、噪声干扰严重、目标区域覆盖成本高的问题。

目前，在6G候选新技术中，智能反射面(又称可重构智能表面)以其独特的低成本、低能耗、可编程、易部署、无噪声等特点脱颖而出。智能反射面通过引入无线网络使得无线传播环境从被动适应变为主动可控，从而构建了智能无线环境。智能反射面是一种很有前景的无线信道重构技术，它为未来网络的覆盖设计带来了新的范式，满足未来移动通信需求。

波束赋形是一种用波束赋形器控制每一个发射装置的相位和信号幅度从而在接收端中获得需要的相移和相消干涉模式的技术。不同接收器接收到的信号被以一种恰当的方式组合起来，从而获得期盼中的信号辐射模式。在智能反射面辅助的无线***中，当发送端和接收端的视距信道被阻塞时，在发送端使用波束赋形技术可以提高发送端到智能反射表面方向的天线增益。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法，具有低成本、低复杂度、通信覆盖范围广的优点。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法，应用于具有双智能反射面辅助的无线通信***，该无线通信***包括至少1个具有M条天线的接入点、2个具有N_I个无源反射单元的智能反射面、2个智能反射面控制器、1个部署区域以及1个目标区域/>所述联合波束赋形和部署方法包括下列步骤：

S1、输入部署区域和目标区域/>的位置信息；

S2、计算并配置接入点发射信号的相位和发射功率；

S3、构建并拆分智能反射面联合波束赋形和部署问题；

S4、对于给定任意智能反射面部署，计算智能反射面的无源反射单元的相移；

S5、基于所述智能反射面的无源反射单元的相移，计算并部署智能反射面部署位置；

S6、基于所述智能反射面部署位置，计算并配置智能反射面的无源反射单元的相移。

进一步地，所述步骤S1过程如下：

输入以下关于部署区域和目标区域/>的位置信息：

假设所有的位置信息都基于以x、y、z为坐标轴的三维笛卡尔坐标系，每个智能反射面的高度表示为H，部署区域的长度表示为R_x，部署区域/>和x坐标轴之间的水平距离表示为D＞0，部署区域/>的中点和y坐标轴的水平距离表示为c₀，部署区域/>在x-y平面的中点表示为r_c＝[c₀，D]^T，第k个智能反射面在x-y平面的参考点表示为/> 第k个智能反射面在三维空间的参考点表示为/>其中，k∈{1，2}，上标(·)^T定义为取转置操作；

目标区域的长度表示为D_x，目标区域/>的宽度表示为D_y，目标区域/>在在三维空间的位置表示为/>目标区域/>在x-y平面的位置表示为d＝[d_x，d_y]^T，其中，/>

进一步地，所述步骤S2过程如下：

将一维导向矢量函数定义为：其中，ζ定义为再两个相邻天线或者无源反射单元到达或发射的信号之间相位差，N_t定义为1个均等线性阵列的尺寸，/>

传输信号的波长表示为λ，两个相邻无源反射单元的间距表示为Ψ_I，每个智能反射面的沿x坐标轴方向和z坐标轴方向的无源反射单元数量分别表示为N_x和N_z，接入点到第k个智能反射面的到达仰角和到达方位角分别表示为φ_R，k(r_k)和η_R，k(r_k)；第k个智能反射面的接收阵列响应表示为：

其中，k∈{1，2}， 表示克罗内克积，为关于φ_R，k(r_k)和η_R，k(r_k)沿着x坐标轴维度的空间频率，/>为关于η_R，k(r_k)沿着z坐标轴维度的空间频率；

定义为a×b复数矩阵的空间，||·||定义为取2范数操作，上标(·)^H定义为取共轭转置操作，/>定义为从接入点到部署区域/>的传输阵列响应，||a_T(r_c)||²＝M；接入点到第k个智能反射面的远场视距信道表示为：

其中，β₀定义为1米参考距离下的信道增益，/>定义为接入点到第k个智能反射面的距离；

第k个智能反射面到目标区域在x-y平面的位置/>的发射仰角和发射方位角分别表示为φ_T，k(r_k，d)和η_T，k(r_k，d)；第k个智能反射面的反射阵列响应表示为：其中，定义为关于φ_T，k(r_k，d)和η_T，k(r_k，d)沿着x坐标轴维度的空间频率，/>定义为关于φ_T，k(r_k，d)沿着z坐标轴维度的空间频率；第k个智能反射面到目标区域/>在x-y平面的位置/>的远场视距信道表示为：

