一种RIS-UAV辅助应急通信的波束训练方法及相关装置制造方法及图纸

一种RIS

【技术实现步骤摘要】
一种RIS
‑
UAV辅助应急通信的波束训练方法及相关装置


[0001]本专利技术属于应急通信
，特别涉及一种RIS
‑
UAV辅助应急通信的波束训练方法及相关装置。

技术介绍

[0002]在灾难场景中，由于基础设施过载、网络拥塞、设施和业务损坏或终端、次生灾害等问题，导致灾区通信中断，这严重影响了应急救援的效率。无线通信是建立通信连接的典型可行技术。同时，考虑到频谱/能源效率或成本效益，可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface,RIS)被认为是一种新的候选无线通信技术，以动态和定向的方式控制发射机和接收机之间的无线信号，进而重构无线传播环境。此外，由于无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)具有高机动性。因此，RIS辅助UAV通信可以随时调整姿态，建立无线通信连接，是灾区实施应急救援的有效手段。
[0003]然而，由于无线通信环境复杂，如灾难场景下的高路径损耗、严重的阴影衰落和降雨衰落等，无线信道特性是随时变化的。
[0004]现有研究对于信道难以估计或信息难以获取的RIS辅助UAV通信的复杂场景下，波束成形难以设计和优化，关于RIS辅助通信系统的波束训练技术多从分层码本的设计、深度学习的训练、系统反馈开销的优化等角度进行研究，未考虑波束训练码本本身的优化设计，导致上行通信系统的用户能耗高。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种RIS
‑
UAV辅助应急通信的波束训练方法及相关装置，以解决上行通信系统的用户能耗高的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种RIS
‑
UAV辅助应急通信的波束训练方法，包括：
[0008]基于无人机建立RIS辅助UAV通信模型，得到波束角度信息；
[0009]在RIS相移、波束码本、系统接收信噪比以及能效的约束条件下，通过优化波束角度信息最小化发射端的发射功率；
[0010]基于成为最优解的必要条件KKT条件的优化，根据与波束角度信息的对齐迭代优化非均匀码本，不断反馈更新码本得到最优波束角度；
[0011]得到优化后的波束角度信息，通过仿真与同大小的均匀码本、高精度码本以及完美波束对准对比，进行验证。
[0012]可选的，基于无人机建立RIS辅助UAV通信模型包括：
[0013]一个多天线基站BS、N个反射单元的RIS架设在无人机上以及一个多天线用户UE，通过RIS
‑
UAV提供额外的反射路径，实现无线通信连接。
[0014]可选的，多天线基站BS及多天线用户UE天线阵列为均匀线阵，多天线基站BS及多天线用户UE的天线个数以及RIS的反射单元个数分别用N
U
,N
B
和N
R
表示。
[0015]可选的，波束训练条件为：在上行通信，需要实现多天线用户UE
‑
RIS、RIS
‑
多天线基站BS两条通信链路的波束对准/波束训练；多天线基站BS位置已知，RIS位置通过无人机位置反馈确定，波束训练只涉及用户的出发角与RIS位置的到达角。
[0016]可选的，通过优化波束角度信息最小化发射端的发射功率具体为：
[0017][0018]s.t.ψ'
u
∈[
‑
1,1],ψ'
R
∈[
‑
1,1],Φ
′
R
∈[
‑
1,1],
[0019]|[Θ]n,n
|＝1,n＝1,2,...,N
R
,
[0020][0021][0022]系统的接收信噪比γ为
[0023][0024]其中，p表示用户发射功率；g
r,B
,g
u,r
表示RIS
‑
BS与UE
‑
RIS链路的瑞利衰落信道增益；N
B
表示BS端均匀线阵的天线数量；N
u
表示用户端均匀线阵的天线数量；N
R
表示RIS的反射单元数量；表示RIS的相移矩阵，β＝1表示RIS无损反射；h
r,B
和h
u,r
表示RIS
‑
BS与UE
‑
RIS链路的信道信息；ω
B
和ω
u
＝a
u
(ψ'
u
)表示基站端与用户端的波束成形矢量；φ1＝a
R
(ψ'
R
)表示横向RIS单元控制的相对反射角对应的相移，φ2＝a
R
(Φ
′
R
)表示纵向RIS单元控制的相对反射角对应的相移；γ0表示系统通信信噪比要求；η0表示系统的能效约束；P
BS
、P
RIS
、P
UE
表示基站、RIS、UE节点消耗的硬件静态功率，ξ为发射功率放大器的转换效率，BW表示信号传输带宽；
