一种智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法技术

本发明专利技术公开了一种智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法，包括：由发送端向接收端发射导频信号，使接收端获取统计信道状态信息；接收端根据获取的统计信道状态信息计算最优的反射相位，并通过有线或无线链路控制智能反射表面，使其第n个反射单元的反射相位等于最优的反射相位，当发送端或接收端的载波频率、相对空间位置，或者它们之间的无线传输环境发生改变而导致统计信道状态信息发生改变后，重复步骤。本发明专利技术使用统计信道状态信息来配置反射相位，可快速计算最优的反射相位，使得接收信号的功率在统计意义下达到最大，能够快速更新反射系数配置，有利于系统快速匹配信道统计特性变化。

A reflection phase configuration method of intelligent reflection surface assisted wireless communication

【技术实现步骤摘要】
一种智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法
本专利技术涉及一种智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法，属于无线通信的

技术介绍
传统的无线通信系统关注发射机和接收机设计与优化，对于收发机之间的传播环境，由于发射机和接收机均无法控制，因而被认为是外部因素，只能被动适应，无法主动改造。近期，以智能反射表面为代表的新型人工电磁材料技术的进步，为无线通信系统主动改造传播环境，使其成为无线通信系统整体设计的一个可控组成部分，实现可编程无线环境，提供了可行的技术手段。智能反射表面由大量密集排布的基本反射单元构成，每个反射单元都能够对入射电磁波产生独立、可控的幅度衰减、相位偏移、频率偏移等非自然效应，通过精心设计这些反射效应的取值，有可能用于辅助无线通信，提升系统的性能指标。目前，最常见的智能反射表面辅助无线通信方案是，将智能反射表面与通信系统相连并接受通信系统的控制，通过调节各反射单元的反射系数(一般是相位偏移)，使接收信号的功率达到最大值。在这个过程中，调节反射相位往往需要使用信道状态信息，这里的信道除了原有的发送端经不包括智能反射表面在内的传播路径到达接收端的信道，还新增了信号从发送端到达智能反射表面、从智能反射表面反射出的信号到达接收端所经历的两个信道。现有文献一般假设已知精确的瞬时信道状态信息，或者假设通过某些信道估计方法估计出非精确的瞬时信道状态信息，然后根据这些精确或非精确的瞬时信道状态信息，来设定某些目标函数并优化各个反射系数。但是，由于智能反射表面在反射信号时可看成无源被动器件，不具备信号接收和采样功能，其信息都折叠在接收端的低维观测信号中，因此，很难对与智能反射表面相关的入射和反射信道状态信息做出精确估计，特别地，当反射单元数量很大时，瞬时信道状态信息获取这一问题将变得更加困难，难以在实际系统中得到应用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法，使用统计信道状态信息来设计智能反射表面的反射相位，使其在相当长的一段时间内保持稳定，从平均意义上使接收信号的功率达到最大，而非在任意时刻都达到最大。本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法，包括以下步骤：步骤1、由发送端向接收端发射导频信号，使接收端获取统计信道状态信息协方差矩阵∑in∈CN×N和∑out∈CN×N，其中Σin是发送端到智能反射表面之间的统计信道状态信息协方差矩阵，Σout是智能反射表面到接收端之间的统计信道状态信息协方差矩阵，C表示复数域，N是反射单元的数目；步骤2、接收端根据获取的统计信道状态信息∑in∈CN×N和∑out∈CN×N，计算最优的反射相位n＝1,2,...,N，并通过有线或无线链路控制智能反射表面，使其第n个反射单元的反射相位等于最优的反射相位n＝1,2,...,N；步骤3、当发送端或接收端的载波频率、相对空间位置，或者它们之间的无线传输环境发生改变而导致统计信道状态信息发生改变后，重复步骤1和步骤2。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤2中接收端计算最优的反射相位n＝1,2,...,N，步骤具体包括：步骤S1、构造矩阵A∈CN×N，其第[m,n]个元素为：A[m,n]＝∑in[n,m]∑out[m,n]，∑in[n,m]是统计信道状态信息协方差矩阵∑in的第[n,m]个元素，∑out[m,n]是统计信道状态信息协方差矩阵∑out的第[m,n]个元素；步骤S2、初始化循环次数i←0，初始化反射相位n＝1,2,...,N，构造初始化反射系数向量其中[·]T表示矩阵转置；计算初始化平均反射功率指标并设定循环终止条件；步骤S3、判断循环终止条件，如果不满足，则重复以下操作，否则转到步骤S4:步骤S3a、计算中间变量步骤S3b、更新其中第n个元素可由如下闭合表达式得到：n＝1,2,...,N，其中符号|·|表示“·”的模值；步骤S3c、计算平均反射功率指标步骤S3d、更新循环次数i←i+1并转到步骤S3；步骤S4、将当前的相位作为最优的反射相位n＝1,2,...,N进行输出，其中符号∠·表示取“·”的相位。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤S2中初始化反射相位n＝1,2,...,N通过随机产生N个处于[0,2π)之间的角度完成。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤S2中设定的循环终止条件为以下三种条件中的任意一个：循环次数i达到设定的最大循环次数I；平均反射功率指标J(i)在前后两次循环中的绝对增长量小于预先设定的指标ε，即J(i+1)-J(i)＜ε；平均反射功率指标J(i)在前后两次循环中的相对增长率小于预先设定的指标δ，即本专利技术采用上述技术方案，能产生如下技术效果：本专利技术提供一种智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法，它不依赖于精确的瞬时信道状态信息，而仅与信道的二阶统计特性即信道协方差矩阵有关，根据这些统计信道状态信息，本专利技术的方法在每一步迭代中，都具有简单的闭合表达式，因此，计算速度很快，可以很快跟随上信道统计特性的变化。相比于现有方法，具有如下优点：(1)不依赖于快速变化、难以精确估计的瞬时信道状态信息，仅利用在较长时间内保持不变、易于精确获取的统计信道状态信息，因而降低了系统实现的难度，并能在平均意义下获得最佳接收信号质量。(2)反射相位配置仅需要已知与智能反射表面有关的入射和反射信道的统计信息，而不需要已知从发射机到接收机但不经过智能反射表面反射的信道的统计信息，因而减小了待估计的变量个数。(3)在反射相位配置过程中，每一步迭代中都只涉及简单的闭合表达式运算，可快速计算最优的反射相位，无矩阵求逆等复杂操作，因而计算量很低，在获取到统计信道状态信息后，能够快速更新反射系数配置，使得接收信号的功率在统计意义下达到最大，有利于系统快速匹配信道统计特性变化。(4)在反射相位配置方案中，可以保证配置结果的收敛性，同时可以保证经过配置之后的信息传输性能优于随机配置相位的方法下的信息传输性能。附图说明图1是本专利技术智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法的流程图。图2是本专利技术智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法计算最优反射相位的流程图。图3是本专利技术实施例1中反射功率指标随迭代次数i的变化曲线示意图。图4是本专利技术实施例2中反射功率指标随迭代次数i的变化曲线示意图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术的实施方式进行描述。本专利技术所适用的场景为：智能反射表面辅助无线通信系统，上行通信场景，包含一个发送端，一个接收端，以及一块或多块智能反射表面模块；发送端配置1根天线，接收端配置1根天线，所有智能反射表面模块一共含有总数为N的反射单元，所有智能反射表面模块都通过有线或无线链路与接收端相连并由接收端对每个反射单元n本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、由发送端向接收端发射导频信号，使接收端获取统计信道状态信息协方差矩阵∑