其中，定义为第k个智能反射面到目标区域/>在x-y平面的位置/>的距离；

diag(x)定义为每个对角元素是x中对应的元素的对角矩阵，为第k个智能反射面中第n个无源反射单元的相移，第k个智能反射面的反射相移矩阵表示为 定义为第k个智能反射面的无源反射单元的相移矢量；接入点的传输波束赋形矢量表示为||v||＝1；目标区域/>在x-y平面的位置/>接收到的信号表示为：

其中，P_t为接入点的发射功率，x是接入点的传输信号，n₀是均值为零和方差为/>的加性高斯白噪声；

c^*的上标表示为变量c的最优值；在给定部署区域和目标区域/>的位置信息下，根据最大比传输理论，为使得在目标区域/>接收到的信号能量最大，接入点的最优传输波束赋形矢量表示为：

按照最优传输波束赋形矢量v^*和接入点的发射功率P_t，接入点的波束赋形控制器设置发射信号的相位和发射功率。

进一步地，所述步骤S3过程如下：

S3.1、定义智能反射面联合波束赋形和部署问题如下：

对于目标区域在x-y平面的位置/>的信噪比表示为：

其中， 定义为近似为可忽视的交叉项，上式反应了两个智能反射面分别产生波束的相互干扰可以被近似忽略，因此原本对两个智能反射面的联合波束赋形和部署可以简化成逐个对单个智能反射面的联合波束赋形和部署进行优化；

根据上式，应用两个智能反射面去分别覆盖两个由均等拆分的两个子目标区域和/>即/>则将双智能反射面联合波束赋形和部署简化为单个智能反射面联合波束赋形和部署；s.t.定义为受约束于，max_xf(x)定义为对于目标函数f(x)最大化，min_xf(x)定义为对于目标函数f(x)最小化；因此，智能反射面联合波束赋形和部署问题表示为：

其中，对应接入点到目标子区域/>接收点的阵列增益，/>对应接入点到目标子区域/>接收点的乘性距离路径损耗；

S3.2、拆分上述的智能反射面联合波束赋形和部署问题为两个子问题：1)智能反射面相移优化问题和2)智能反射面部署优化问题，过程如下：

由于上述的智能反射面联合波束赋形和部署问题仍然很难通过标准的优化算法解决；因为智能反射面的相移优化与模拟波束赋形或相控阵的设计相似，因此通过将上述的原问题拆分为以下的两个子问题：1)智能反射面相移优化问题和2)智能反射面部署优化问题，然后逐步解决所述的两个子问题，以获得上述智能反射面联合波束赋形和部署问题最优解的下界；第一个智能反射面相移优化问题表示为：在该问题中，对于任意给定的智能反射面部署r_k，智能反射面的相位优化应以使得在子目标区域/>的位置中的最差阵列增益最大化；第二个智能反射面部署优化问题表示为：其中，/>定义为解决上述智能反射面相移优化问题后得到的智能反射面的无源反射单元的相移矢量。

进一步地，所述步骤S4过程如下：

S4.1、通过划分第k个智能反射面为多个子阵列，使得第k个智能反射面的覆盖波宽大于对应目标子区域所需的波宽，过程如下：

首先，通过利用阵列簇的概念，将N_I划分为L个数量相等的子阵列，以波束指向足够空间的方向，其中，每个子阵列都具有N_s＝N_I/L个反射单元；第k个智能反射面的第l个子阵列的簇的子波束所指向的空间频率方向表示为其中，φ_k，l和η_k，l分别为第k个智能反射面的第l个子阵列的仰角和方位角；第k个智能反射面的第l个子阵列的共同相位系数表示为α_k，l，每个智能反射面子阵列集合表示为/>每个智能反射面子阵列集合表示为/>每个智能反射面的L个子阵列的覆盖波宽表示为Ω_L(L)，覆盖目标区域/>所需的角度范围表示为/>其中，/>定义为覆盖目标区域/>所需的最小角度，定义为覆盖目标区域/>所需的最大角度；通过划分第k个智能反射面为多个子阵列，使得第k个智能反射面的覆盖波宽大于对应目标子区域/>所需的波宽，具体表示为：/>由上述等式可知：子阵列数L与智能反射面的覆盖波宽成正比；

S4.2、设置第k个智能反射面的第l个子阵列的簇的子波束所指向的空间频率方向集合和第k个智能反射面的第l个子阵列的共同相位系数集合/>使得第k个智能反射面的阵列增益在对应目标区域/>内近似相等，过程如下：

