一种智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法与流程

本发明涉及一种智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法，属于无线通信的技术领域。

背景技术：

传统的无线通信系统关注发射机和接收机设计与优化，对于收发机之间的传播环境，由于发射机和接收机均无法控制，因而被认为是外部因素，只能被动适应，无法主动改造。近期，以智能反射表面为代表的新型人工电磁材料技术的进步，为无线通信系统主动改造传播环境，使其成为无线通信系统整体设计的一个可控组成部分，实现可编程无线环境，提供了可行的技术手段。

智能反射表面由大量密集排布的基本反射单元构成，每个反射单元都能够对入射电磁波产生独立、可控的幅度衰减、相位偏移、频率偏移等非自然效应，通过精心设计这些反射效应的取值，有可能用于辅助无线通信，提升系统的性能指标。目前，最常见的智能反射表面辅助无线通信方案是，将智能反射表面与通信系统相连并接受通信系统的控制，通过调节各反射单元的反射系数(一般是相位偏移)，使接收信号的功率达到最大值。在这个过程中，调节反射相位往往需要使用信道状态信息，这里的信道除了原有的发送端经不包括智能反射表面在内的传播路径到达接收端的信道，还新增了信号从发送端到达智能反射表面、从智能反射表面反射出的信号到达接收端所经历的两个信道。现有文献一般假设已知精确的瞬时信道状态信息，或者假设通过某些信道估计方法估计出非精确的瞬时信道状态信息，然后根据这些精确或非精确的瞬时信道状态信息，来设定某些目标函数并优化各个反射系数。但是，由于智能反射表面在反射信号时可看成无源被动器件，不具备信号接收和采样功能，其信息都折叠在接收端的低维观测信号中，因此，很难对与智能反射表面相关的入射和反射信道状态信息做出精确估计，特别地，当反射单元数量很大时，瞬时信道状态信息获取这一问题将变得更加困难，难以在实际系统中得到应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法，使用统计信道状态信息来设计智能反射表面的反射相位，使其在相当长的一段时间内保持稳定，从平均意义上使接收信号的功率达到最大，而非在任意时刻都达到最大。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法，包括以下步骤：

步骤1、由发送端向接收端发射导频信号，使接收端获取统计信道状态信息协方差矩阵∑in∈c^n×n和∑out∈c^n×n，其中σin是发送端到智能反射表面之间的统计信道状态信息协方差矩阵，σout是智能反射表面到接收端之间的统计信道状态信息协方差矩阵，c表示复数域，n是反射单元的数目；

步骤2、接收端根据获取的统计信道状态信息∑in∈c^n×n和∑out∈c^n×n，计算最优的反射相位n＝1,2,...,n，并通过有线或无线链路控制智能反射表面，使其第n个反射单元的反射相位等于最优的反射相位n＝1,2,...,n；

步骤3、当发送端或接收端的载波频率、相对空间位置，或者它们之间的无线传输环境发生改变而导致统计信道状态信息发生改变后，重复步骤1和步骤2。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤2中接收端计算最优的反射相位n＝1,2,...,n，步骤具体包括：

步骤s1、构造矩阵a∈c^n×n，其第[m,n]个元素为：a[m,n]＝∑in[n,m]∑out[m,n]，∑in[n,m]是统计信道状态信息协方差矩阵∑in的第[n,m]个元素，∑out[m,n]是统计信道状态信息协方差矩阵∑out的第[m,n]个元素；

步骤s2、初始化循环次数i←0，初始化反射相位n＝1,2,...,n，构造初始化反射系数向量其中[·]^t表示矩阵转置；计算初始化平均反射功率指标并设定循环终止条件；

步骤s3、判断循环终止条件，如果不满足，则重复以下操作，否则转到步骤s4:

步骤s3a、计算中间变量

步骤s3b、更新其中第n个元素可由如下闭合表达式得到：n＝1,2,...,n，其中符号|·|表示“·”的模值；

步骤s3c、计算平均反射功率指标

步骤s3d、更新循环次数i←i+1并转到步骤s3；

步骤s4、将当前的相位作为最优的反射相位n＝1,2,...,n进行输出，其中符号∠·表示取“·”的相位。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s2中初始化反射相位n＝1,2,...,n通过随机产生n个处于[0,2π)之间的角度完成。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s2中设定的循环终止条件为以下三种条件中的任意一个：

