一种基于智能反射面的无线通信系统设计方法

摘要

本发明公开了一种基于智能反射面的无线通信系统设计方法，包括无线通信系统包括基站、智能反射面和用户，所述无线通信系统设计方法包括以下步骤：为所述基站配备M根天线，利用天线的信道状态信息对信号进行预编码后发射至用户；为所述智能反射面配备N个反射单元，利用反射单元的信道状态信息对来自基站的信号进行相位编码后反射至用户；联合设计基站的信号预编码和智能反射面的相位编码，以最大遍历容量为目的，优化更新预编码向量和对角相移矩阵，以确定用户接收信号。这样能够大大改善了视距路径缺失或恶劣时无线通信系统的通信质量，并克服了传统中继能耗高的缺点。

权利要求

1.一种基于智能反射面的无线通信系统设计方法，所述 无线通信系统包括基站、智能反射面和用户，其特征在于，所述无线通信系统设计方法包括以下步骤：为所述基站配备M根天线，利用天线的信道状态信息对信号进行预编码后发射至用户；

为所述智能反射面配备N个反射单元，利用反射单元的信道状态信息对来自基站的信号进行相位编码后反射至用户；

联合设计基站的信号预编码和智能反射面的相位编码，设计方法为：基站发送信号s，用户接收信号r为：

1×M 2 1×M

其中，P是信号s的发送功率；f∈C 为基站的预编码向量，满足||f||＝1；g∈C 为基N×M 1×N

站与用户之间的信道；H1∈C 为基站与智能反射面之间的信道；h2∈C 为智能反射面与用户之间的信道； 是智能反射面的对角相移矩阵，φn∈[0,2π)是第n个反射单元引入的相位偏移； 是复高斯噪声，σ为高斯噪声的方差；

上标H代表共轭转置；H1，h2，g均为莱斯信道；

以最大遍历容量为目的，优化更新预编码向量f和对角相移矩阵Φ，以确定用户接收信号r；

以最大遍历容量为目的，需要解决如下优化问题[1]：2

||f||＝1

其中遍历容量 为

问题[1]可以近似为如下问题[2]：2

||f||＝1

针对问题[2]，首先其中，x1是一个常数；对于i＝2，3，4，5，E{xi}＝0，又因为 和 中的元素期望均为

0，并且相互独立，可以得出：可以推得：

将以上各项相加，得到：现在问题[2]等价于下列问题[3]:2

||f||＝1

其中发现

问题[3]等价于问题[4]：2

||f||＝1

接下来用交替迭代法解决问题[4]，即在迭代过程中交替优化Φ和f，直到收敛；

Φ的优化：当f固定时，问题[4]变成了下列问题：H

其中aM(θAoD，1)f和 是复常数，因此，z(Φ)是一个相位可调的复数，其模的最大值为Nα2α1，所以需要找到一个Φ使zH

(Φ)的模最大，同时让z(Φ)aM(θAoD，1)f与 有相同的相位：f的优化：当Φ固定时，问题[4]变成了如下问题：2

s.t.||f||＝1其等价于

2

s.t.|f||＝1其中

H

这个问题可以通过奇异值分解解决，H＝U∑V(∑中的奇异值按降序排列)，然后可以得到

H

fopt＝V(:，1)其中V(:,1)表示矩阵V的第一列。

2.如权利要求1所述的基于智能反射面的无线通信系统设计方法，其特征在于，H1，h2，g满足：

其中，α1,β1，α2,β2，α3,β3均为莱斯信道的参数， 为视距路径分量，jθ j(N

为非视距路径分量，视距路径分量用均匀线性阵列的信道表示，令aN(θ)＝[1,e ,…,e‑1)θ jθ j(M‑1)θ]，aM(θ)＝[1,e ,…,e ]，N和M为自然数，则θAoA,1表示智能反射面处天线的等效入射角，θAoD,1表示基站到智能反射面的等效发射角，θAoD,2表示智能反射面到用户的等效发射角，θAoD,3表示基站到用户的等效发射角， 中的每个元素均服从均值为0，方差为1的高斯分布，且相互独立。

3.如权利要求1所述的基于智能反射面的无线通信系统设计方法，其特征在于，Φ和f的联合优化的具体步骤如下：H

V由矩阵H的奇异值分解H＝U∑V得到，其中

说明书

一种基于智能反射面的无线通信系统设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种基于智能反射面的无线通信系统设计方法。

背景技术

[0002] 当前的第五代移动通信技术，比如大规模天线技术，已经可以使无线通信系统达到极高的频谱效率和吞吐量。然而在信号的传播路径上障碍物的存在仍然会使得通信质量
大为下降，对于毫米波通信来说尤其如此，因为毫米波的路径损耗和穿透损耗都很大。针对
这个问题，传统的解决方法是在信号差的地方添置中继来转发信号，不过，由于中继会对收
到的信号进行数字处理，使其具有较高的数据处理能力需求和较高的功耗。