设置空间频率间隔作为每个子阵列的覆盖波长，而相邻的波束方向由子阵列的空间频率分辨率/>相隔开；因此，第1个和第2个智能反射面的子阵列的空间频率方向表示为：/>其中，Φ_1，1和Φ_2，1分别定义为第1个和第2个智能反射面的开始空间频率方向；

因为当第k个智能反射面的第l个子阵列的簇的子波束所指向的空间频率方向Φ_k，l等于第k个智能反射面的相邻子阵列的相交点Ω_k时，所产生的阵列增益主要是由第k个智能反射面的第l个子阵列所贡献的，而对于Φ_k，L≠Ω_k，其他子阵列的波束所产生的阵列增益很小以至于可以忽略；第k个智能反射面的相邻子阵列的相交点表示为Ω_k，t，t＝1，...，L-1，第1个和第2个智能反射面之间的相交点表示为因此，为展平所有第k个智能反射面的相邻子阵列的相交点所产生的波束增益，第k个智能反射面的相邻子阵列的相交点Ω_k，t，t＝1，...，L-1和第1个和第2个智能反射面之间的相交点/>处的相位都应相同，具体表示为：

上述等式使得双智能反射面的波束赋形的波束增益在目标区域的所有位置内近似相等；

根据上式，第k个智能反射面的第l个子阵列的共同相位系数α_k，l设置为：

其中，和/>

S4.3、设置最优的子阵列数L^*(r_k)和子阵列无源反射单元数以求解第k个智能反射面的无源反射单元的相移，过程如下：

首先，根据步骤S4.2和S4.3的设置，因为，；因此，最优的子阵列数和子阵列无源反射单元数分别表示为：

第1个和第2个智能反射面的起始的空间频率方向分别表示为：

根据以上L^*(r_k)、以及/>智能反射面的最优的空间频率方向和共同相位系数分别表示为：

其中，和根据以上的/>和/>第k个智能反射面的第n个无源反射单元的相移表示为：

进一步地，所述步骤S5过程如下：

基于步骤S4中所述智能反射面的无源反射单元的相移，最差阵列增益表示为：

联立上式，上述的智能反射面部署优化问题可以重新表示为：

因为在上述的智能反射面部署优化问题中智能反射面部署优化只与变量相关，所以上述的智能反射面部署优化问题进一步简化为关于/>的单变量优化问题：

其中，/>从上述问题的目标函数可知，减少覆盖目标区域/>所需的角度范围/>和乘性距离路径损耗可以增大最差信噪比；根据一维搜索算法得到的智能反射面位置，将双智能反射面部署于部署区域/>

进一步地，所述步骤S6的过程如下：

将步骤S5中所述智能反射面部署位置代入到以下式子，以得到智能反射面的第n个无源反射单元的相移：

根据上式，每个智能反射面控制器设置每个智能反射面的无源反射单元的相移。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)本发明提出的一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法通过分布式的方式部署双智能反射面覆盖目标区域/通信盲区，与传统的技术相比，该方法避免传统接收射频链路所带来的高成本和高能耗的问题，极大地降低了成本和能耗，显著提升通信覆盖范围和目标区域边缘处的最差信噪比。

2)本发明提出一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法不需要进行信道估计开销，只需要部署区域和目标区域的地理位置信息，与现有的方法相比较，该方法避免信道训练开销带来的性能下降，从而提高通信***的效率和吞吐量。

3)本发明提出的一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法是闭式解，不需要进行迭代计算，极大减少计算的复杂度，满足通信***的实时处理要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例中的双智能反射面辅助的无线下行链路通信***模型图；

图2是本发明一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法的流程图；

图3是本发明实施例1中的一个性能比较仿真图；

图4是本发明实施例2中的一个性能比较仿真图；

图5是本发明实施例3中的一个性能比较仿真图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，图1是本发明所有实施例中的双智能反射面辅助的无线下行链路通信***模型图。该无线通信***包括至少1个具有M条天线的接入点、2个具有N_I个无源反射单元的智能反射面、2个智能反射面控制器、1个部署区域以及1个目标区域/>

为了说明本发明方法的技术进步性，在MATLAB平台上对本发明提出基于双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法与其他方法在不同的实施例下比较了最差信噪比性能，其中，其他方法包括：1)集中式基准方法：拥有N＝2*N_I个无源反射单元的智能反射面根据所提出的一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法进行优化智能反射面的波束赋形和部署和2)分布式基准方法：分别固定两个N_I个反射单元的智能反射面于各个子区域的中点，然后使用所提出一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法优化双智能反射面的波束赋形。

