一种有源智能反射表面辅助通信系统模式选择方法

1.本发明是一种有源智能反射表面辅助通信系统模式选择方法，属于无线通信技术领域


背景技术：

2.智能反射表面(ris)是6g系统中关键的无线信道控制技术。ris是无源或有源反射单元的二维阵列。为了控制信号传播的方向和强度，ris可以调整反射信号的相位和幅度。通过智能地反映入射信号，ris可以提高信号质量，扩大覆盖范围，并提高无线通信系统的频谱效率。目前，ris辅助通信系统的研究重点主要集中在有源和无源波束形成上。这些研究将ris的所有反射单元视为一个集体，而没有考虑每个反射单元的具体位置和大小。反射单元的空间相关性很像天线，受传播环境和反射单元之间的距离的影响。因此，反射单元的距离或面积设计不当可能导致反射信号之间的相移和干扰。与传统的无源智能反射表面(pris)不同，有源智能反射表面(aris)可以克服“乘性衰落”效应，但也会产生额外的热噪声。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术不足而提供的一种有源智能反射表面辅助通信系统模式选择方法，配置每个反射单元，最大化系统接收端的信噪比，选择适当的传输模式，以有效提高系统性能。
4.为实现上述目的，本发明采用以下方法：
5.一种有源智能反射表面aris辅助通信系统模式选择方法，所述aris辅助通信系统包括发射端、能够选择开启或关闭放大模式的aris以及接收端；所述模式选择包括aris开启放大模式的辅助通信模式和aris关闭放大模式的辅助通信模式，具体方法步骤包括：
6.步骤1：在上一通信时隙末，获取发射端-aris、aris-接收端的路径损耗，发射端的发射功率，aris引入的热噪声功率和接收端处的噪声功率；
7.步骤2：获取aris反射单元阈值δ；
8.步骤3：在当前通信时隙初，根据aris反射单元面积和δ的比较结果，进行aris模式设置：当aris反射单元面积小于阈值δ时，aris开启放大模式，否则aris关闭放大模式；
9.步骤4：在当前通信时隙末，重复上述步骤，直至通信结束。
10.进一步地，步骤1中，所述的发射端-aris、aris-接收端之间的信道系数均服从于瑞丽衰落模型。
11.进一步地，步骤2中，所述的aris反射单元阈值δ的计算公式如下：
[0012][0013]
其中，p
max
表示aris开启放大模式时发射端最大的发射功率，表示aris最大的反射功率，表示aris关闭放大模式时发射端最大的发射功率；n表示aris反射单元的数
量，μh、μg分别表示发射端-aris、aris-接收端之间的路径损耗，σ2分别表示aris引入的热噪声功率和接收端处的噪声功率。
[0014]
进一步地，所述的aris反射单元阈值δ是使得aris开启、关闭放大模式时接收端的最大信噪比相等的反射单元的面积。
[0015]
进一步地，aris开启放大模式时接收端的最大信噪比的获取步骤如下：
[0016]
步骤201：当aris开启放大模式时，aris反射系数矩阵aris引入热噪声φz，接收端的接收信号表示为：
[0017][0018]
其中，β和θn分别表示反射单元的放大因子和相移，服从复高斯分布，in表示n
×
n的单位矩阵，0n表示n
×
1的零向量，p表示发射端的发射功率，x表示发射端的发射信号，g、h分别表示发射端-aris、aris-接收端之间的信道，表示接收端处的噪声；
[0019]
步骤202：受限于发射端和aris的功率约束，建立以下优化问题以最大化接收端的信噪比snr
aris
：
[0020][0021]
步骤203：利用拉格朗日乘数法对优化问题进行求解，p、θn的最优解分别为：
[0022][0023]
其中，hn、gn分别表示h、g的第n个子信道，∠表示子信道的相移；
[0024]
代入||φh||2＝β2nμhsn得到β的最优解：
[0025][0026]
其中，sn为aris第n个反射单元的面积；
[0027]
步骤204：根据大数定律，当n
→
∞时，||gφ||2＝β2nμgsn；代入优化问题得到接收端的信噪比最大为：
[0028][0029]
进一步地，aris关闭放大模式时接收端的最大信噪比的获取步骤如下：
[0030]
步骤205：当aris关闭放大模式时，aris反射系数矩阵受限于发射端的功率约束，建立以下优化问题以最大化接收
