一种STAR-RIS辅助无线通信系统波束成形设计方法技术方案

本发明专利技术属于无线通信领域，涉及一种基于位置信息的同时发射和反射的智能反射面辅助无线通信系统的波束成形设计方法。包括以下步骤：步骤1，建立了同时发射和反射信号的可重构智能反射面辅助的无线通信系统模型，并将全球定位系统提供的位置信息引入建模；步骤2，考虑了同时发射和反射的智能反射面的幅值耦合关系，建立了最小化发射总功率的优化问题；步骤3，采用交替优化方法进行基站的发射波束成形和同时发射和反射的智能反射面的发射和反射波束成形的联合优化，将原问题转化为两个子问题求解。本发明专利技术方法能够有效降低基站功耗，并保证用户的无线通信服务质量。保证用户的无线通信服务质量。保证用户的无线通信服务质量。

【技术实现步骤摘要】
一种STAR
‑
RIS辅助无线通信系统波束成形设计方法


[0001]本专利技术属于无线通信领域，本专利技术涉及一种基于位置信息的同时发射和反射的智能反射面辅助无线通信系统的波束成形设计方法，为一种基于不准确的用户GPS位置信息的全覆盖智能反射面辅助无线通信系统的波束成形设计方法。

技术介绍

[0002]可重构智能反射面(RIS)是由大量低成本且高能效的超材料单元构成，这些超材料单元可以借助智能控制器来改变自身的配置从而以可控制的相移来反射撞击过来的无线电磁波。因此，通过在无线网络中部署智能反射面并智能地设计其反射波束成形，可以灵活地重新配置发射机和接收机之间的无线通信环境，从而构建通信所需要的高质量信道链路。该技术提供了一种能够从根本上解决无线信道衰落损害的和干扰问题的新方法，构造了可重新配的的智能无线通信环境，从而可以实现无线通信容量和可靠性的跨跃性提升。
[0003]同时发射和反射的智能反射面(STAR
‑
RIS)作为一种新型的可重构智能反射面，区别于仅反射的智能反射面的同时发射和反射的智能反射面，具有服务范围覆盖360
°
内的用户的优点。通过调整超表面与透明衬底之间的距离，可以实现三种类型的信号传播：全反射、全发射以及同时发射和反射。对于同时发射和反射的智能反射面，入射信号被智能反射面分为两部分，一部分信号被传输到反射半空间，其余部分传输到发射半空间，从而便于对信号传播进行全空间/全覆盖操作。然而，在应用中，同时发射和反射的智能反射面需要联合设计发射和反射两个波束成形，增加了设计的难度和复杂度。
[0004]在实际应用中进行智能反射面波束形成时存在两个主要挑战。第一个是即时信道状态信息(CSI)的要求，很多已有的研究都提出了这个要求。鉴于智能反射面的被动结构和大量的反射元素，CSI的获取是非常重要的。传统的CSI估计技术不适用，典型的方法是估计级联信道，而不是单个信道。第二，由于有大量的反射元素，信道训练开销变得非常高。

