一种基于智能反射面双反射结构的联合波束成形设计方法技术

本发明专利技术涉及无线通信技术领域，提供了一种基于智能反射面双反射结构的联合波束成形设计方法。该方法包括：基于智能反射面通信系统下行通信链路，建立包括具有发射端、智能反射面IRS1和智能反射面IRS2、一个单天线接收端的无线通信系统模型；根据智能反射面IRS1反射信号的来波角度，发射端处进行主动波束成形设计，使发送信号垂直入射IRS1通过考虑发射端入射信号的角度，智能反射面部署位置、反射波的方向构建单天线接收端的接收信噪比，获得最大接收信噪比。本发明专利技术大大降低了功率损失，解决了接收端的信噪比受制于发射端信号入射到智能反射面的角度以及智能反射面波束成形的问题，提高智能反射面辅助无线通信系统的性能。提高智能反射面辅助无线通信系统的性能。提高智能反射面辅助无线通信系统的性能。

A joint beamforming design method based on double reflection structure of intelligent reflector

【技术实现步骤摘要】
一种基于智能反射面双反射结构的联合波束成形设计方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，尤其涉及一种基于智能反射面双反射结构的联合波束成形设计方法。

技术介绍

[0002]智能反射面是一种新型的反射材料，其上的分布有大量的反射单元，每个反射单元的反射特性都是人为可控的，通过联合调整每个反射单元的反射振幅和相位来控制反射波的参数。智能反射面可以动态调整电磁波的传播特性，因此可以利用智能反射面对无线通信环境进行重新配置，优化无线信道环境，提升通信系统的性能。与传统的放大转发和解码转发中继不同，智能反射面不需要对信号进行处理，只需要反射信号，因此其不需要复杂的接收和发射设备，具有更低的硬件成本和耗能。而且智能反射面具有全双工的波束成形特质，不会引入自干扰。
[0003]之前很多工作只考虑发射端
‑
智能反射面
‑
接收端这种通信链路，主要研究单个智能反射面或多个智能反射面各自独立辅助于其附近的相关接收端的场景，发射端发射的信号入射到智能反射面并不是垂直入射的，都存在一个较大的入射角，因此智能反射面接收到的信号功率会有一定的损失，加上智能反射面只能被动的反射信号，不能对信号进行放大，这就导致智能反射面反射信号的强度在很大程度上依赖于来波信号的入射角度。在发射端功率一定的情况下，接收端的信噪比受制于发射端信号入射到智能反射面的角度以及智能反射面波束成形的设计。传统的方法是将智能反射面部署在发射端附近，使得发射端信号能垂直入射到智能反射面上，使得智能反射面能够在最大程度上对来波信号进行反射。而在实际应用中，为了能实现接收端信噪比的最大化，不仅仅需要考虑发射端入射信号的角度，还需要考虑智能反射面部署位置、反射波的方向等，因此入射信号并不能一直垂直入射在智能反射面上，导致了信号功率的浪费。
[0004]目前，上述问题并未得到解决。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于智能反射面双反射结构的联合波束成形设计方法，以解决现有技术中入射信号并不能一直垂直入射在智能反射面上，导致了信号功率的浪费，无法提高智能反射面辅助无线通信系统的性能的问题。
[0006]本专利技术提供了一种基于智能反射面双反射结构的联合波束成形设计方法，包括：
[0007]S1基于智能反射面通信系统下行通信链路，建立包括具有M根天线的发射端、N个反射单元的智能反射面IRS1和N个反射单元的智能反射面IRS2、以及一个单天线接收端的无线通信系统模型；
[0008]S2所述智能反射面IRS1和所述智能反射面IRS2成设定角度放置在所述发射端和所述接收端连接线的中轴线上，智能反射面IRS1朝向所述发射端，智能反射面IRS2朝向所述接收端，智能反射面IRS1和IRS2中轴线之间的距离为D，获得智能反射面双反射结构模
型；
[0009]S3根据所述发射端到所述智能反射面IRS1、所述智能反射面IRS1到所述智能反射面IRS2、所述智能反射面IRS2到单天线接收端链路的无线信道，构建所述单天线接收端的接收信噪比；
[0010]S31设置所述智能反射面IRS1为镜面反射，所述发射端通过主动波束成形的方式360度发送信号，同时所述智能反射面IRS1缓慢转动摆放角度，当所述发射端收到从所述智能反射面IRS1反射回来的信号，视为所述发射端发送的信号垂直入射IRS1，此时保持IRS1摆放角度固定；
[0011]S32根据所述智能反射面IRS1反射信号的来波角度，发射端处进行主动波束成形设计，使发送信号垂直入射IRS1；
[0012]S33所述智能反射面IRS1和所述智能反射面IRS2用有线链路连接，IRS1和IRS2相距1m左右，并通过有线链路进行通信，交换放置位置信息及转动角度信息；
[0013]S34所述智能反射面IRS1度取IRS2的摆放角度后，进行被动波束成形设计，使得IRS1反射的信号垂直入射到IRS2上；
[0014]S35所述智能反射面IRS2对被动波束成形矢量以及摆放角度进行联合优化设计，在保证IRS1反射信号垂直入射IRS2的情况下，使接收端的信噪比尽量最大化；
[0015]S36微调所述智能反射面IRS2的旋转角度以及被动波束成形矢量w2，计算所述接收端的信噪比，获得最大接收端的接收信噪比，完成所述智能反射面双反射结构及其联合被动波束成形设计方法。