端的信噪比snr
pris
：
[0031][0032][0033]
其中，pb表示发射端的发射功率；
[0034]
步骤206：利用最佳相移设计
[0035]
代入优化问题得到接收端的信噪比最大为：
[0036][0037]
进一步地，使得snr'
aris
＝snr'
pris
成立的aris反射单元的面积即为反射单元阈值δ。
[0038]
本发明还提供一种基于如上所述的方法进行模式选择的系统，包括：
[0039]
参数获取模块，用于在上一通信时隙末，获取发射端-aris、aris-接收端的路径损耗，发射端的发射功率，aris引入的热噪声功率和接收端处的噪声功率；
[0040]
阈值计算模块，用于获取aris反射单元阈值δ；
[0041]
aris模式选择模块，用于在当前通信时隙初，根据aris反射单元面积和δ的比较结果，进行aris模式设置。
[0042]
本发明还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行如上所述的方法。
[0043]
本发明还提供一种有源智能反射表面辅助通信系统模式选择设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行如上所述方法的指令。
[0044]
本发明采用以上技术方法与现有方法相比，具有以下技术效果：本发明的一种有源智能反射表面辅助通信系统模式选择方法，一方面考虑了aris反射单元的配置及是否开启放大模式对系统性能的影响，建立aris辅助通信系统模型；另一方面，以系统接收端信噪比最大化为目标，对aris辅助通信系统的模式选择提供一种方法，可以有效提高aris辅助通信系统的性能。
附图说明
[0045]
图1为该方法aris辅助通信系统模型图；
[0046]
图2为一种有源智能反射表面辅助通信系统模式选择方法实验仿真。
具体实施方式
[0047]
为了使本发明的目的、技术方法和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
[0048]
根据本发明实施例提供的一种有源智能反射表面辅助通信系统模式选择方法，本
例系统模型如图1所示，该系统为aris辅助的通信系统，考虑到单天线的发射端(基站bs)和接收端(用户ue)之间的直接链路被阻塞，采用n个反射单元的aris来辅助通信。每个反射单元配置为水平宽度为lh，垂直宽度为lv的矩形，反射单元的面积为sn＝lhlv，n＝1,2
…
,n。其中，bs-aris、aris-ue之间的信道系数均服从于瑞丽衰落模型，路劲损耗分别为μh、μg。
[0049]
本发明的方法步骤具体如下：
[0050]
步骤201：当aris开启放大模式时，aris反射系数矩阵其中，θn∈[0,2π]分别表示有源单元的放大因子和相移，aris单元引入噪声为φz，服从复高斯分布。ue的接收信号表示为：
[0051][0052]
其中，p表示aris辅助通信系统中bs的发射功率，x表示bs发射信号，分别是bs-aris，aris-ue的信道。是ue处的噪声。
[0053]
步骤202：受限于bs和aris的功率约束，建立以下模型以最大化ue处信噪比snr
aris
：
[0054][0055]
s.t.c1:p≤p
max
[0056]
c2:其中，p
max
表示aris开启放大模式bs处最大的发射功率，表示aris最大的反射功率。
[0057]
步骤203：利用拉格朗日乘数法对优化问题进行求解，
[0058]
p
opt
＝p
max
[0059][0060]
代入||φh||2＝β2nμhsn得到
[0061][0062]
步骤204：根据大数定律，当n
→
∞时，
[0063]
||gφ||2＝β2nμgsn。
[0064]
代入优化问题得aris辅助siso系统ue处信噪比最大为：
[0065][0066]
步骤205：当aris关闭放大模式时，反射系数矩阵变为bs发射功率为pb。受限于bs功率约束，建立以下模型最大化ue处信噪比snr
pris
：
[0067][0068]
s.t.c1:
[0069]
步骤206：利用最佳相移设计
[0070][0071]
代入优化问题得aris辅助通信系统ue处信噪比最大为：