[0003] 近些年出现的智能反射面技术受到了业界的广泛关注。其设想了在未来场景中，人造建筑将越来越智能化，其表面集成了电子技术服务于无电线通信。智能反射面是一种
相对低廉的人工造物，它可以反射电磁波并在这个过程中对入射电磁波的相位进行调制，
从而达到更好的通信性能。值得一提的是，智能反射面中的小型被动反射单元只会调整入
射信号的相位，而不需要对其进行编解码和转发，因此，它的低功耗特性优于传统中继，并
能在视距路径缺失的情况下可以大大改善通信质量，提高毫米波信号的覆盖范围。

[0004] 现有的采用智能反射面的通信系统包括：申请公布号为CN110830097A的专利申请公开了一种基于反射面的主被动互惠共生传输通信系统，包括单天线发射基站、含多个独
立可控的反射单元的智能反射面以及单天线主被动协同接收机，智能反射面与传感器连
接；单天线发射基站和智能反射面构成互惠共生通信系统发射部分，分别发射主动信号与
被动信号；单天线协同接收机同时接收主动信号和被动信号，并分别解调出来自基站的主
动信息和来自与智能反射面相连的传感器的被动信息，其中被动信息通过无线信道的时延
长度进行指示。

[0005] 再如申请公布号为CN111181615A的专利申请公开的一种基于智能反射面的多小区无线通信方法，该方法所针对的系统包括多个协作小区，在协作小区中设置了智能反射
面，每个协作小区中均有基站和用户终端；所述方法包括：用户终端向各个协作小区中的基
站发射导频信号，各基站估计信道状态信息并共享，并获取全局信道状态信息，制定发射波
束成形模型；智能反射面制定反射波束成形模型，通过建模求解得到发射波束成形、反射波
束成形的系数，从而形成抑制干扰的信号。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于智能反射面的无线通信系统设计方法。

[0007] 本发明采用下述技术方案：

[0008] 一种基于智能反射面的无线通信系统设计方法，包括无线通信系统包括基站、智能反射面和用户，所述无线通信系统设计方法包括以下步骤：

[0009] 为所述基站配备M根天线，利用天线的信道状态信息对信号进行预编码后发射至用户；

[0010] 为所述智能反射面配备N个反射单元，利用反射单元的信道状态信息对来自基站的信号进行相位编码后反射至用户；

[0011] 联合设计基站的信号预编码和智能反射面的相位编码，设计方法为：

[0012] 基站发送信号s，用户接收信号r为：

[0013]

[0014] 其中，P是信号s的发送功率；f∈C1×M为基站的预编码向量，满足||f||2＝1；g∈C1×MN×M 1×N
为基站与用户之间的信道；H1∈C 为基站与智能反射面之间的信道；h2∈C 为智能反射
面与用户之间的信道； 是智能反射面的对角相移矩阵，φn∈
[0,2π)是第n个反射单元引入的相位偏移； 是复高斯噪声，σ为高斯噪声
的方差；上标H代表共轭转置；H1，h2，g均为莱斯信道；

[0015] 以最大遍历容量为目的，优化更新预编码向量f和对角相移矩阵Φ，以确定用户接收信号r。

[0016] 其中，H1，h2，g满足：

[0017]

[0018]

[0019]

[0020] 其中，α1,β1，α2,β2，α3,β3均为莱斯信道的参数， 为视距路径分量，j
为非视距路径分量，视距路径分量用均匀线性阵列的信道表示，令aN(θ)＝[1,e
θ j(N‑1)θ jθ j(M‑1)θ
,…,e ]，aM(θ)＝[1 ,e ,… ,e ]，N和M为自然数，则
θAoA,1表示智
能反射面处天线的等效入射角，θAoD,1表示基站到智能反射面的等效发射角，θAoD,2表示智能
反射面到用户的等效发射角，θAoD,3表示基站到用户的等效发射角， 中的每个
元素均服从均值为0，方差为1的高斯分布，且相互独立。

[0021] 其中，以最大遍历容量为目的，需要解决如下优化问题：

[0022]

[0023]

[0024] ||f||2＝1

[0025] 其中遍历容量 为

[0026]

[0027] 优化方法为：

[0028]

[0029] V由矩阵H的奇异值分解H＝U∑VH得到，其中

[0030]

[0031] 与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：

[0032] 本发明提供的基于智能反射面的无线通信系统设计方法通过对基站的信号预编码和智能反射面的相位编码的联合设计，以最大遍历容量为目的来优化预编码向量和对角
相移矩阵，以确定用户接收信号。这样能够大大改善了视距路径缺失或恶劣时无线通信系
统的通信质量，并克服了传统中继能耗高的缺点。

附图说明

[0033] 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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，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前提下，还可以根
据这些附图获得其他附图。

[0034] 图1为本发明的基于智能反射面的无线通信系统；

[0035] 图2为本发明实施例的算法收敛速度图；

[0036] 图3为本发明实施例的算法优化设计和随机设计的性能比较图。

具体实施方式

[0037] 为使本发明的目的、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的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，
并不限定本发明的保护范围。