[0016]进一步地，所述S1中无线通信系统模型的建立，包括：
[0017]所述发射端和所述接收端之间的直射径信道被遮挡物遮挡，所述发射端和所述接收端之间没有视距信道存在，有级联信道h
b
＝h
ap
h
IRS
h
user
，且1级联信道h
b
服从复高斯分布，其中C
b
为协方差矩阵；
[0018]基于所述智能反射面，所述发射端与智能反射面IRS1的信道为h
ap
∈C
M
×
N
，智能反射面IRS1与智能反射面IRS2的信道为h
IRS
∈C
N
×
N
，IRS2与所述接收端之间的信道为h
user
∈C
N
×1，其中，C表示矩阵，M表示M根发射天线，N表示N个反射单元；
[0019]若智能反射面，所述发射端与所述智能反射面IRS1、所述智能反射面IRS1与所述智能反射面IRS2、所述智能反射面IRS2与所述接收端之间的信道状态信息已知，则在下行链路中，所述单天线接收端接收到所述发射端发来的信号为：
[0020]y＝h
H
x+n
ꢀꢀ
(1)
[0021]其中，表示发射端处发射的信号，h表示智能反射面双反射结构辅助的无线通信系统的整体信道模型，H表示共轭运算，表示服从复高斯分布其中，表示复数集，0是n的均值，是n的方差，对角阵表示智能反射面IRS1对发射端来波信号的操作，表示智能反射面IRS2对IRS1来波信号的操作，θ
i
∈[0,2π]表示IRS1上第i个反射单元的相移，表示IRS2上第j个反射单元的相移，h
H
表示对
h进行厄尔米特共轭运算，表示对h
user
进行厄尔米特共轭运算，表示对Φ2进行厄尔米特共轭运算，表示对h
IRS
进行厄尔米特共轭运算，表示对Φ1进行厄尔米特共轭运算，表示对h
ap
进行厄尔米特共轭运算。
[0022]进一步地，所述S2中智能反射面双反射结构模型的构建，包括：
[0023]将智能反射面双反射结构俯视投影于直角坐标系中，所述智能反射面IRS1和所述智能反射面IRS2分别位于x轴(1，0)、(
‑
1，0)处，所述智能反射面IRS1和所述智能反射面RS2的法向矢量分别为
[0024]所述法向矢量与x轴负方向的夹角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于智能反射面双反射结构的联合波束成形设计方法，其特征在于，包括：S1基于智能反射面通信系统下行通信链路，建立包括具有M根天线的发射端、N个反射单元的智能反射面IRS1和N个反射单元的智能反射面IRS2、以及一个单天线接收端的无线通信系统模型；S2所述智能反射面IRS1和所述智能反射面IRS2成设定角度放置在所述发射端和所述接收端连接线的中轴线上，智能反射面IRS1朝向所述发射端，智能反射面IRS2朝向所述接收端，智能反射面IRS1和IRS2中轴线之间的距离为D，获得智能反射面双反射结构模型；S3根据所述发射端到所述智能反射面IRS1、所述智能反射面IRS1到所述智能反射面IRS2、所述智能反射面IRS2到单天线接收端链路的无线信道，构建所述单天线接收端的接收信噪比；S31设置所述智能反射面IRS1为镜面反射，所述发射端通过主动波束成形的方式360度发送信号，同时所述智能反射面IRS1缓慢转动摆放角度，当所述发射端收到从所述智能反射面IRS1反射回来的信号，视为所述发射端发送的信号垂直入射IRS1，此时保持IRS1摆放角度固定；S32根据所述智能反射面IRS1反射信号的来波角度，发射端处进行主动波束成形设计，使发送信号垂直入射IRS1；S33所述智能反射面IRS1和所述智能反射面IRS2用有线链路连接，IRS1和IRS2相距1m左右，并通过有线链路进行通信，交换放置位置信息及转动角度信息；S34所述智能反射面IRS1度取IRS2的摆放角度后，进行被动波束成形设计，使得IRS1反射的信号垂直入射到IRS2上；S35所述智能反射面IRS2对被动波束成形矢量以及摆放角度进行联合优化设计，在保证IRS1反射信号垂直入射IRS2的情况下，使接收端的信噪比尽量最大化；S36微调所述智能反射面IRS2的旋转角度以及被动波束成形矢量w2，计算所述接收端的信噪比，获得最大接收端的接收信噪比，完成所述智能反射面双反射结构及其联合被动波束成形设计方法。2.根据权利要求1所述的联合波束成形设计方法，其特征在于，所述S1中无线通信系统模型的建立，包括：所述发射端和所述接收端之间的直射径信道被遮挡物遮挡，所述发射端和所述接收端之间没有视距信道存在，有级联信道h
b
＝h
ap
h
IRS
h
user
，且1级联信道h
b
服从复高斯分布，其中C
b
为协方差矩阵；基于所述智能反射面，所述发射端与智能反射面IRS1的信道为h
ap
∈C
M
×
N
，智能反射面IRS1与智能反射面IRS2的信道为h
IRS
∈C
N
×
N
，IRS2与所述接收端之间的信道为h
user
∈C
N
×1，其中，C表示矩阵，M表示M根发射天线，N表示N个反射单元；若智能反射面，所述发射端与所述智能反射面IRS1、所述智能反射面IRS1与所述智能反射面I...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢晋东，涂国洋，刘寒逸，张涛，曹先彬，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：