RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法、系统及介质技术方案

本发明专利技术公开了一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法、系统及介质，其中方法包括：建立RIS辅助链路的信道模型；探究RIS不同场景中的工作模式，分析RIS在不同场景中的相位设计需求；根据RIS的覆盖范围需求和信道模型，对RIS元表面进行分组，利用波束展宽技术设计每个组元表面的相位补偿；通过增加元表面的个数对波束展宽造成的增益损失进行补偿。本发明专利技术根据室内的覆盖范围要求和用户数据传输速率要求，利用波束展宽技术，合理设计了子阵列的相位，为移动的用户终端提供了较为稳定的链路支持。本发明专利技术可广泛应用于无线通信优化技术领域。域。域。

【技术实现步骤摘要】
RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法、系统及介质


[0001]本专利技术涉及无线通信优化
，尤其涉及一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法、系统及介质。

技术介绍

[0002]RIS功能简单，结构精简，易于部署，反射面的大小和形状都可以根据实际需求进行设计，可以部署在建筑物外墙、天花板、工厂内部、窗户、车顶甚至着装上。RIS作为6G通信系统中一种很有前途的技术方案，对于部署在不同的应用场景，主要有如下三种工作模式：静态波束覆盖，半静态波束覆盖，动态波束成形。对于静态波束覆盖的工作模式，显著的问题是信号覆盖范围较小，此时RIS作为无源反射面，未进行相位设计；动态波束成形的模式下，波束需要实时跟踪移动用户，且不断的调整优化相位和基站功率，实际应用中信道估计复杂，系统开销大。在一些特定的室内环境下，半静态波束覆盖的模式则可以为无超高传输速率要求的移动用户提供稳定的链路支持，并且不会增加控制开销，可用于一些特定的通信场景。但目前针三种模式在室内场景中，尚缺少对应的部署设计方案。
[0003]术语解释：
[0004]可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)：RIS技术是一项实现无线传输网络中无线信号优化的技术，RIS由大量低成本的无源反射元件构成，可以通过调整信号反射的相位/振幅，从而智能化的配置无线传播环境以提高通信系统性能。
[0005]半静态：RIS的元表面相位根据工作需要进行设计，通常固定之后波束方向也随之固定，无需实时调节相位，也无法针对用户进行波束成形。相位可根据工作状态的改变的重新设计。