[0072][0073]
式中，表示aris关闭放大模式bs处最大的发射功率。
[0074]
步骤207：基于aris开启、关闭放大模式时系统获得的最大信噪比，当snr'
aris
＝snr'
pris
，所要求的反射单元的面积即是反射单元阈值，表示为：
[0075][0076]
步骤208：将aris表面反射单元面积和阈值δ进行比较，并为系统选择使得信噪比更大的模式进行辅助传输；
[0077][0078]
其中，当反射单元面积小于阈值δ时，aris开启放大模式辅助通信系统，否则aris关闭放大模式辅助通信。
[0079]
步骤209：在本通信时隙初，根据上一时隙末选择的传输模式，进行aris模式设置。
[0080]
步骤210：在本通信时隙末，重复上述步骤，直至通信结束。
[0081]
图2展示了反射单元面积对通信系统性能的影响和本发明提出的有源智能反射表面辅助通信系统模式选择方法。假设通信系统的功率预算有限，反射单元数量的n取值为512，可见aris的放大模式在n固定且反射单元面积较小时性能更好。这是因为aris可以克服pris辅助级联信道中的“乘性衰落”效应。然而，随着每个反射单元面积的增加，pris的性能超过了aris。这是因为aris的热噪声过大影响了信噪比。此外，曲线证实了本发明模型提出的一种有源智能反射表面辅助通信系统模式选择方法，它确保了系统的信噪比最大化。
[0082]
基于相同的技术方案，本发明还提供一种基于如上所述的方法进行模式选择的系统，包括：
[0083]
参数获取模块，用于在上一通信时隙末，获取发射端-aris、aris-接收端的路径损耗，发射端的发射功率，aris引入的热噪声功率和接收端处的噪声功率；
[0084]
阈值计算模块，用于获取aris反射单元阈值δ；
[0085]
aris模式选择模块，用于在当前通信时隙初，根据aris反射单元面积和δ的比较结果，进行aris模式设置。
[0086]
基于相同的技术方案，本发明还公开了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备
执行上述有源智能反射表面辅助通信系统模式选择方法。
[0087]
基于相同的技术方案，本发明还公开了一种有源智能反射表面辅助通信系统模式选择设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述有源智能反射表面辅助通信系统模式选择方法的指令。
[0088]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0089]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0090]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0091]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0092]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种有源智能反射表面aris辅助通信系统模式选择方法，其特征在于，所述aris辅助通信系统包括发射端、能够选择开启或关闭放大模式的aris以及接收端；所述模式选择包括aris开启放大模式的辅助通信模式和aris关闭放大模式的辅助通信模式，具体方法步骤包括：步骤1：在上一通信时隙末，获取发射端-aris、aris-接收端的路径损耗，发射端的发射功率，aris引入的热噪声功率和接收端处的噪声功率；步骤2：获取aris反射单元阈值δ；步骤3：在当前通信时隙初，根据aris反射单元面积和δ的比较结果，进行aris模式设置：当aris反射单元面积小于阈值δ时，aris开启放大模式，否则aris关闭放大模式；步骤4：在当前通信时隙末，重复上述步骤，直至通信结束。2.根据权利要求1所述的一种有源智能反射表面辅助通信系统模式选择方法，其特征在于，步骤1中，所述的发射端-aris、aris-接收端之间的信道系数均服从于瑞丽衰落模型。3.根据权利要求1所述的一种有源智能反射表面辅助通信系统模式选择方法，其特征在于，步骤2中，所述的aris反射单元阈值δ的计算公式如下：其中，p
max