循环次数i达到设定的最大循环次数i；

平均反射功率指标j⁽ⁱ⁾在前后两次循环中的绝对增长量小于预先设定的指标ε，即j⁽ⁱ⁺¹⁾-j⁽ⁱ⁾＜ε；

平均反射功率指标j⁽ⁱ⁾在前后两次循环中的相对增长率小于预先设定的指标δ，即

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明提供一种智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法，它不依赖于精确的瞬时信道状态信息，而仅与信道的二阶统计特性即信道协方差矩阵有关，根据这些统计信道状态信息，本发明的方法在每一步迭代中，都具有简单的闭合表达式，因此，计算速度很快，可以很快跟随上信道统计特性的变化。相比于现有方法，具有如下优点：

(1)不依赖于快速变化、难以精确估计的瞬时信道状态信息，仅利用在较长时间内保持不变、易于精确获取的统计信道状态信息，因而降低了系统实现的难度，并能在平均意义下获得最佳接收信号质量。

(2)反射相位配置仅需要已知与智能反射表面有关的入射和反射信道的统计信息，而不需要已知从发射机到接收机但不经过智能反射表面反射的信道的统计信息，因而减小了待估计的变量个数。

(3)在反射相位配置过程中，每一步迭代中都只涉及简单的闭合表达式运算，可快速计算最优的反射相位，无矩阵求逆等复杂操作，因而计算量很低，在获取到统计信道状态信息后，能够快速更新反射系数配置，使得接收信号的功率在统计意义下达到最大，有利于系统快速匹配信道统计特性变化。

(4)在反射相位配置方案中，可以保证配置结果的收敛性，同时可以保证经过配置之后的信息传输性能优于随机配置相位的方法下的信息传输性能。

附图说明

图1是本发明智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法的流程图。

图2是本发明智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法计算最优反射相位的流程图。

图3是本发明实施例1中反射功率指标随迭代次数i的变化曲线示意图。

图4是本发明实施例2中反射功率指标随迭代次数i的变化曲线示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

本发明所适用的场景为：智能反射表面辅助无线通信系统，上行通信场景，包含一个发送端，一个接收端，以及一块或多块智能反射表面模块；发送端配置1根天线，接收端配置1根天线，所有智能反射表面模块一共含有总数为n的反射单元，所有智能反射表面模块都通过有线或无线链路与接收端相连并由接收端对每个反射单元n的反射系数相位θn，n＝1,2,...,n进行控制。发送端向接收端发送数据，发射信号经历两条路径到达接收端：一个是直接到达路径，瞬时信道冲激响应记为hd∈c，这里的c表示复数域；另一个是经过智能反射表面单元反射后到达接收端，瞬时信道冲激响应记为hr∈c，它包含三部分的级联：发送端到每个反射单元的信道冲激响应每个反射单元附加的相位偏移θn，n＝1,2,...,n，反射单元反射信号到达接收天线所经历的信道冲激响应因此，其中θ∈c^n×n是由n＝1,2,...,n构成的对角矩阵。

在通信过程中，接收端在任意时隙接收到的信号可以表示为：

其中，y∈c,x∈c,z∈c分别是接收信号、发送信号和噪声信号。由物理传播信道决定，无法调节，但是智能反射表面辅助无线通信系统却能主动调节θ从而改变合成的等效信道hr∈c，不同的θ将导致不同质量的接收信号。因此，系统设计的关键在于接收端如何根据接收信号以及信道状态信息，动态地调整反射单元的反射相位θn，n＝1,2,...,n，使得接收信号的平均功率达到最大值。现有文献都是假设瞬时信道状态信息和在接收端已知，然后由接收端来设计最优的反射相位。但是，由于反射单元数量n一般很大，在实际应用中难以快速准确估计出与其相关的瞬时信道状态信息和如果基于和来进行反射相位θ的配置，则在实际应用中无法适应无线信道快速变化的特性，造成系统性能无法达到预期。

针对这个问题，本发明提出使用统计信道状态信息来配置反射相位，所述统计信道状态信息是指和这两个信道的协方差矩阵和这些统计信道状态信息在较长时间内维持不变，可以准确估计出，根据这些统计信道状态信息，本发明还提出一种在每次迭代中都具有闭合表达式的方法来快速计算最优的反射相位θn，n＝1,2,...,n，使得接收信号的功率在统计意义下达到最大，即最大化

具体地，如图1所示，本发明提出的一种智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法，包括以下步骤：