技术实现思路

[0006]为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本专利技术的目的在于提供一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法、系统及介质。
[0007]本专利技术所采用的技术方案是：
[0008]一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法，包括以下步骤：
[0009]建立RIS辅助链路的信道模型；
[0010]探究RIS不同场景中的工作模式，分析RIS在不同场景中的相位设计需求；
[0011]根据RIS的覆盖范围需求和信道模型，对RIS元表面进行分组，利用波束展宽技术设计每个组元表面的相位补偿；
[0012]通过增加元表面的个数对波束展宽造成的增益损失进行补偿。
[0013]进一步地，所述信道模型的表达式为：
[0014][0015]其中，P
r
为接收功率，P
t
为发送功率，G
t
，G
r
，G
u
分别代表发射天线增益，接收天线增益和单元反射增益，d
x
d
y
表示单元尺寸，d1，d2分别代表发射机
‑
RIS的距离及RIS
‑
接收机的距离，θ
t
、φ
t
分别为入射信号的俯仰角和方位角，θ
r
、φ
r
分别为出射信号的俯仰角和方位角，g1，g2表示可重构智能表面的第g1行，第g2列；为功率的辐射模式，为RIS单元反射系数；G为RIS元表面个数，G1，G2分别代表RIS在Y和X方向上的元表面个数。
[0016]进一步地，RIS部署在室内墙壁或天花板顶部，所述分析RIS在不同场景中的相位设计需求，包括：
[0017]当RIS工作于静态波束覆盖模式，作为无源反射面，所有RIS元表面相位补偿恒定；
[0018]当RIS工作于动态波束成形模式，实时优化RIS元表面的相位，使RIS的无源波束成形，以向移动的用户终端持续提供链路支持；
[0019]针对预设传输速率要求下的场景中，结合静态波束覆盖模式和动态波束成形模式两种工作模式，对RIS的无源反射面进行相位设计：一方面使得数据传输速率满足用户终端的最低要求，另一方面是能为移动的用户终端提供稳定的反射链路支持，无需实时进行相位优化。
[0020]进一步地，当RIS工作于静态波束覆盖模式，若用户终端处在使得信号入射角与出射角相等的位置时，用户终端获得较大的性能增益。
[0021]进一步地，所述RIS拥有G个元表面，呈正方形结构，分为G1列，G2行；将G1列划分为Q
x
个子区域，用Q
xq
表示，每个区域有τ
x
＝G/Q
x
个元表面，Q
x
＝1，2，...，G1；将G2列划分为Q
y
个子区域，用Q
yq
表示，每个区域有τ
y
＝G/Q
y
个元表面，Q
y
＝1，2，...，G2。
[0022]进一步地，所述根据RIS的覆盖范围需求和信道模型，对RIS元表面进行分组，利用波束展宽技术设计每个组元表面的相位补偿，包括：
[0023]获取信道模型的增益，结合增益和波束展宽技术，对RIS上的各个区域的子阵列进行相位补偿，以牺牲增益的方式来提高覆盖范围，从而满足用户终端在整个移动范围内能得到相对稳定的链路支持。
[0024]进一步地，所述信道模型的增益β利用基站
‑
RIS
‑
用户终端的相对位置关系构建表示，具体表达式如下：
[0025][0026]式中，G1，G2分别代表RIS在Y和X方向上的元表面个数，θ
t
、φ
t
分别为入射信号的俯仰角和方位角，θ
r
、φ
r
分别为出射信号的俯仰角和方位角，d
x
d
y
表示单元尺寸，λ表示信号波长。
[0027]进一步地，所述对RIS上的各个区域的子阵列进行相位补偿，包括：
[0028]将RIS的总相位补偿拆解为X方向和Y方向的ε
x
和ε
y
，令阵列增益β的第一项和第二项分别为S1，S2，β＝S1·
S2，对不同区域Q
xq
，Q
yq
的元表面进行不同的相位设计：
[0029][0030][0031]令v
q
＝sinθ
t
cosφ
t
+sinθ
r
cosφ
r
，
[0032]其中，X方向的相位补偿如下：
[0033]根据用户在室内环境中可能的位置变化获得出射角度θ
r
，φ
r
的波动范围，求解ψ(θ，φ)＝(sinθ
t
cosφ
t
+sinθ
r
cosφ
r
)的上界和下界v
max
，v
min
；
[0034]总覆盖范围受到子阵列数量Q
x
和元表面个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法，其特征在于，包括以下步骤：建立RIS辅助链路的信道模型；探究RIS不同场景中的工作模式，分析RIS在不同场景中的相位设计需求；根据RIS的覆盖范围需求和信道模型，对RIS元表面进行分组，利用波束展宽技术设计每个组元表面的相位补偿；通过增加元表面的个数对波束展宽造成的增益损失进行补偿。2.根据权利要求1所述的一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法，其特征在于，所述信道模型的表达式为：其中，P
r
为接收功率，P
t
为发送功率，G
t
，G
r
，G
u
分别代表发射天线增益，接收天线增益和单元反射增益，d
x
d
y
表示单元尺寸，d1，d2分别代表发射机
‑
RIS的距离及RIS
‑
接收机的距离，θ
t
、φ
t
分别为入射信号的俯仰角和方位角，θ
r
、φ
r
分别为出射信号的俯仰角和方位角，g1，g2表示可重构智能表面的第g1行，第g2列；为功率的辐射模式，为RIS单元反射系数；G为RIS元表面个数，G1，G2分别代表RIS在Y和X方向上的元表面个数。3.根据权利要求1所述的一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法，其特征在于，RIS部署在室内墙壁或天花板顶部，所述分析RIS在不同场景中的相位设计需求，包括：当RIS工作于静态波束覆盖模式，作为无源反射面，所有RIS元表面的相位补偿恒定；当RIS工作于动态波束成形模式，实时优化RIS元表面的相位，使RIS的无源波束成形，以向移动的用户终端持续提供链路支持；针对预设传输速率要求下的场景中，结合静态波束覆盖模式和动态波束成形模式两种工作模式，对RIS的无源反射面进行相位设计：一方面使得数据传输速率满足用户终端的最低要求，另一方面是能为移动的用户终端提供稳定的反射链路支持，无需实时进行相位优化。4.根据权利要求1所述的一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法，其特征在于，所述RIS拥有G个元表面，呈正方形结构，分为G1列，G2行；将G1列划分为Q
x
个子区域，用Q
xq
表示，每个区域有τ
x
＝G/Q
x
个元表面，Q
x
＝1，2，...，G1；将G2列划分为Q
y
个子区域，用Q
yq
表示，每个区域有τ
y
＝G/Q
y
个元表面，Q
y
＝1，2，...，G2。5.根据权利要求4所述的一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法，其特征在于，所述根据RIS的覆盖范围需求和信道模型，对RIS元表面进行分组，利用波束展宽技术设计每个组元表面的相位补偿，包括：获取信道模型的增益，结合增益和波束展宽技术，对RIS上的各个区域的子阵列进行相位补偿，以牺牲增益的方式来提高覆盖范围，从而满足用户终端在整个移动范围内能得到相对稳定的链路支持。6.根据权利要求5所述的一种RIS辅助通信系统的半静态相位设计方法，其特征在于，所述信道模型的增益β利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈泽，唐建华，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：