【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于可重构智能超表面，具体涉及一种多智能表面联合应用的无线信号增强系统。
技术介绍
1、在传统的无线通信系统中，基站发射的射频信号由于建筑、树木、车辆甚至行人等等障碍物的遮挡导致的阴影衰落，会使得通信质量下降。同时，由于车辆、行人等障碍物的移动以及外界通信环境的实时变化，导致无线信道的质量波动较大，时刻在发生着难以预测的变化。传统无线通信却十分依赖于无线信道的质量，这导致无线通信中往往会出现用户通信质量降低、信号覆盖不全以及出现信号盲区等问题。传统的解决方法一方面通过部署更多的基站或中继系统来增大信号覆盖面积，另一方面通过复杂的通信算法从微弱的接收信号中提取有效信息来对抗阴影衰落，然而这些方法会带来较高的成本和复杂度。
2、近年来，随着可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface,ris)技术的发展，ris越来越受到在无线通信领域的关注。与传统基站和中继不同，ris是无源的可重构单元周期排列而成的二维表面，通过现场可编程门阵列(field programmable gatearray,fpga)或单片机(microcontroller unit,mcu)来控制每个单元的电磁响应状态，可以实现对入射电磁波的反射相位、极化、幅度等特性的自由调控，从而将入射的电磁波信号聚焦到用户位置或信号盲区，可以实现用户信号增强、通信盲区覆盖等应用。因此，ris没有造价昂贵的有源射频链路，并且还具有易部署、低成本、易加工、重量轻等优点。ris的出现使得传统无线通信系统有望从被动适应无线信
3、然而，目前大多数基于ris辅助通信的无线信号增强系统均只分析和使用了单块ris，而对于多块ris协作辅助通信的研究仍然较少。ris对于无线通信的用户信号增益与其面积成正相关，因此考虑到加工成本和部署区域的限制，单块ris的面积不能无限制的增加，因此其所能提供的信号增益和覆盖范围也十分有限。所以，对于如何实现多块ris相互协作来增强用户信号的研究仍是十分必要的。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术的目的在于提供一种多智能表面联合应用的无线信号增强系统，以有效提高无线通信用户的信号强度与通信质量，实现信号盲区的信号覆盖。同时，通过使用多块ris，拓展用户信号增益覆盖范围，突破单块ris安装面积有限带来的限制等等问题。
2、技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术提出以下技术方案：
3、一种多智能表面联合应用的无线信号增强系统，包括信号发射设备、多块ris、驱动ris的控制设备、控制多块ris的上位机电脑以及信号接收设备；驱动ris的设备控制与上位机电脑相连接，电脑基于信号接收设备的信号强度，通过优化算法得到各个ris的最佳相位编码，并传输到驱动ris的控制设备，从而控制各个ris切换到最佳的相位编码状态，ris通过一次或多次反射将接收到的发射信号聚焦到信号接收设备位置。
4、作为优选，信号发射设备与信号接收设备之间不存在视距链路，信号发射设备的波束指向一块或多块ris，ris在控制设备的驱动下，对入射信号的反射方向进行调控，将反射信号的波束指向下一块ris或者直接指向用户位置，在信号发射设备与信号接收设备之间构建非视距链路。
5、作为优选，所述多块ris为两块以上ris，各个ris的工作极化与频率均与信号收发设备相一致，每块ris都应至少具备波束调控的能力。
6、作为优选，所述驱动ris的控制设备是具有多路io端口，每路io端口的电压能够独立控制并输出不同的电压。
7、作为优选，所述控制多块ris的上位机电脑与各个ris的驱动设备通过有线或无线的方式连接。
8、作为优选，所述上位机电脑基于信号接收设备的信号强度，采用基于精英保留遗传算法的盲波束优化算法得到各个ris的最佳相位编码，不需要对各个ris之间、ris与收发设备之间信道进行估计，也不需要信号接收设备的具体位置。
9、作为优选，所述基于精英保留遗传算法的个体编码方式为：
10、设第i块ris具有ki个独立控制的n比特相位可重构单元，则其相位编码由矢量表示，其中为单元ki的相位编码；
11、将每块ris的相位编码矢量按照二进制转化为对应的染色体基因矢量gi＝(gq)∈{0,1}q，gq为染色体的第q位基因；q＝ki×2n为染色体基因矢量的总长度；设系统共使用m块ris，则每个个体具有m条染色体。
12、所述基于精英保留遗传算法的目标函数为：
13、maxf(s1,...,si,...,sm)＝pr(s1,...,si,...,sm)
14、其中，pr(s1,...,si,...,sm)为在各个ris的辅助下信号接收设备获得的接收信号功率。
15、作为优选，所述基于精英保留遗传算法的目标函数为：
16、maxf(y)＝pr(y)
17、其中，对应于从所有ris的集合中选取的对接收信号强度存在影响的主要反射信道和辅助反射信道上的ris的集合。
18、作为优选，所述基于精英保留遗传算法的盲波束优化算法包括如下步骤：
19、第一步，初始化种群以及算法相关参数设置，将初始化后的染色体对应的每块ris的相位编码通过上位机电脑传输给每块ris，采集信号接收设备的接收信号强度；
20、第二步，根据采集的接收信号强度，计算适应度函数，检查是否满足终止条件；