实施例1

本实施例1中，具体参数设置如下：

假设所有的位置信息都基于以x、y、z为坐标轴的三维笛卡尔坐标系，接入点位于原点处。其他的参数设置如下：接入点的发射功率P_t＝5dBm，目标区域的长度D_x＝10m，部署区域/>的长度R_x＝10m，部署区域/>和x坐标轴之间的水平距离D＝5m，部署区域/>在x-y平面的中点r_c＝[c₀，D]^T＝[85，5]^Tm，加性高斯白噪声的方差/>1米参考距离下的信道增益β₀＝-30dB，智能反射面的无源反射单元数N_I＝315，接入点的天线数M＝64，传输信号的波长λ＝0.125m，两根相邻的天线的间距/>以及两个相邻无源反射单元的间距/>

下面结合图1和图2，具体说明实施例1公开的一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法的流程步骤。

本实施例1中，步骤S1具体实现如下：

需要输入以下关于部署区域和目标区域/>的位置信息：

每个智能反射面的高度表示为H，部署区域的长度表示为R_x，部署区域/>和x坐标轴之间的水平距离表示为D＞0，部署区域/>的中点和y坐标轴的水平距离表示为c₀，部署区域/>在x-y平面的中点表示为r_c＝[c₀，D]^T，第k个智能反射面在x-y平面的参考点表示为 第k个智能反射面在三维空间的参考点表示为其中，k∈{1，2}，上标(·)^T定义为取转置操作。

目标区域的长度表示为D_x，目标区域/>的宽度表示为D_y，目标区域/>在在三维空间的位置表示为/>目标区域/>在x-y平面的位置表示为d＝[d_x，d_y]^T，其中，/>

本实施例1中，步骤S2具体实现如下：

将一维导向矢量函数定义为：其中，ζ定义为再两个相邻天线或者无源反射单元到达或发射的信号之间相位差，N_t定义为1个均等线性阵列的尺寸，/>

传输信号的波长表示为λ，两个相邻无源反射单元的间距表示为Ψ_I，每个智能反射面的沿x坐标轴方向和z坐标轴方向的无源反射单元数量分别表示为N_x和N_z，接入点到第k个智能反射面的到达仰角和到达方位角分别表示为φ_R，k(r_k)和η_R，k(r_k)；第k个智能反射面的接收阵列响应表示为：

其中，k∈{1，2}， 表示克罗内克积，为关于φ_R，k(r_k)和η_R，k(r_k)沿着x坐标轴维度的空间频率，/>为关于η_R，k(r_k)沿着z坐标轴维度的空间频率；

定义为a×b复数矩阵的空间，||·||定义为取2范数操作，上标(·)^H定义为取共轭转置操作，/>定义为从接入点到部署区域/>的传输阵列响应，||a_T(r_c)||²＝M；接入点到第k个智能反射面的远场视距信道表示为：

其中，β₀定义为1米参考距离下的信道增益，/>定义为接入点到第k个智能反射面的距离；

第k个智能反射面到目标区域在x-y平面的位置/>的发射仰角和发射方位角分别表示为φ_T，k(r_k，d)和η_T，k(r_k，d)；第k个智能反射面的反射阵列响应表示为：其中，定义为关于φ_T，k(r_k，d)和η_T，k(r_k，d)沿着x坐标轴维度的空间频率，/>定义为关于φ_T，k(r_k，d)沿着z坐标轴维度的空间频率；第k个智能反射面到目标区域/>在x-y平面的位置/>的远场视距信道表示为：

其中，定义为第k个智能反射面到目标区域/>在x-y平面的位置/>的距离；

diag(x)定义为每个对角元素是x中对应的元素的对角矩阵，为第k个智能反射面中第n个无源反射单元的相移，第k个智能反射面的反射相移矩阵表示为 定义为第k个智能反射面的无源反射单元的相移矢量；接入点的传输波束赋形矢量表示为||v||＝1；目标区域/>在x-y平面的位置/>接收到的信号表示为：