步骤1、由发送端向接收端发射导频信号，使接收端获取统计信道状态信息协方差矩阵∑in∈c^n×n和∑out∈c^n×n，其中σin是发送端到智能反射表面之间的统计信道状态信息协方差矩阵，σout是智能反射表面到接收端之间的统计信道状态信息协方差矩阵，c表示复数域，n是反射单元的数目；

步骤2、接收端根据获取的统计信道状态信息协方差矩阵∑in∈c^n×n和∑out∈c^n×n，计算最优的反射相位n＝1,2,...,n，并通过有线或无线链路控制智能反射表面，使其第n个反射单元的反射相位等于最优的反射相位n＝1,2,...,n；

步骤3、当发送端或接收端的载波频率、相对空间位置，或者它们之间的无线传输环境发生改变而导致统计信道状态信息发生改变后，重复步骤1和步骤2，直至循环结束，以得到最优的反射相位输出。

其中，所述步骤2中接收端计算最优的反射相位n＝1,2,...,n，其过程如图2所示，具体包括：

步骤s1、构造矩阵a∈c^n×n，其第[m,n]个元素为：a[m,n]＝∑in[n,m]∑out[m,n]，∑in[n,m]是统计信道状态信息协方差矩阵∑in的第[n,m]个元素，∑out[m,n]是统计信道状态信息协方差矩阵∑out的第[m,n]个元素；

步骤s2、初始化循环次数i←0，初始化反射相位n＝1,2,...,n，构造初始化反射系数向量其中[·]^t表示矩阵转置；计算初始化平均反射功率指标并设定循环终止条件；

步骤s3、判断循环终止条件，如果不满足，则重复以下操作，否则转到步骤s4：

步骤s3a、计算中间变量

步骤s3b、更新其中第n个元素可由如下闭合表达式得到：n＝1,2,...,n，其中符号|·|表示“·”的模值；

步骤s3c、计算平均反射功率指标

步骤s3d、更新循环次数i←i+1并转到步骤s3；

步骤s4、将当前的相位作为最优的反射相位n＝1,2,...,n进行输出，其中符号∠·表示取“·”的相位。

优选地，所述步骤s2中初始化反射相位n＝1,2,...,n可以通过随机产生n个处于[0,2π)之间的角度来完成。

进一步地，所述步骤s2中设定的循环终止条件，可以为以下三种条件中的任意一个：循环次数i达到根据经验设定的最大循环次数i；平均反射功率指标j⁽ⁱ⁾在前后两次循环中的绝对增长量小于预先设定的指标ε，即j⁽ⁱ⁺¹⁾-j⁽ⁱ⁾＜ε；平均反射功率指标j^(t)在前后两次循环中的相对增长率小于预先设定的指标δ，即

由此，本发明通过使用统计信道状态信息来配置反射相位，仅使用统计信道状态信息的协方差矩阵，统计信道状态信息由于长时间维持不变，可以被准确地估计出来，并且，本方法在每次迭代中都具有闭合表达式的方法来快速计算最优的反射相位，使得接收信号的功率在统计意义下达到最大，能够快速更新反射系数配置。

为了验证本发明方法能够快速更新反射系数配置，现列举下述两个实施例进行验证说明。

实施例1：

本实施例给出了如何实现本发明所述的智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法。在本实施例中，智能反射表面的单元数量n＝256,在空间中呈有规律的分布，对应的统计信道状态信息协方差矩阵∑in具有一定的规律性，这里设定为常用的相关模型∑in[n,m]是统计信道状态信息协方差矩阵∑in的第[n,m]个元素，其中ρ是一个小于1的实数，表示相邻单元之间的相关系数，本实施例中ρ取为0.5，ρ^|m-n|表征∑in[m,n]的幅度值，只与单元序号m,n差值的绝对值有关，当差值绝对值变大时，∑in[m,n]也即第m,n单元间的相关性变小，是一个随机相位，均匀分布在[0,2π)之间，且即表示∑in[m,n]的相位，其中符号函数sign(m-n)当m>n时取值为1，m＝n时取值为0，m<n时取值为-1，它保证了∑in的共轭对称特性。另一个统计信道状态信息协方差矩阵∑out设定过程为与∑in相同。

