一种基于位置信息的多智能反射面辅助两跳中继无线通信方法及其系统与流程

1.本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于位置信息的多智能反射面辅助两 跳中继无线通信方法及其系统。


背景技术：

2.智能反射面被认为是一种很有前景的新技术，它常由大量无源的低成本反射元件组 成并通过自适应地配置每个元件的反射振幅和相位来智能地重新配置无线传播环境，从 而显著提高无线通信网络的性能。与传统的有源中继不同，智能反射面只需利用被动反 射而不需要任何发射射频链，因此其可大大降低硬件成本和能耗。此外，智能反射面能 够实现全双工被动波束成形，从而没有多余的天线噪声放大和自干扰。最后，智能反射 面具有额外的实际优势，如：较轻的重量和固定的几何形状，这也有利于其在无线网络 中的灵活和大规模部署。
3.智能反射面辅助的两跳中继系统在系统性能上要比智能反射面辅助的一跳系统好 得多，与此同时，智能反射面辅助的两跳中继系统能在一定程度上大幅度提高通信覆盖 范围。此外，多个智能反射面辅助的无线通信系统的性能也要比一个智能反射面辅助的 无线通信系统性能好，因为多个智能反射面可以提供多条链路来增强接收到的信号强 度，并且当其中一条或多条链路被某些障碍物阻塞时，分布在不同位置的多个智能反射 面提供的多条链路，可以减轻该情况所带来的影响。虽然多个智能反射面辅助通信可以 提高整体系统的性能，但是智能反射面个数的增加必然会导致高导频开销带来的系统净 遍历容量性能下降。面对该挑战，本申请需要设计一种基于位置信息的多个智能反射面 辅助的两跳中继无线通信方法及其系统来减少导频开销给系统性能带来的影响，同时本 申请仅通过位置信息即可最终选择出第一跳和第二跳的一组最优智能反射面。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于位置信息的多智能反 射面辅助两跳中继无线通信方法及其系统，用于权衡导频开销与净遍历容量大小。
5.为了达到上述目的，本发明提出的一种基于位置信息的多智能反射面辅助两跳中继 无线通信方法，包括如下步骤：
6.步骤201、多个智能反射面在基站和用户端之间分布式布设；基站，中继以及所有 的智能反射面布设位置在基站端全部已知；用户终端设备自带全球定位系统，从而其位 置信息通过信令反馈给基站已知；
7.步骤202、在第一跳中，基站根据已知的位置信息求出每一个智能反射面辅助第一 跳通信系统的平均信噪比，并按照平均信噪比的数值大小进行降序排序，第一跳的排序 集合可以表示为：n1＝{irs
11
,...,irs
1n
}，初始多个智能反射面集合为l1＝{irs
1n
}，设置 n＝1；
8.步骤203、在第二跳中，基站根据已知的位置信息求出每一个智能反射面辅助第二 跳通信系统的平均信噪比，并按照平均信噪比的数值大小进行降序排序，第二跳的排序 集合可以表示为：n2＝{irs
21
,...,irs
2n
}，初始多个智能反射面集合为l2＝{irs
2n
}，设 置n＝1；
9.步骤204、当n＝1时，选择集合l1和l2中的智能反射面分别辅助第一跳和第二跳进 行通信，基站端计算出此时整个系统的净遍历容量r；
10.步骤205、第一跳和第二跳按照其对应的排序集合依次往下选择智能反射面irs
1n
和 irs
2n
，n＝n+1，此时第一跳所选智能反射面集合为第二跳所选智能反 射面集合为计算出此时所选的多个智能反射面协助中继的两跳通信系 统的净遍历容量r
new
；
11.步骤206、将上述步骤204和步骤205计算得到的净遍历容量值进行比较，如果前 一个计算结果大于后一个计算结果，则结束计算过程转步骤207，否则将后一个计算结 果和所选智能反射面替换前一轮结果，即：r＝r
new
，和返回步骤205；
12.步骤207、在第一跳和第二跳分别选择出最优的一组智能反射面后，中继端同时向 基站和用户端发送导频进行信道估计；
13.步骤208、基站端估计到信道状态信息后，对所选的第一跳的一组智能反射面相位 进行调整，发送数据信号给中继端；
14.步骤209、中继端在获得反馈得到的信道状态信息后，对所选的第二跳的一组智能 反射面相位进行调整，将收到的数据转发给用户端；
15.步骤210、如若用户位置改变，则需对第二跳的智能反射面重新排序，并且第一跳 和第二跳的最优智能反射面皆要重新选择，转步骤203。
16.优选地，所述步骤202中，由第n个智能反射面(n≤n且n为智能反射面的总个 数)协助系统第一跳通信的平均信噪比公式在杰森不等式近似为：其中η