其中，P_t为接入点的发射功率，x是接入点的传输信号，n₀是均值为零和方差为/>的加性高斯白噪声；

c^*的上标表示为变量c的最优值；在给定部署区域和目标区域/>的位置信息下，根据最大比传输理论，接入点的最优传输波束赋形矢量表示为：

按照最优传输波束赋形矢量v^*和接入点的发射功率P_t，接入点的波束赋形控制器设置发射信号的相位和发射功率。

本实施例1中，步骤S3具体实现如下：

S3.1、定义智能反射面联合波束赋形和部署问题如下：

对于目标区域在x-y平面的位置/>的信噪比表示为：/>

其中， 定义为近似为可忽视的交叉项，

根据上式，应用两个智能反射面去分别覆盖两个由均等拆分的两个子目标区域和/>即/>则将双智能反射面联合波束赋形和部署简化为单个智能反射面联合波束赋形和部署；s.t.定义为受约束于，max_xf(x)定义为对于目标函数f(x)最大化，min_xf(x)定义为对于目标函数f(x)最小化；因此，智能反射面联合波束赋形和部署问题表示为：

其中，对应接入点到目标子区域/>接收点的阵列增益，/>对应接入点到目标子区域/>接收点的乘性距离路径损耗；

S3.2、拆分上述的智能反射面联合波束赋形和部署问题为两个子问题：1)智能反射面相移优化问题和2)智能反射面部署优化问题，过程如下：

通过将上述的智能反射面联合波束赋形和部署问题拆分为以下的两个子问题：1)智能反射面相移优化问题和2)智能反射面部署优化问题，以获得上述智能反射面联合波束赋形和部署问题最优解的下界；第一个智能反射面相移优化问题表示为：第二个智能反射面部署优化问题表示为：/>其中，/>定义为解决上述智能反射面相移优化问题后得到的智能反射面的无源反射单元的相移矢量。

本实施例1中，步骤S4具体实现如下：

S4.1、通过划分第k个智能反射面为多个子阵列，使得第k个智能反射面的覆盖波宽大于对应目标子区域所需的波宽，过程如下：

首先，将N_I划分为L个数量相等的子阵列，以波束指向足够空间的方向，其中，每个子阵列都具有N_s＝N_I/L个反射单元；第k个智能反射面的第l个子阵列的簇的子波束所指向的空间频率方向表示为其中，φ_k，l和η_k，l分别为第k个智能反射面的第l个子阵列的仰角和方位角；第k个智能反射面的第l个子阵列的共同相位系数表示为α_k，l，每个智能反射面子阵列集合表示为/>每个智能反射面子阵列集合表示为/>每个智能反射面的L个子阵列的覆盖波宽表示为Ω_L(L)，覆盖目标区域/>所需的角度范围表示为/>其中，/>定义为覆盖目标区域/>所需的最小角度，定义为覆盖目标区域/>所需的最大角度；通过划分第k个智能反射面为多个子阵列，使得第k个智能反射面的覆盖波宽大于对应目标子区域所需的波宽，具体表示为：

S4.2、设置第k个智能反射面的第l个子阵列的簇的子波束所指向的空间频率方向集合和第k个智能反射面的第l个子阵列的共同相位系数集合/>使得第k个智能反射面的阵列增益在对应目标区域/>内近似相等，过程如下：

设置空间频率间隔作为每个子阵列的覆盖波长，而相邻的波束方向由子阵列的空间频率分辨率/>相隔开；因此，第1个和第2个智能反射面的子阵列的空间频率方向表示为：

其中，Φ_1，1和Φ_2，1分别定义为第1个和第2个智能反射面的开始空间频率方向；第k个智能反射面的相邻子阵列的相交点表示为Ω_k，t，t＝1，...，L-1，第1个和第2个智能反射面之间的相交点表示为为展平所有第k个智能反射面的相邻子阵列的相交点所产生的波束增益，第k个智能反射面的相邻子阵列的相交点Ω_k，t，t＝1，...，L-1和第1个和第2个智能反射面之间的相交点/>处的相位都应相同，具体表示为：

