一种基于随机几何分布的智能超表面系统的速率分析方法

1.本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于随机几何的分布式智能超表面辅助的通信速率分析方法。


背景技术：

2.智能超表面易于灵活地部署在室内地墙壁或室外的公共设施上，因此，被认为是一项可以用无源设备获得大规模多输入多输出优势的技术延伸。然而智能超表面不应与放大转发中继辅助系统或后向散射通信相混淆，一方面具有固定移相器的传统天线阵列通常工作在半双工模式，因此难以从复杂的时变信道中动态地控制信号；相反地，智能超表面工作在全双工模式，从而不需要使用模数/数模转换器或功率放大器。由于智能超表面辅助技术辅助的无线网络构成中引入了无源器件，导致使用有源器件的传统网络中长久以来使用的诸多技术不再有效，包括并不限于：信道模型、硬件架构、无源波束成形、信道估计和节点部署等。
3.随机空间过程被认为是无线天线多元件部署最合适的分析工具，以阐明创新技术在无线网络中应用时的最终性能极限，并指导最优算法和协议的设计，以达到目标的最终极限。特别是，随机空间过程已多次成功地应用于蜂窝网络、多层蜂窝网络、毫米波蜂窝网络、多天线蜂窝网络、无线信息和功率传输、能量效率优化等方面的分析。然而，目前的研究均为考虑由于移动用户造成的基站与智能超表面切换造成的波束管理开销问题和溢出概率的研究。因此，本发明将使用随机几何框架来建模智能超表面的网络分布，针对用户外基础设施的智能超表面的覆盖性能。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是使用基于随机几何分布的智能超表面辅助的蜂窝协作传输通信系统的性能分析问题，提供了一种基于随机几何的智能超表面通信系统速率分析方法，直接有效地衡量系统性能。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种基于随机几何分布的智能超表面系统的速率分析方法，包括如下步骤：
6.步骤s1、构建初始移动用户影响下的分布式智能超表面系统的鲁棒性问题，建立网络与信道模型，令智能超表面的相移为当前估计的信道的负相位；
7.步骤s2、给出系统的初始可达速率的确定式，并进一步分别根据杰西不等式和概率密度函数的性质，将确定式转化为上界；
8.步骤s3、求得由于用户移动造成的垂直切换和波束选择的时间强度；
9.步骤s4、根据s3的结果，进一步获得总共的时间开销；
10.步骤s5、根据s2和s4的结果，获得最终的区域遍历可达速率的表达式。
11.进一步的，在所述步骤s1中，考虑移动用户造成的波束失准误差，建立网络与信道模型：
12.(1)确立网络拓扑结构，建立三维笛卡尔坐标系，其中每个智能超表面均是一个m
行n列配置构成的二维均匀平面阵列，所有智能超表面的水平位置由二维齐次柏松点过程建模，分布密度为λ(λ≥1)。当基站和用户之间的直达径被障碍物阻断时，用户可以连接基站所属小区内与用户最近的智能超表面，并且该智能超表面与用户的距离应不大于服务极限rc。在每个瞬时，每个智能超表面最多同时服务一个用户。
13.(2)用户在以速度v平行于智能超表面移动着，智能超表面由与基站无线连接的控制器触发，其第(m,n)个电磁配置的反射相移表示为从基站到第(m,n)个电磁配置、从第(m,n)个电磁配置到用户的基带等效通道分别用g
m,n
和h
m,n
表示。将级联的基站-智能超表面-用户信道建模成三个部分的串联，即基站-智能超表面链路、有相位反射的智能超表面和智能超表面-用户链路。假设通过信道估计可以在每个同步信号块周期得到通过每个智能超表面元素(m,n)的级联信道相位∠(g
m,nhm,n
)，则可设置来调整智能超表面的相移，使得这mn个反射路径信号在其所服务的用户接收机处具有相同的相位。然而，由于用户在沿着街道移动，引用的信道估计并不一定及时更新，需要的相移则并不能精确设置。为此，将智能超表面与理想相移的偏移建模成相位噪声τ
m,n
，分布在[-π,π)之间。此时，可将接收到的信号写作：
[0014][0015]
其中，|
·
|表示取模值，a
m,n
是经过智能超表面第(m,n)个电磁配置路径的振幅增益，p是传输端的发射功率，表示在参考距离为1米时的平均信道能量增益。x是传输符号，且其均值为0，w～cn(0,1)是标准化接收功率。r1和r2分别表示基站-智能超表面链路距离和智能超表面-用户链距离。τ
m,n