1n
是 第一跳中第n个智能反射面辅助通信的幅度，m为每个智能反射面阵元个数，p
b
是基站 端的发送功率，是第一跳中第n个智能反射面加性高斯白噪声的方差,d
br
是基站到中 继的距离，α是大尺度衰落因子，分别代表基站到排序中第n个智能反射面的 以及第n个智能反射面到中继链路的距离。
17.优选地，所述步骤204中，在第一跳和第二跳都只选一个智能反射面进行辅助通信 时，整个系统的净遍历容量可以表示为：其中t 为相干时间，m为智能反射面阵元个数，为此时的导频开销分式，γ
11
和γ
21
分 别为此时第一跳和第二跳的信噪比。
18.优选地，所述步骤205中，在第一跳和第二跳分别有所选的多个智能反射面集合
集合和中排序下一个智能反射面进行辅助通信，且计算出总系统的净遍历容量，与 上一个净遍历容量数值进行比较，重复步骤直到前一个计算结果大于后一个计算结果； 选择出每一跳的最优的一组智能反射面后，中继端分时隙将导频信号经过集合中所选 的智能反射面反射到基站端以及集合中所选的智能反射面反射到用户端，基站端和用 户端分别估计出该时隙下的信道，在所有时隙均发完后，中继再将导频信号通过直接链 路分别发送到基站端和用户端，最后用户端将所有估计好的信道通过反馈链路反馈给中 继端。
27.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
28.1.本发明利用智能反射面取代传统的放大转发，解码转发等无线通信系统中的中继 设备，通过近似无源、成本低廉的智能反射面反射信号以提供辅助链路，保证用户与基 站端的通信质量。
29.2.本发明通过对多个智能反射面的排序分两跳进行，减少了选择过程中的计算复杂 度。
30.3.本发明通过在基站端设计所选智能反射面的相位使其达到最优从而提升整个系 统的通信性能。
31.4.本发明通过对多个智能反射面进行调度，在考虑导频开销的情况下选择出最优的 几个智能反射面协助系统进行通信，为未来无线通信中应用多个智能反射面辅助的两跳 中继通信解决方案增加了可能性。
附图说明
32.图1为多个智能反射面辅助的两跳中继无线通信系统模型示意图；
33.图2为多个智能反射面辅助的两跳中继无线通信方法步骤的流程图；
34.图3为多个智能反射面辅助的两跳中继无线通信系统中中继端分别发送导频到基站 端和用户端的步骤流程图。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
36.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对 本发明进行详细描述。
37.参照图1
‑
图3，本发明提供了一种基于位置信息的多智能反射面辅助两跳中继无线 通信系统，所述通信系统由一个固定的单天线的基站端101、一个固定的单天线中继端 102、一个自由移动的单天线用户端103以及多个固定位置的智能反射面104组成，多 个所述智能反射面104在基站端101和用户端103之间随机分布式布设；所述用户端103 通过所选智能反射面104的级联链路105或直接链路106与基站端101连接。其中，多 个智能反射面在n个智能反射面中进行选择，每个智能反射面有m根天线。基站端101， 主要作用是信道估计，收发数据以及计算系统净遍历容量；中继端102，主要作用是接 收来自智能反射面反射的数据以及解码转发接收到的数据；用户端103，主要作用是信 道估计，反馈估计信道信息以及收发数据；智能反射面104，主要作用是反射中继端的 导频信号以及基站端和中继端发送的信号，其采用时分双工的工作模式；级联链路105， 主要作用是收发两端通过智能反
射面的反射来发送或接受信号；直接链路106，主要作 用是当智能反射面上的所有元件关闭时，收发两端用此来发送或接受信号。
38.参照图2，一种基于位置信息的多智能反射面辅助两跳中继无线通信方法，包括如 下步骤：
39.步骤201、多个智能反射面在基站和用户端之间分布式布设；基站，中继以及所有 的智能反射面布设位置在基站端全部已知；用户终端设备自带全球定位系统，从而其位 置信息通过信令反馈给基站已知；
40.步骤202、在第一跳中，基站根据已知的位置信息求出每一个智能反射面辅助第一 跳通信系统的平均信噪比，并按照平均信噪比的数值大小进行降序排序，第一跳的排序 集合可以表示为：初始多个智能反射面集合为设置 n＝1；