技术实现思路

[0005]为了解决上述两个挑战，本专利技术提出了一种新的位置信息辅助智能反射面设计框架，其中发射波束和相移的设计仅依赖于从位置信息获得的统计CSI。传统的设计框架通常需要完整的CSI和大量的训练开销，相比之下，本专利技术提出的设计框架有以下三个主要优势。首先，GPS可以很容易地获取位置信息，从而大大降低训练开销。其次，与瞬时CSI相比，位置信息的变化要慢得多，因此不需要频繁更新。第三，基站和智能反射面之间只需要共享非常少量的位置信息，因此只需要低容量连接，这进一步降低了硬件实现成本。
[0006]本专利技术的目的是为了解决同时发射和反射的智能反射面辅助无线通信系统的波束成形设计复杂度高、精确度低的问题，通过联合优化基站的发射波束成形和智能反射面的发射和反射波束成形来最小化系统的总功耗。
[0007]本专利技术技术方案：
[0008]一种STAR
‑
RIS辅助无线通信系统波束成形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0009]步骤1，
[0010]首先，本专利技术建立了同时发射和反射信号的可重构智能反射面辅助的无线通信系统模型，并将全球定位系统(GPS)提供的位置信息引入建模。假设已知有误差的用户位置信息，由此推导智能反射面到用户的发射角和到达角，从而对发射波束成形和智能反射面波束成形进行设计。
[0011]步骤2，
[0012]其次，本专利技术考虑了同时发射和反射的智能反射面的幅值耦合关系，建立了最小化发射总功率的优化问题。
[0013]步骤3，
[0014]然后，采用交替优化方法进行基站的发射波束成形和同时发射和反射的智能反射面的发射和反射波束成形的联合优化，将原问题转化为两个子问题求解。第一，给定反射面波束成形的条件下优化基站端波束成形的问题是一个复杂的非凸问题，本专利技术进行了连续凸逼近，将该问题转化为二阶锥规划(SOCP)问题求解。第二，给定基站端波束成形的条件下优化反射面波束成形也是非凸问题，本专利技术分别采取连续凸逼近(SCA)和梯度下降法进行求解。得到最优波束成形设计下的最小发射功率。
[0015]一种STAR
‑
RIS辅助无线通信系统波束成形设计方法，其特征在于，步骤1所述同时发射和反射信号的可重构智能反射面辅助的无线通信系统模型建模过程如下：
[0016]首先，给出同时发射和反射信号的可重构智能反射面的模型，该智能反射面的所有反射单元被建模为能量拆分模式，入射到STAR
‑
RIS的给定元件上的无线信号经过元件后被分为发射信号和反射信号。设s
m
表示入射到STAR
‑
RIS的第m个元件上的信号，其中m∈{1，2，...，M}，M表示STAR
‑
RIS反射元件总数。被第m个元件发射和反射的信号可以分别建模为和其中，
[0017]分别表示第m个元件的发射信号和反射信号幅值,分别表示第m个元件的发射信号和反射信号相移。
[0018]对于每个元件，传输和反射的相移(即)通常可以相互独立地选择；发射信号和反射信号的幅值系数(即和)是根据能量守恒定律互相耦合的，对于每个元素，发射信号和反射信号的能量之和必须等于入射信号的能量，即|t
m
|2+|r
m
|2＝|s
m
|2，由此得出各单元的发射和反射振幅系数的下列条件
[0019][0020]智能反射面的透射操作和反射操作矩阵分别为和其中，并且
[0021]接下来，建立所要研究的多用户无线通信系统的物理模型。
[0022]在多用户无线通信系统系统中，用户均为单天线，基站配备了N根天线，智能反射面由M个反射单元构成并且可以同时发射和反射信号。对双用户的场景，系统中的一个智能反射面通过发射信号服务一个用户T，同时通过反射信号服务一个用户R。本专利技术假设基站
和用户之间存在障碍物遮挡导致不存在直传信道。基站到智能反射面的信道可以被表示为
[0023][0024]其中，为信道的非视距链路部分，则为视距链路部分。非视距链路部分的各个元素均服从复高斯分布v
B2S
表示信道的莱斯κ
‑
系数，α
B2S
则表示该信道的大尺度衰落参数，具体由下式给出：
[0025][0026]其中，d
B2S
表示基站到智能反射面的距离，C0则表示在参考距离(D0＝1米)处的路径损耗，κ
B2S
表示路径损耗指数。视距链路部分G
B2S
由下式给出：
[0027][0028]其中，表示基站端的阵列响应向量，θ
y
‑
B2S
则表示信号的等效发射角，即沿着y轴放置的两个相邻天线之间的相位差，具体由下式给出：
[0029][0030]类似的，表示智能反射面端的阵列响应向量，θ
y