[0038] 图1给出了基于智能反射面的无线通信系统，该基于智能反射面的无线通信系统由基站Bs，智能反射面LIS和用户User组成。其中基站Bs配备了包含M根天线单元的大规模
均匀线性阵列，服务于一个单天线用户，在基站Bs和用户之间User设立了一个包含N个反射
1×M
元的智能反射面，其中反射元按均匀线性阵列排列。图1中，f∈C 为基站的波束赋形向量，
2 1×M N×M
满足|f|＝1；g∈C 为基站与用户之间的直接信道，可能受障碍物阻挡；H1∈C 为基站与
1×N
智能反射面之间的信道；h2∈C 为智能反射面与用户之间的信道；发送的信号为s，满足E
2
{|s|}＝1。于是，用户接收到的信号r为：

[0039]

[0040] 其中P是发送功率； 是智能反射面的对角相移矩阵，H
φn∈[0,2π)是第n个反射单元引入的相位偏移； 是复高斯噪声；(·) 代
表共轭转置；

[0041] H1，h2，g均为莱斯信道，满足：

[0042]

[0043]

[0044]

[0045] 其中αi,βi为莱斯信道的参数， 为视距路径分量， 为非视距路jθ j(N‑1)θ
径分量。视距路径分量用均匀线性阵列的信道表示，令aN(θ)＝[1,e ,…,e ]，则
中
的每个元素均服从均值为0，方差为1的高斯分布，且相互独立。

[0046] 以最大化遍历容量为目的，需要解决如下优化问题[1]：

[0047]

[0048]

[0049] ||f||2＝1

[0050] 其中遍历容量 为

[0051]

[0052] 于是问题[1]可以近似为如下问题[2]：

[0053]

[0054]

[0055] ||f||2＝1

[0056] 针对问题[2]，首先

[0057]

[0058] 其中，x1是一个常数；对于i＝2，3，4，5，E{xi}＝0。又因为 和 中的元素期望均为0，并且相互独立，可以得出：

[0059]

[0060] 可以推得：

[0061]

[0062]

[0063]

[0064]

[0065] 将以上各项相加，得到：

[0066]

[0067] 因此，现在问题[2]等价于下列问题[3]：

[0068]

[0069]

[0070] ||f||2＝1

[0071] 其中可以发现

[0072]

[0073]

[0074] 因此，问题[3]等价于问题[4]：

[0075]

[0076]

[0077] ||f||2＝1

[0078] 接下来用交替迭代法解决问题[4]，即在迭代过程中交替优化Φ和f，直到收敛。

[0079] Φ的优化：当f固定时，问题[4]变成了下列问题：

[0080]

[0081]H

[0082] 其中aM(θAoD,1)f和 是复常数，

[0083]

[0084] 因此，z(Φ)是一个相位可调的复数，其模的最大值为Nα2α1。所以需要找到一个ΦH
使z(Φ)的模最大，同时让z(Φ)aM(θAoD，1)f与 有相同的相位：

[0085]

[0086] f的优化：当Φ固定时，问题[4]变成了如下问题：

[0087]

[0088] st||f||2＝1

[0089] 其等价于

[0090]

[0091] s.t.||f||2＝1

[0092] 其中

[0093]

[0094] 这个问题可以通过奇异值分解解决，H＝UΣVH(∑中的奇异值按降序排列)，然后可以得到

[0095] fopt＝V(：，1)H

[0096] 其中V(：，1)表示矩阵V的第一列。

[0097] Φ和f的联合优化：由于Φ和f的优化都是最佳的，总问题[3]可以通过交替迭代法解决，其具体步骤如下：

[0098]

[0099] 下面通过仿真结果来证明本发明的基于智能反射面的无线通信系统设计方法的性能效果。实施例达到的技术效果为：

[0100] 图2 为发明提 出的交 替迭代算 法的收 敛速度 ，仿真条 件为 ：令K1＝K2＝Kg＝2,M＝32,N＝16,SNR＝0dB，用10,
000次蒙特卡洛结果进行统计平均。可以看出，算法在在5个迭代之内就能达到收敛，效率很
高。

[0101] 图3为交替迭代算法设计和随机设计的性能比较图，横坐标为智能反射面维度，纵坐标为达到的遍历容量。仿真条件为：令 K1＝K2
＝Kg＝2,M＝64,SNR＝0dB。可以看出，所提出的交替迭代设计方法具有很高的性能增益。

[0102] 该基于智能反射面的无线通信系统设计方法通过对基站的信号预编码和智能反射面的相位编码的联合设计，以最大遍历容量为目的来优化预编码向量和对角相移矩阵，
以确定用户接收信号。这样能够大大改善了视距路径缺失或恶劣时无线通信系统的通信质
量，并克服了传统中继能耗高的缺点。

[0103] 以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范
围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。