41.步骤203、在第二跳中，基站根据已知的位置信息求出每一个智能反射面辅助第二 跳通信系统的平均信噪比，并按照平均信噪比的数值大小进行降序排序，第二跳的排序 集合可以表示为：初始多个智能反射面集合为设 置n＝1；
42.步骤204、当n＝1时，选择集合和中的智能反射面分别辅助第一跳和第二跳进 行通信，基站端计算出此时整个系统的净遍历容量r；
43.步骤205、第一跳和第二跳按照其对应的排序集合依次往下选择智能反射面irs
1n
和 irs
2n
，n＝n+1，此时第一跳所选智能反射面集合为第二跳所选智能反 射面集合为计算出此时所选的多个智能反射面协助中继的两跳通信系 统的净遍历容量r
new
；
44.步骤206、将上述步骤204和步骤205计算得到的净遍历容量值进行比较，如果前 一个计算结果大于后一个计算结果，则结束计算过程转步骤207，否则将后一个计算结 果和所选智能反射面替换前一轮结果，即：r＝r
new
，和返回步骤205；
45.步骤207、在第一跳和第二跳分别选择出最优的一组智能反射面后，中继端同时向 基站和用户端发送导频进行信道估计；
46.步骤208、基站端估计到信道状态信息后，对所选的第一跳的一组智能反射面相位 进行调整，发送数据信号给中继端；
47.步骤209、中继端在获得反馈得到的信道状态信息后，对所选的第二跳的一组智能 反射面相位进行调整，将收到的数据转发给用户端；
48.步骤210、如若用户位置改变，则需对第二跳的智能反射面重新排序，并且第一跳 和第二跳的最优智能反射面皆要重新选择，转步骤203。
49.具体的，步骤202中，由第n个智能反射面(n≤n且n为智能反射面的总个数) 协助系统第一跳通信的平均信噪比公式在杰森不等式近似为：其中η
1n
是 第一跳中第n个智能反射面辅助通信的幅度，m为每个智能反射面阵元个数，p
b
是基站 端的发送功率，是第一跳中第n个智能反射面加性高斯白噪声的方差,d
br
是基站到中 继的距
离，α是大尺度衰落因子，分别代表基站到排序中第n个智能反射面的 以及第n个智能反射面到中继链路的距离。
50.具体的，步骤204中，在第一跳和第二跳都只选一个智能反射面进行辅助通信时， 整个系统的净遍历容量可以表示为：其中t为 相干时间，m为智能反射面阵元个数，为此时的导频开销分式，γ
11
和γ
21
分 别为此时第一跳和第二跳的信噪比。
51.具体的，步骤205中，在第一跳和第二跳分别有所选的多个智能反射面集合和后，整个系统的净遍历容量计算公式可以表示为： 其中和分别为集合和 中所选的智能反射面的个数，且中所选的智能反射面的个数，且为此时导频开销的分 式，m为智能反射面的元件个数且n＜m，通过杰森不等式，求遍历容量的问题可以 转化为求平均信噪比均值和的问题；在第一跳中由第n个智能反射面辅助 通信的平均信噪比可以近似表示为：其 中第二跳同理，由于基站、中继、用户以及各个智能反射 面的位置是已知的，则所选的多个智能反射面协助中继的两跳通信系统的净遍历容量根 据上述公式很容易计算。
52.参照图3，具体的，在步骤207中，其具体步骤如下：
53.步骤301、中继分时隙发送导频信号，在第一个时隙中，基站分别通过集合和中的智能反射面，使其打开反射面的第一个反射元件；
54.步骤302、第一个反射元件的振幅为1，相位为0，导频信号经过集合的智能反 射面上的第一个元件反射到基站端，基站端通过最小均方误差(mmse)方法估计出该 时隙下的信道，同时，导频信号经过集合的智能反射面上的第一个元件反射到用户端， 用户端通过最小均方误差(mmse)方法估计出该时隙下的信道；
55.步骤303、在下一个时隙中，基站通过智能反射面控制器控制集合和中排序第 一的智能反射面，使其关闭前一个反射元件，打开反射面下一个反射元件，设置其反射 幅度为1，相位为0；导频信号分别经过集合和中排序第一的智能反射面反射到基 站端和用户端，基站端和用户端使用mmse估计出下一个时隙的信道；
56.步骤304、重复步骤303直到集合和中的智能反射面的反射面上每一行的所有 元件按照同一次序打开一遍；
57.步骤305、智能反射面上的所有元件都关闭后，中继再将导频通过直接链路分别发 送到基站端和用户端，用户端再将估计出的信道全部反馈给中继以便下一步通信。
58.除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成 的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。