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种STAR
‑
RIS辅助无线通信系统波束成形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1本发明建立了同时发射和反射信号的可重构智能反射面辅助的无线通信系统模型，并将全球定位系统提供的位置信息引入建模；假设已知有误差的用户位置信息，由此推导智能反射面到用户的发射角和到达角，从而对发射波束成形和智能反射面波束成形进行设计；步骤2考虑同时发射和反射的智能反射面的幅值耦合关系，建立最小化发射总功率的优化问题；步骤3采用交替优化方法进行基站的发射波束成形和同时发射和反射的智能反射面的发射和反射波束成形的联合优化，将原问题转化为两个子问题求解：第一，给定反射面波束成形的条件下优化基站端波束成形的问题是一个复杂的非凸问题，本发明进行了连续凸逼近，将该问题转化为二阶锥规划问题求解；第二，给定基站端波束成形的条件下优化反射面波束成形也是非凸问题，本发明分别采取连续凸逼近和梯度下降法进行求解，得到最优波束成形设计下的最小发射功率。2.如权利要求1所述一种STAR
‑
RIS辅助无线通信系统波束成形设计方法，其特征在于，步骤1所述同时发射和反射信号的可重构智能反射面辅助的无线通信系统模型建模过程如下：首先，给出同时发射和反射信号的可重构智能反射面的模型，该智能反射面的所有反射单元被建模为能量拆分模式，入射到STAR
‑
RIS的给定元件上的无线信号经过元件后被分为发射信号和反射信号；设s
m
表示入射到STAR
‑
RIS的第m个元件上的信号，其中m∈{1,2,...,M},M表示STAR
‑
RIS反射元件总数；被第m个元件发射和反射的信号可以分别建模为和其中，分别表示第m个元件的发射信号和反射信号幅值,分别表示第m个元件的发射信号和反射信号相移；对于每个元件，传输和反射的相移(即)通常可以相互独立地选择；发射信号和反射信号的幅值系数(即和)是根据能量守恒定律互相耦合的，对于每个元素，发射信号和反射信号的能量之和必须等于入射信号的能量，即|t
m
|2+|r
m
|2＝|s
m
|2，由此得出各单元的发射和反射振幅系数的下列条件智能反射面的透射操作和反射操作矩阵分别为和其中，其中，并且接下来，建立所要研究的多用户无线通信系统的物理模型；在多用户无线通信系统中，用户均为单天线，基站配备了N根天线，智能反射面由M个反射单元构成并且同时发射和反射信号；对双用户的场景，系统中的一个智能反射面通过发
射信号服务一个用户T，同时通过反射信号服务一个用户R；本发明假设基站和用户之间存在障碍物遮挡导致不存在直传信道；基站到智能反射面的信道表示为：其中，为信道的非视距链路部分，则为视距链路部分；非视距链路部分的各个元素均服从复高斯分布v
B2S
表示信道的莱斯κ
‑
系数，α
B2S
则表示该信道的大尺度衰落参数，具体由下式给出：其中，d
B2S
表示基站到智能反射面的距离，C0则表示在参考距离(D0＝1米)处的路径损耗，κ
B2S
表示路径损耗指数；视距链路部分G
B2S
由下式给出：其中，表示基站端的阵列响应向量，则表示信号的等效发射角，即沿着y轴放置的两个相邻天线之间的相位差，具体由下式给出：类似的，表示智能反射面端的阵列响应向量，则表示信号的等效接收角，具体由下式给出：其中，d
RIS
表示智能反射面相邻两个反射单元之间的距离，θ
B2Sa
和φ
B2Sa
则分别表示到达智能反射面端信号的高度角和方位角；此外，本发明假设基站端各天线之间的距离和智能反射面端各反射单元之间的距离均为半波长，即进一步的，得到向量a(θ)和向量b(θ)的第i个元素均可以表示为i＝1，
…
，N.智能反射面到用户k，k∈{T，R}的信道可以表示为：其中，为信道的非视距链路部分，则为视距链路部分；非视距链路部分的各个元素均服从复高斯分布v
S2U
表示信道的莱斯κ
‑
系数，α
S2U
则表示该信道的大尺度衰落参数，具体由下式给出：而视距链路部分由下式给出：基于前面所建立的信道模型，进一步地建立系统的接收信号模型；在下行链路数据传输阶段，用户k接收到的信号可以被表示为
其中，表示用户k的噪声，Θ
T
则表示智能反射面对信号的发射操作，Θ
R
则表示智能反射面对信号的反射操作，w
T
表示对于发射用户的发射波束成形向量，w
R
表示对于反射用户的发射波束成形向量，x
T
表...

【专利技术属性】
技术研发人员：王睿，卢彬钰，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：