建模成一个均匀分布，记为τ
m,n
～u(-bπ,bπ)，0《b≤1表示相位偏移程度；|g
m,n
|和|h
m,n
|服从瑞利分布。
[0016]
进一步的，定义z
m,n
＝|g
m,n
||h
m,n
|和并根据中心极限定理，设定对于mn》100，h近似于高斯分布，其均值和方差可计算为：和我们得到智能超表面辅助的大型天线系统遍历可达效率为r1＝log(1+hh*)：根据杰森不等式，可将其重写为
[0017][0018]
其中，∈
i,j
＝τ
m,n-τ
i,j
。
[0019]
进一步的，在所述步骤s2中，根据概率论等工具，智能超表面辅助的大型天线系统遍历可达效率的上界为
[0020][0021]
在公式(3)中索引i和j不同时等于n和m。
[0022]
进一步的，在所述步骤s3中，求得由于用户移动造成的垂直切换vcc和波束选择的时间强度μb分别为：
[0023][0024][0025]
其中，r是每个智能超表面的服务半径，l是若基站/智能超表面的反射方向数。
[0026]
进一步的，在所述步骤s4中，进一步获得总共的时间开销；
[0027]
t
all
＝μbtb+μctc,#(6)
[0028]
在公式(6)中，tb是模式切换后，被该基站/智能超表面服务时所需要的重新选择波束的对准时间，包括周期性的同步信号块测量和同步信号块的接收机处理时间。tc是垂直切换后的波束扫描时间，包括周期性的同步信号块测量，同步信号块接收处理时间，以及由于模式切换和无线资源控制(rrc)重新配置而导致的切换中断时间。
[0029]
进一步的，在所述步骤s5中，根据s2和s4的结果，获得最终的区域遍历可达速率表达式；
[0030]rt
＝λr1max(0,1-t
all
),#(7)
[0031]
在公式(7)中，max(x,y)表示取x和y中的最大值。
[0032]
本发明的有益效果是：
[0033]
1、本发明构建了基于随机几何分布的智能超表面辅助链路的有效区域遍历速率性能分析模型，并导出了多链路的遍历速率的收敛溢出概率，计算复杂度低，能够有效且明确地评估系统性能。
[0034]
2、本发明构建了基于随机几何分布的智能超表面辅助链路的波束管理时间强度模型，求出总共的时间开销，能够有效且明确地评估系统性能。
附图说明
[0035]
图1为本发明提出的基于随机几何的分布式智能超表面辅助通信系统性能分析方法的系统框图；
[0036]
图2为实施例1中提供的一种分布式智能超表面系统的可达速率分析方法的仿真实验结果图。图3为随着智能超表面服务覆盖半径的变化而导致的模式切换次数。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和具体实施范例对本发明做进一步说明。
[0038]
本发明提供的一种基于随机几何分布的智能超表面系统的速率分析方法，包括如下步骤：
[0039]
步骤s1、构建初始移动用户影响下的分布式智能超表面系统的鲁棒性问题，建立网络与信道模型，令智能超表面的相移为当前估计的信道的负相位；
[0040]
为了验证本发明提出的模型，用数值方法研究智能超表面对切换的影响，以验证分析结果，检查精确表达式的近似的准确性。在模拟中，考虑一个由基站覆盖半径r为1000米的小区和智能超表面服务距离为r＝75米组成的二级网络，建立半径为1000米的观测区
域。然后，智能超表面被均匀地分布在相关区域内，以确保网络的总覆盖范围。由于智能超表面的分布遵循hppp，观测区的位置不影响分析。因此，将它设置在所考虑的区域的中心。
[0041]
(1)确立网络拓扑结构，建立三维笛卡尔坐标系，其中每个智能超表面均是一个m行n列配置构成的二维均匀平面阵列，所有智能超表面的水平位置由二维齐次柏松点过程建模，分布密度为λ(λ≥1)。当基站和用户之间的直达径被障碍物阻断时，用户可以连接基站所属小区内与用户最近的智能超表面，并且该智能超表面与用户的距离应不大于服务极限rc。在每个瞬时，每个智能超表面最多同时服务一个用户。
[0042]
(2)用户在以速度v平行于智能超表面移动着，智能超表面由与基站无线连接的控制器触发，其第(m,n)个电磁配置的反射相移表示为从基站到第(m,n)个电磁配置、从第(m,n)个电磁配置到用户的基带等效通道分别用g
m,n
和h
m,n
表示。将级联的基站-智能超表面-用户信道建模成三个部分的串联，即基站-智能超表面链路、有相位反射的智能超表面和智能超表面-用户链路。假设通过信道估计可以在每个同步信号块周期得到通过每个智能超表面元素(m,n)的级联信道相位∠(g