【技术特征摘要】
1.一种智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、由发送端向接收端发射导频信号，使接收端获取统计信道状态信息协方差矩阵∑in∈CN×N和∑out∈CN×N，其中Σin是发送端到智能反射表面之间的统计信道状态信息协方差矩阵，Σout是智能反射表面到接收端之间的统计信道状态信息协方差矩阵，C表示复数域，N是反射单元的数目；
步骤2、接收端根据获取的统计信道状态信息协方差矩阵∑in∈CN×N和∑out∈CN×N，计算最优的反射相位并通过有线或无线链路控制智能反射表面，使其第n个反射单元的反射相位等于最优的反射相位
步骤3、当发送端或接收端的载波频率、相对空间位置，或者它们之间的无线传输环境发生改变而导致统计信道状态信息发生改变后，重复步骤1和步骤2。


2.根据权利要求1所述智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法，其特征在于，所述步骤2中接收端计算最优的反射相位步骤具体包括：
步骤S1、构造矩阵A∈CN×N，其第[m,n]个元素为：A[m,n]＝∑in[n,m]∑out[m,n]，所述∑in[n,m]是统计信道状态信息协方差矩阵∑in的第[n,m]个元素，∑out[m,n]是统计信道状态信息协方差矩阵∑out的第[m,n]个元素...

【专利技术属性】
技术研发人员：寇周斌，祁栋华，鲁文韬，高佳峻，党建，张在琛，吴亮，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32