根据上式，第k个智能反射面的第l个子阵列的共同相位系数α_k，l设置为：

其中，和/>/>

S4.3、设置最优的子阵列数L^*(r_k)和子阵列无源反射单元数以求解第k个智能反射面的无源反射单元的相移，过程如下：

首先，根据步骤S4.2和S4.3的设置，因此，最优的子阵列数和子阵列无源反射单元数分别表示为：

第1个和第2个智能反射面的起始的空间频率方向分别表示为：

根据以上L^*(r_k)、以及/>智能反射面的最优的空间频率方向和共同相位系数分别表示为：

其中，和根据以上的/>和/>第k个智能反射面的第n个无源反射单元的相移表示为：

本实施例1中，步骤S5具体实现如下：

基于步骤S4中所述智能反射面的无源反射单元的相移，最差阵列增益表示为：

联立上式，上述的智能反射面部署优化问题可以重新表示为：

上述的智能反射面部署优化问题进一步简化为关于的单变量优化问题：

其中，然后根据一维搜索算法得到的智能反射面位置，将双智能反射面部署于部署区域/>

本实施例1中，步骤S6具体实现如下：

将步骤S5中所述智能反射面部署位置代入到以下式子，以得到智能反射面的第n个无源反射单元的相移：

根据上式，每个智能反射面控制器设置每个智能反射面的无源反射单元的相移。

如图3所示，图3绘制了目标区域中信噪比与用户位置之间的关系。本发明实施例方法的最差信噪比明显优于所述集中式基准方法和分布式基准方法。此外，在最小信噪比方面，本实施例中方法比集中式基准方法提高了高达2.1dB的增益。这是因为采用本实施例中方法后，位于目标区域/>边缘的用户位置可以获得由其最近的分布式智能反射面带来的更高的无源波束赋形增益。

实施例2

本实施例2中，具体参数设置如下：

假设所有的位置信息都基于以x、y、z为坐标轴的三维笛卡尔坐标系。目标区域的长度D_x分别取是5m、7m、9m、11m、13m、15m；部署区域/>在x-y平面的中点r_c＝[c₀，D]^T＝[80+D_x/2，5]^Tm。其他的参数设置请参照实施例1。

本实施例2中，每次对目标区域的长度D_x进行取值后，就改变与目标区域/>的长度D_x相关的变量，并且实施一次步骤S1-S6，其中，步骤S1-S6的请参照实施例1中步骤S1-S6。

如图4所示，图4展示了最差信噪比与目标区域的长度D_x之间的关系。首先，本发明实施例方法在最差信噪比方面显著优于所述集中式基准方法，并且其性能增益随着目标区域/>的长度D_x的增加而增加。这是因为随着目标区域/>的长度D_x的增加，在所述集中式基准方法中集中式智能反射面在目标区域/>的边缘会遭受更高的乘性距离路径损耗；相反，通过将拥有N无源反射单元的智能反射面划分为两个分别拥有N_I无源反射单元的分布式智能反射面，可以显著提高最差信噪比，这是因为可以减少覆盖目标区域/>所需的角度范围和乘性距离路径损耗。因此，在给定的信噪比门限下，本发明实施例方法在覆盖性能方面优于所述集中式基准方法和分布式基准方法，尤其是对于广阔的覆盖区域。第二，本发明实施例方法明显优于所述分布式基准方法，这证明了智能反射面部署优化的重要性。

实施例3

本实施例3中，具体参数设置如下：

假设所有的位置信息都基于以x、y、z为坐标轴的三维笛卡尔坐标系。智能反射面的无源反射单元数N_I分别取150个、200个、250个、300个、350个、400个。其他的参数设置请参照实施例1。

本实施例3中，每次对智能反射面的无源反射单元数N_I进行取值后，就改变与智能反射面的无源反射单元数N_I相关的变量，并且实施一次步骤S1-S6，其中，步骤S1-S6的请参照实施例1中步骤S1-S6。

如图5所示，图5绘制了最差信噪比与无源反射单元之间的关系图。本发明实施例方法比所述集中式基准方法和分布式基准方法实现了更高的最差信噪比。这是因为在最差信噪比的位置，相对于所述集中式基准方法和分布式基准方法，本发明实施例方法具有更少的乘性距离路径损耗，这将有助于提供更强的波束以覆盖目标区域例如，要实现18dB的目标信噪比，本发明实施例方法需要约475个无源反射单元，而所述集中式基准方法和分布式基准方法则都需要更多的约650个无源反射单元。这个例子说明了使用灵活的分布式智能反射面部署方法来最大化智能反射面辅助通信覆盖的重要性。

综上所述，本发明所提出的一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法能够显著提升通信覆盖范围和目标区域边缘处的最差信噪比，并且避免了信道估计的开销。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法，应用于具有双智能反射面辅助的无线通信***，该无线通信***包括至少1个具有M条天线的接入点、2个具有N₁个无源反射单元的智能反射面、2个智能反射面控制器、1个部署区域以及1个目标区域/>其特征在于，所述联合波束赋形和部署方法包括下列步骤：

S1、输入部署区域和目标区域/>的位置信息；

S2、计算并配置接入点发射信号的相位和发射功率；

S3、构建并拆分智能反射面联合波束赋形和部署问题；

S4、对于给定任意智能反射面部署，计算智能反射面的无源反射单元的相移；

S5、基于所述智能反射面的无源反射单元的相移，计算并部署智能反射面部署位置；

S6、基于所述智能反射面部署位置，计算并配置智能反射面的无源反射单元的相移。

2.根据权利要求1所述的一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法，其特征在于，所述步骤S1过程如下：