接收端获得上述统计信道状态信息后，计算出最优的反射相位，具体进行如下操作：

步骤s1.构造矩阵a∈c^n×n，它的第[m,n]个元素是a[m,n]＝∑in[n,m]∑out[m,n]；

步骤s2.初始化循环次数i←0，依照[0,2π)间的均匀分布随机产生反射相位n＝1,2,...,n，构造初始化反射系数向量计算初始化平均反射功率指标并记录，设定循环终止条件为循环迭代次数达到最大循环次数i＝50次；

步骤s3.判断循环终止条件，如果不满足，则重复以下操作，否则转到s4：

步骤s3a.计算

步骤s3b.更新其中第n个元素由如下闭合表达式得到：n＝1,2,...,n，其中分母符号|·|表示“·”的模值；

步骤s3c.计算并记录平均反射功率指标

步骤s3d.更新循环次数i←i+1并转到s3；

步骤s4.将当前的相位作为最优的反射相位n＝1,2,...,n进行输出，∠·表示取“·”的相位。

接收端将智能反射表面配置成将上述最优反射相位，持续使用该相位直至发送端、接收端相对位置发生变化。将记录下的平均反射功率指标j⁽ⁱ⁾,i＝0,1,...,i画图得到图3。根据图3所示，使用本发明所提的反射系数配置方法后，接收端所获得的平均反射功率随迭代次数迅速增大，在大约6次时增长开始变慢，趋于收敛。在达到循环终止条件后，平均反射功率的值是初始值，也就是随机配置相位时的平均反射功率的4倍左右，说明了本发明的有效性。

实施例2：

本实施例给出了另一种如何实现本发明所述的智能反射表面辅助无线通信反射相位配置方法。在本实施例中，智能反射表面的单元数量n＝256,在空间中呈有规律的分布，对应的统计信道状态信息协方差矩阵∑in具有一定的规律性，这里设定为常用的相关模型∑in[n,m]是统计信道状态信息协方差矩阵∑in的第[n,m]个元素，其中ρ是一个小于1的实数，表示相邻单元之间的相关系数，本实施例中ρ取为0.9，ρ^|m-n|表征∑in[m,n]的幅度值，只与单元序号m,n差值的绝对值有关，当差值绝对值变大时，∑in[m,n]也即第m,n单元间的相关性变小，是一个随机相位，均匀分布在[0,2π)之间，且即表示∑in[m,n]的相位，其中符号函数sign(m-n)当m>n时取值为1，m＝n时取值为0，m<n时取值为-1，它保证了∑in的共轭对称特性。另一个统计信道状态信息协方差矩阵∑out设定为与∑in相同。

接收端获得上述统计信道状态信息后，计算出最优的反射相位，具体进行如下操作：

步骤s1.构造矩阵a∈c^n×n，它的第[m,n]个元素是a[m,n]＝∑in[n,m]∑out[m,n]；

步骤s2.初始化循环次数i←0，依照[0,2π)间的均匀分布随机产生反射相位n＝1,2,...,n，构造初始化反射系数向量计算初始化平均反射功率指标并记录，设定循环终止条件为当前迭代平均反射功率指标比前一次迭代时指标的增长率δ小于0.01，即

步骤s3.判断循环终止条件，如果不满足，则重复以下操作，否则转到s4:

步骤s3a.计算

步骤s3b.更新其中第n个元素由如下闭合表达式得到：n＝1,2,...,n，其中分母符号|·|表示“·”的模值。

步骤s3c.计算并记录平均反射功率指标

步骤s3d.更新循环次数i←i+1并转到s3；

步骤s4.将当前的相位作为最优的反射相位n＝1,2,...,n进行输出，其中符号∠·表示取“·”的相位；

接收端将智能反射表面配置成将上述最优反射相位，持续使用该相位直至发送、接收端相对位置发生变化。将记录下的平均反射功率指标j⁽ⁱ⁾画图得到图4。根据图4所示，使用本发明所提的反射系数配置方法后，接收端所获得的平均反射功率随迭代次数迅速增大，在迭代8次时满足循环终止条件，即循环终止后，平均反射功率的值是初始值，也就是随机配置相位时的平均反射功率的约8.3倍，说明了本发明的有效性。

综上，本发明的方法统计信道状态信息由于长时间维持不变，可以被准确地估计出来，减小了待估计的变量个数。并且，本方法在每次迭代中都具有闭合表达式的方法来快速计算最优的反射相位，使得接收信号的功率在统计意义下达到最大，能够快速更新反射系数配置，有利于系统快速匹配信道统计特性变化，可以保证配置结果的收敛性。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。