[0025][0026]其中，ν
u
、θ
u
表示用户端出发角对应的方位角和仰角，a(ψ
u
)表示用户端发射波束的转向矢量；a
R
(ψ
R
)表示RIS端示横向反射单元控制相对反射波束对应的转向矢量；a
R
(Φ
R
)表示RIS端纵向反射单元控制相对反射波束对应的转向矢量。
[0027]可选的，根据与波束角度信息的对齐迭代优化非均匀码本，不断反馈更新码本得到最优波束角度，具体为：
[0028]根据系统信噪比约束计算得到
[0029]优化问题表示为：
[0030][0031]s.t.ψ'
u
∈[
‑
1,1],ψ'
R
∈[
‑
1,1],Φ
′
R
∈[
‑
1,1],
[0032]|[Θ]n,n
|＝1,n＝1,2,...,N
R
.
[0033]并结合信噪比γ0以及系统噪声功率σ0参数可得到系统信噪比约束的最小功率p1；
[0034]具体地，分别对3个变量迭代优化，
[0035]给定ψ'
R
,Φ
′
R
初始值，给定迭代步长d
u
，设计mbits非均匀码本
[0036]优化函数将A中码字带入f(ψ'
u
)得到f(A)；
[0037]对f(A
i
)求导diff(f(A
i
))，得到极大值点(ψ
i
,f...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种RIS
‑
UAV辅助应急通信的波束训练方法，其特征在于，包括：基于无人机建立RIS辅助UAV通信模型，得到波束角度信息；在RIS相移、波束码本、系统接收信噪比以及能效的约束条件下，通过优化波束角度信息最小化发射端的发射功率；基于成为最优解的必要条件KKT条件的优化，根据与波束角度信息的对齐迭代优化非均匀码本，不断反馈更新码本得到最优波束角度；得到优化后的波束角度信息，通过仿真与同大小的均匀码本、高精度码本以及完美波束对准对比，进行验证。2.根据权利要求1所述的一种RIS
‑
UAV辅助应急通信的波束训练方法，其特征在于，基于无人机建立RIS辅助UAV通信模型包括：一个多天线基站BS、N个反射单元的RIS架设在无人机上以及一个多天线用户UE，通过RIS
‑
UAV提供额外的反射路径，实现无线通信连接。3.根据权利要求2所述的一种RIS
‑
UAV辅助应急通信的波束训练方法，其特征在于，多天线基站BS及多天线用户UE天线阵列为均匀线阵，多天线基站BS及多天线用户UE的天线个数以及RIS的反射单元个数分别用N
U
,N
B
和N
R
表示。4.根据权利要求2所述的一种RIS
‑
UAV辅助应急通信的波束训练方法，其特征在于，波束训练条件为：在上行通信，需要实现多天线用户UE
‑
RIS、RIS
‑
多天线基站BS两条通信链路的波束对准/波束训练；多天线基站BS位置已知，RIS位置通过无人机位置反馈确定，波束训练只涉及用户的出发角与RIS位置的到达角。5.根据权利要求1所述的一种RIS
‑
UAV辅助应急通信的波束训练方法，其特征在于，通过优化波束角度信息最小化发射端的发射功率具体为：s.t.ψ'
u
∈[
‑
1,1],ψ'
R
∈[
‑
1,1],Φ
R
'∈[
‑
1,1],|[Θ]
n,n
|＝1,n＝1,2,...,N
R
,,系统的接收信噪比γ为其中，p表示用户发射功率；g
r,B
,g
u,r
表示RIS
‑
BS与UE
‑
RIS链路的瑞利衰落信道增益；N
B
表示BS端均匀线阵的天线数量；N
u
表示用户端均匀线阵的天线数量；N
R
表示RIS的反射单元数量；表示RIS的相移矩阵，β＝1表示RIS无损反射；h
r,B
和h
u,r
表示RIS
‑
BS与UE
‑
RIS链路的信道信息；ω
B
和ω
u
＝a
u
(ψ'
u
)表示基站端与用户端的
波束成形矢量；φ1＝a
R
(ψ'
R
)表示横向RIS单元控制的相对反射角对应的相移，φ2＝a
R
(Φ
R
')表示纵向RIS单元控制的相对反射角对应的相移；γ0表示系统通信信噪比要求；η0表示系统的能效约束；P
BS
、P
RIS
、P
UE
表示基站、RIS、UE节点消耗的硬件静态功率，ξ为发射功率放大器的转换效率，BW表示信号传输带宽；其中，ν
u
、θ
u
表示用户端出发角对应的方位角和仰角，a(ψ
u
)表示用户端发射波束的转向矢量；a
R
(ψ
R
)表示RIS端示横向反射单元控制相对反射波束对应的转向矢...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐东阳，尚思晖，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：