m,nhm,n
)，则可设置来调整智能超表面的相移，使得这mn个反射路径信号在其所服务的用户接收机处具有相同的相位。然而，由于用户在沿着街道移动，引用的信道估计并不一定及时更新，需要的相移则并不能精确设置。为此，将智能超表面与理想相移的偏移建模成相位噪声τ
m,n
，分布在[-π,π)之间。此时，可将接收到的信号写作：
[0043][0044]
其中，|
·
|表示取模值，a
m,n
是经过智能超表面第(m,n)个电磁配置路径的振幅增益，p是传输端的发射功率，表示在参考距离为1米时的平均信道能量增益。x是传输符号，且其均值为0，w～cn(0,1)是标准化接收功率。r1和r2分别表示基站-智能超表面链路距离和智能超表面-用户链距离。τ
m,n
建模成一个均匀分布，记为τ
m,n
～u(-bπ,bπ)，0《b≤1表示相位偏移程度；|g
m,n
|和|h
m,n
|服从瑞利分布。
[0045]
步骤s2、给出系统的初始可达速率的确定式，并进一步分别根据杰西不等式和概率密度函数的性质，将确定式转化为上界。定义z
m,n
＝|g
m,n
||h
m,n
|和并根据中心极限定理，设定对于mn》100，h近似于高斯分布，其均值和方差可计算为：和得到智能超表面辅助的大型天线系统遍历可达效率为r1＝log(1+hh
*
)：根据杰森不等式，可将其重写为
[0046][0047]
其中，∈
i,j
＝τ
m,n-τ
i,j
。
[0048]
根据概率论等工具，智能超表面辅助的大型天线系统遍历可达效率的上界为
[0049][0050]
在公式(3)中索引i和j不同时等于n和m。
[0051]
步骤s3、求得由于用户移动造成的垂直切换μc和波束选择的时间强度μb分别为：
[0052][0053][0054]
其中，r是每个智能超表面的服务半径，l是若基站/智能超表面的反射方向数。
[0055]
步骤s4、根据s3的结果，获得总共的时间开销：
[0056]
t
all
＝μbtb+μctc,#(6)
[0057]
在公式(6)中，tb是模式切换后，被该基站/智能超表面服务时所需要的重新选择波束的对准时间，包括周期性的同步信号块测量和同步信号块的接收机处理时间。tc是垂直切换后的波束扫描时间，包括周期性的同步信号块测量，同步信号块接收处理时间，以及由于模式切换和无线资源控制(rrc)重新配置而导致的切换中断时间。
[0058]
步骤s5、根据s2和s4的结果，获得最终的区域遍历可达速率的表达式：
[0059]rt
＝λr1max(0,1-t
all
),#(7)
[0060]
在公式(7)中，max(x,y)表示取x和y中的最大值。
[0061]
在模拟中，当用户从服务的基站切换到智能超表面时，或者当用户由于超出服务范围的事件与智能超表面断开后试图从基站寻求服务时，就会发生切换。为了消除干扰对智能超表面选择过程的影响，设定基站和智能超表面在不同的频率上运行。
[0062]
为了验证本实施例提供的性能分析的效果，所以进行了仿真实验，仿真实验所涉及的参数如下表所示：
[0063]
表1仿真实验参数表
[0064]
参数取值基站发射天线数1用户接收天线数1基站发射功率43dbm接收端加性高斯白噪声方差σ
2-80dbm信道衰落模型瑞利衰落信道波束选择开销tb23ms模式切换开销tc23ms用户移动速度v3km/h带宽w100mhz载波频率fc3.5ghz基站覆盖半径r1km智能超表面覆盖半径rc75m
[0065]
根据仿真结果，图2显示了遍历率与b的变化关系，可以看出性能损失随着b的增加而扩大。虽然更多的反射元素可以弥补这种损失，但b《0.7和mn＝400的情况优于mn＝100的理想情况。在图3中，展示了随着智能超表面服务覆盖半径的变化而导致的模式切换次数。随着智能超表面覆盖半径的增加，该移动用户穿过其服务区的概率也随之增加，当覆盖半
径增加超过一定数值之后，相邻的两个智能超表面会形成覆盖重叠区域，从而导致垂直切换的次数减少。同理，智能超表面部署密度的增加，也会导致用户更容易移入智能超表面的服务区，并在两者间水平切换，从而更快速的切换。
[0066]
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
[0067]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。