基于用户速率最大化的智能超表面位置设计方法

技术特征：

1.一种提升通信系统用户速率的智能超表面位置设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：在智能超表面辅助的通信系统中，将位置可变的智能超表面应用于用户和基站位置固定的通信系统中，分别得到在相同相移和不同相移情况下的信道模型；

步骤二：根据步骤一所得信道模型构建最大化用户速率的优化问题模型；

步骤三：在智能超表面具有不同相移情况下，将所得优化问题模型转换为凸优化问题，进一步利用拉格朗日函数方法得到基于用户速率最大化的最优智能超表面位置；

步骤四：此外，在智能超表面具有相同相移情况下，求解所得凸优化问题从而获得在该情况下基于最大化用户速率的智能超表面位置。

2.根据权利要求1所述的提升通信系统用户速率的智能超表面位置设计方法，其特征在于，步骤一中所述的智能超表面辅助的通信系统中，在不同相移条件下，基站到用户的信道可以表示为：

其中θdes＝θr，θt和分别表示从基站到智能超表面中心的仰角和方位角，θr和分别表示从智能超表面中心到用户的仰角和方位角，是理想的方向，λ是信号的波长，m与n分别表示智能超表面中行和列的单元数目，dx×dy为每个射频单元的大小，a为射频单元的幅值，d1和d2分别为基站到智能超表面的距离以及智能超表面到用户的距离，gt，gr，和g分别表示基站，用户和智能超表面的天线增益，功率辐射模式由下式给出

其中α≥0表示天线的方向性，并且一个较大的α表示更聚焦的波束或高度定向的天线，在相同相移情况下，考虑每个单元un,m具有相移φ，基站通过智能超表面到用户的信道为：

其中θ＝θr＝θt，θt和分别表示从基站到智能超表面中心的仰角和方位角，θr表示从智能超表面中心到用户的仰角和方位角。

3.根据权利要求1所述的提升通信系统用户速率的智能超表面位置设计方法，其特征在于，步骤二中所述构建的最大化用户速率的优化问题模型为：

其中θ＝θr＝θt，θt和分别表示从基站到智能超表面中心的仰角和方位角，θr表示从智能超表面中心到用户的仰角。

4.根据权利要求1所述的提升通信系统用户速率的智能超表面位置设计方法，其特征在于，所述步骤三中，在智能超表面具有不同相移元素的条件下，求解相应的凸优化问题，可得最优的智能超表面位置为：

其中

和为最优的仰角。

5.根据权利要求1所述的提升通信系统用户速率的智能超表面位置设计方法，其特征在于，所述步骤四中，在智能超表面具有相同相移的条件下，求解相应的凸优化问题，可得最优的智能超表面位置为：

(lx,ly,lz)＝(0,r2sinθ^*,r2cosθ^*),

其中θ^*为最优的仰角。

技术总结
本发明公开了一种提升通信系统用户速率的智能超表面位置设计方法。鉴于智能超表面规则的几何形状和轻巧的特性，使得其位置便于改变。因此，在智能超表面辅助的通信系统中，以最大化用户速率为目标建立并求解相应的优化问题，得到了最优智能超表面的位置。其中，由于相同相移的智能超表面总是比不同相移的智能超表面成本更低且不同相移的智能超表面则可以在任何所需方向上将反射信号对准到用户，故本方案分别给出了不同相移和相同相移的两种情况下智能超表面的最优位置。本发明所述方案能够实现较大程度地挖掘智能超表面改变用户信道的潜力，以提升所在通信系统的传输能力。

技术研发人员：黄永明;朱建月;林鸿鑫
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2021.03.17
技术公布日：2021.07.02