输入以下关于部署区域和目标区域/>的位置信息：

假设所有的位置信息都基于以x、y、z为坐标轴的三维笛卡尔坐标系，每个智能反射面的高度表示为H，部署区域的长度表示为R_x，部署区域/>和x坐标轴之间的水平距离表示为D＞0，部署区域/>的中点和y坐标轴的水平距离表示为c₀，部署区域/>在x-y平面的中点表示为r_c＝[c₀，D]^T，第k个智能反射面在x-y平面的参考点表示为/> 第k个智能反射面在三维空间的参考点表示为/>其中，k∈{1，2}，上标(·)^T定义为取转置操作；

目标区域的长度表示为D_x，目标区域/>的宽度表示为D_y，目标区域A在在三维空间的位置表示为/>目标区域/>在x-y平面的位置表示为d＝[d_x，d_y]^T，其中，

3.根据权利要求2所述的一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法，其特征在于，所述步骤S2过程如下：

将一维导向矢量函数定义为：其中，ζ定义为再两个相邻天线或者无源反射单元到达或发射的信号之间相位差，N_t定义为1个均等线性阵列的尺寸，/>

传输信号的波长表示为λ，两个相邻无源反射单元的间距表示为Ψ_I，每个智能反射面的沿x坐标轴方向和z坐标轴方向的无源反射单元数量分别表示为N_x和N_z，接入点到第k个智能反射面的到达仰角和到达方位角分别表示为φ_R，k(r_k)和η_R，k(r_k)；第k个智能反射面的接收阵列响应表示为：

其中，k∈{1，2}， 表示克罗内克积，/>为关于φ_R，k(r_k)和η_R，k(r_k)沿着x坐标轴维度的空间频率，/>为关于η_R，k(r_k)沿着z坐标轴维度的空间频率；

定义为a×b复数矩阵的空间，||·||定义为取2范数操作，上标(·)^H定义为取共轭转置操作，/>定义为从接入点到部署区域/>的传输阵列响应，||a_T(r_c)||²＝M；接入点到第k个智能反射面的远场视距信道表示为：

其中，β₀定义为1米参考距离下的信道增益，/>定义为接入点到第k个智能反射面的距离；

第k个智能反射面到目标区域在x-y平面的位置/>的发射仰角和发射方位角分别表示为φ_T，k(r_k，d)和η_T，k(r_k，d)；第k个智能反射面的反射阵列响应表示为：其中，定义为关于φ_T，k(r_k，d)和η_T，k(r_k，d)沿着x坐标轴维度的空间频率，/>定义为关于φ_T，k(r_k，d)沿着z坐标轴维度的空间频率；第k个智能反射面到目标区域/>在x-y平面的位置/>的远场视距信道表示为：

其中，定义为第k个智能反射面到目标区域/>在x-y平面的位置/>的距离；

diag(x)定义为每个对角元素是x中对应的元素的对角矩阵，为第k个智能反射面中第n个无源反射单元的相移，第k个智能反射面的反射相移矩阵表示为 定义为第k个智能反射面的无源反射单元的相移矢量；接入点的传输波束赋形矢量表示为||v||＝1；目标区域/>在x-y平面的位置/>接收到的信号表示为：

其中，P_t为接入点的发射功率，x是接入点的传输信号，n₀是均值为零和方差为/>的加性高斯白噪声；

c^*的上标表示为变量c的最优值；在给定部署区域和目标区域/>的位置信息下，根据最大比传输理论，接入点的最优传输波束赋形矢量表示为：

按照最优传输波束赋形矢量v^*和接入点的发射功率P_t，接入点的波束赋形控制器设置发射信号的相位和发射功率。

4.根据权利要求3所述的一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法，其特征在于，所述步骤S3过程如下：

S3.1、定义智能反射面联合波束赋形和部署问题如下：

对于目标区域在x-y平面的位置/>的信噪比表示为：

其中， 定义为近似为可忽视的交叉项，/>

根据上式，应用两个智能反射面去分别覆盖两个由均等拆分的两个子目标区域/>和即/>则将双智能反射面联合波束赋形和部署简化为单个智能反射面联合波束赋形和部署；s.t.定义为受约束于，max_xf(x)定义为对于目标函数f(x)最大化，min_xf(x)定义为对于目标函数f(x)最小化；因此，智能反射面联合波束赋形和部署问题表示为：