21、第三步，进行自然选择、交叉、变异操作，这一步选择出下一代种群的父辈个体，然后对选择出的个体的染色体进行交叉与变异的遗传操作；
22、第四步，再次进行自然选择，获得下一代种群，保留父辈中适应度较高的精英个体，让精英个体与下一代种群共同竞争，将这些个体染色体对应的每块ris的相位编码通过上位机电脑传输给每块ris，采集信号接收设备的接收信号强度，并计算适应度函数；然后根据适应度函数从中选择出下一代的幸存个体；返回第二步，如此循环迭代直到满足终止条件。
23、有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
24、1、本专利技术所提出的多ris辅助通信的无线信号增强系统，相较于普通的单ris辅助无线通信系统，可以极大的增加ris的有效面积，从而对接收设备的信号提升更大，能扩展的信号覆盖范围更广。
25、2、本专利技术所提出的多ris辅助通信的无线信号增强系统，相较于普通的单ris辅助无线通信系统，在保证全部ris有效面积不变的情况下，可以将单块ris拆分为多块ris进行部署，可以突破单块ris部署面积不足的限制，极大的增加了ris部署的灵活度。
26、3、本专利技术所提出的多ris辅助通信的无线信号增强系统使用上位机电脑对多块ris实现了协同控制，基于盲波束优化算法实现了对信号接收设备的信号提升，并且可以进一步简化本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多智能表面联合应用的无线信号增强系统，其特征在于：包括信号发射设备、多块RIS、驱动RIS的控制设备、控制多块RIS的上位机电脑以及信号接收设备；驱动RIS的设备控制与上位机电脑相连接，上位机电脑基于信号接收设备的信号强度，通过优化算法得到各个RIS的最佳相位编码，并传输到驱动RIS的控制设备，从而控制各个RIS切换到最佳的相位编码状态，RIS通过一次或多次反射将接收到的发射信号聚焦到信号接收设备位置。
2.根据权利要求1所述的一种多智能表面联合应用的无线信号增强系统，其特征在于：信号发射设备与信号接收设备之间不存在视距链路，信号发射设备的波束指向一块或多块RIS，RIS在控制设备的驱动下，对入射信号的反射方向进行调控，将反射信号的波束指向下一块RIS或者直接指向用户位置，在信号发射设备与信号接收设备之间构建非视距链路。
3.根据权利要求1所述的一种多智能表面联合应用的无线信号增强系统，其特征在于：所述多块RIS为两块以上RIS，各个RIS的工作极化与频率均与信号收发设备相一致，每块RIS都应至少具备波束调控的能力。
4.根据权利要求1
5.根据权利要求1所述的一种多智能表面联合应用的无线信号增强系统，其特征在于：所述控制多块RIS的上位机电脑与各个RIS的驱动设备通过有线或无线的方式连接。
6.根据权利要求1所述的一种多智能表面联合应用的无线信号增强系统，其特征在于：所述上位机电脑基于信号接收设备的信号强度，采用基于精英保留遗传算法的盲波束优化算法得到各个RIS的最佳相位编码，不需要对各个RIS之间、RIS与收发设备之间信道进行估计，也不需要信号接收设备的具体位置。
7.根据权利要求6所述的一种多智能表面联合应用的无线信号增强系统，其特征在于：所述基于精英保留遗传算法的个体编码方式为：
8.根据权利要求7所述的一种多智能表面联合应用的无线信号增强系统，其特征在于：所述基于精英保留遗传算法的目标函数为：
9.根据权利要求7所述的一种多智能表面联合应用的无线信号增强系统，其特征在于：所述基于精英保留遗传算法的目标函数为：
10.根据权利要求8或9所述的一种多智能表面联合应用的无线信号增强系统，其特征在于：所述基于精英保留遗传算法的盲波束优化算法包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种多智能表面联合应用的无线信号增强系统，其特征在于：包括信号发射设备、多块ris、驱动ris的控制设备、控制多块ris的上位机电脑以及信号接收设备；驱动ris的设备控制与上位机电脑相连接，上位机电脑基于信号接收设备的信号强度，通过优化算法得到各个ris的最佳相位编码，并传输到驱动ris的控制设备，从而控制各个ris切换到最佳的相位编码状态，ris通过一次或多次反射将接收到的发射信号聚焦到信号接收设备位置。
2.根据权利要求1所述的一种多智能表面联合应用的无线信号增强系统，其特征在于：信号发射设备与信号接收设备之间不存在视距链路，信号发射设备的波束指向一块或多块ris，ris在控制设备的驱动下，对入射信号的反射方向进行调控，将反射信号的波束指向下一块ris或者直接指向用户位置，在信号发射设备与信号接收设备之间构建非视距链路。
3.根据权利要求1所述的一种多智能表面联合应用的无线信号增强系统，其特征在于：所述多块ris为两块以上ris，各个ris的工作极化与频率均与信号收发设备相一致，每块ris都应至少具备波束调控的能力。
4.根据权利要求1所述的一种多智能表面联合应用的无线信号增强系统，其特征在于：所述驱动ris的控制设备...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈克，唐奎，冯一军，胡琪，赵俊明，姜田，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：
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