其中，对应接入点到目标子区域接收点的阵列增益，/>对应接入点到目标子区域/>接收点的乘性距离路径损耗；

S3.2、拆分上述的智能反射面联合波束赋形和部署问题为两个子问题：1)智能反射面相移优化问题和2)智能反射面部署优化问题，过程如下：

通过将上述的智能反射面联合波束赋形和部署问题拆分为以下的两个子问题：1)智能反射面相移优化问题和2)智能反射面部署优化问题，以获得上述智能反射面联合波束赋形和部署问题最优解的下界；第一个智能反射面相移优化问题表示为：

第二个智能反射面部署优化问题表示为：其中，定义为解决上述智能反射面相移优化问题后得到的智能反射面的无源反射单元的相移矢量。

5.根据权利要求4所述的一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法，其特征在于，所述步骤S4过程如下：

S4.1、通过划分第k个智能反射面为多个子阵列，使得第k个智能反射面的覆盖波宽大于对应目标子区域所需的波宽，过程如下：

首先，将N_I划分为L个数量相等的子阵列，以波束指向足够空间的方向，其中，每个子阵列都具有N_s＝N_I/L个反射单元；第k个智能反射面的第l个子阵列的簇的子波束所指向的空间频率方向表示为其中，φ_k，l和η_k，l分别为第k个智能反射面的第l个子阵列的仰角和方位角；第k个智能反射面的第l个子阵列的共同相位系数表示为α_k，l，每个智能反射面子阵列集合表示为/>每个智能反射面子阵列集合表示为每个智能反射面的L个子阵列的覆盖波宽表示为Ω_L(L)，覆盖目标区域/>所需的角度范围表示为/>其中，/>定义为覆盖目标区域/>所需的最小角度，/>定义为覆盖目标区域/>所需的最大角度；通过划分第k个智能反射面为多个子阵列，使得第k个智能反射面的覆盖波宽大于对应目标子区域/>所需的波宽，具体表示为：/>

S4.2、设置第k个智能反射面的第l个子阵列的簇的子波束所指向的空间频率方向集合和第k个智能反射面的第l个子阵列的共同相位系数集合/>使得第k个智能反射面的阵列增益在对应目标区域/>内近似相等，过程如下：

设置空间频率间隔作为每个子阵列的覆盖波长，而相邻的波束方向由子阵列的空间频率分辨率/>相隔开；因此，第1个和第2个智能反射面的子阵列的空间频率方向表示为：/>

其中，Φ_1，1和Φ_2，1分别定义为第1个和第2个智能反射面的开始空间频率方向；第k个智能反射面的相邻子阵列的相交点表示为Ω_k，t，t＝1，...，L-1，第1个和第2个智能反射面之间的相交点表示为为展平所有第k个智能反射面的相邻子阵列的相交点所产生的波束增益，第k个智能反射面的相邻子阵列的相交点Ω_k，t，t＝1，...，L-1和第1个和第2个智能反射面之间的相交点/>处的相位都应相同，具体表示为：

根据上式，第k个智能反射面的第l个子阵列的共同相位系数α_k，l设置为：

其中，和/>

S4.3、设置最优的子阵列数L^*(r_k)和子阵列无源反射单元数以求解第k个智能反射面的无源反射单元的相移，过程如下：

首先，根据步骤S4.2和S4.3的设置，因此，最优的子阵列数和子阵列无源反射单元数分别表示为：

第1个和第2个智能反射面的起始的空间频率方向分别表示为：

根据以上L^*(r_k)、以及/>智能反射面的最优的空间频率方向和共同相位系数分别表示为：

其中，和根据以上的/>和/>第k个智能反射面的第n个无源反射单元的相移表示为：

6.根据权利要求1所述的一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法，其特征在于，所述步骤S5过程如下：

基于步骤S4中所述智能反射面的无源反射单元的相移，最差阵列增益表示为：

联立上式，上述的智能反射面部署优化问题可以重新表示为：

上述的智能反射面部署优化问题进一步简化为关于的单变量优化问题：

其中，然后根据一维搜索算法得到的智能反射面位置，将双智能反射面部署于部署区域/>

7.根据权利要求1所述的一种双智能反射面辅助通信的联合波束赋形和部署方法，其特征在于，所述步骤S6的过程如下：

将步骤S5中所述智能反射面部署位置代入到以下式子，以得到智能反射面的第n个无源反射单元的相移：

根据上式，每个智能反射面控制器设置每个智能反射面的无源反射单元的相移。