表示aris开启放大模式时发射端最大的发射功率，表示aris最大的反射功率，表示aris关闭放大模式时发射端最大的发射功率；n表示aris反射单元的数量，μ
h
、μ
g
分别表示发射端-aris、aris-接收端之间的路径损耗，σ2分别表示aris引入的热噪声功率和接收端处的噪声功率。4.根据权利要求3所述的一种有源智能反射表面辅助通信系统模式选择方法，其特征在于，所述的aris反射单元阈值δ是使得aris开启、关闭放大模式时接收端的最大信噪比相等的反射单元的面积。5.根据权利要求4所述的一种有源智能反射表面辅助通信系统模式选择方法，其特征在于，aris开启放大模式时接收端的最大信噪比的获取步骤如下：步骤201：当aris开启放大模式时，aris反射系数矩阵aris引入热噪声φz，接收端的接收信号表示为：其中，β和θ
n
分别表示反射单元的放大因子和相移，服从复高斯分布，i
n
表示n
×
n的单位矩阵，0
n
表示n
×
1的零向量，p表示发射端的发射功率，x表示发射端的发射信号，g、h分别表示发射端-aris、aris-接收端之间的信道，l～cn(0,σ2)表示接收端处的噪声；步骤202：受限于发射端和aris的功率约束，建立以下优化问题以最大化接收端的信噪比snr
aris
：
步骤203：利用拉格朗日乘数法对优化问题进行求解，p、θ
n
的最优解分别为：其中，h
n
、g
n
分别表示h、g的第n个子信道，∠表示子信道的相移；代入||φh||2＝β2nμ
h
s
n
得到β的最优解：其中，s
n
为aris第n个反射单元的面积；步骤204：根据大数定律，当n
→
∞时，||gφ||2＝β2nμ
g
s
n
；代入优化问题得到接收端的信噪比最大为：6.根据权利要求5所述的一种有源智能反射表面辅助通信系统模式选择方法，其特征在于，aris关闭放大模式时接收端的最大信噪比的获取步骤如下：步骤205：当aris关闭放大模式时，aris反射系数矩阵受限于发射端的功率约束，建立以下优化问题以最大化接收端的信噪比snr
pris
：：其中，p
b
表示发射端的发射功率；步骤206：利用最佳相移设计步骤206：利用最佳相移设计代入优化问题得到接收端的信噪比最大为：7.根据权利要求6所述的一种有源智能反射表面辅助通信系统模式选择方法，其特征在于，使得snr'
aris
＝snr'
pris
成立的aris反射单元的面积即为反射单元阈值δ。8.一种基于如权利要求1至7中任一所述的方法进行模式选择的系统，其特征在于，包
括：参数获取模块，用于在上一通信时隙末，获取发射端-aris、aris-接收端的路径损耗，发射端的发射功率，aris引入的热噪声功率和接收端处的噪声功率；阈值计算模块，用于获取aris反射单元阈值δ；aris模式选择模块，用于在当前通信时隙初，根据aris反射单元面积和δ的比较结果，进行aris模式设置。9.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，其特征在于，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行如权利要求1至7中任一所述的方法。10.一种有源智能反射表面辅助通信系统模式选择设备，其特征在于，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1至7中任一所述方法的指令。

技术总结
本发明公开了一种有源智能反射表面(ARIS)辅助通信系统模式选择方法，包括：1)在上一通信时隙末，系统获取当前发射端-ARIS，ARIS-接收端的路径损耗，发射端的发射功率，ARIS引入的热噪声功率和接收端处的噪声功率；2)根据获取的系统参数，考虑发射端和ARIS的功率约束，计算阈值；3)将ARIS表面反射单元面积和阈值进行比较，并为系统选择使得接收端信噪比最大的模式进行辅助传输；4)在本通信时隙初，进行ARIS模式设置，并采用系统选择的ARIS模式进行辅助通信；5)在本通信时隙末，重复上述步骤，直至通信结束。本发明以系统接收端的信噪比最大化为目标，对ARIS是否采用放大模式辅助通信系统提供一种选择方法，可以有效提高ARIS辅助通信系统的性能。ARIS辅助通信系统的性能。ARIS辅助通信系统的性能。


技术研发人员：赵海涛 李龙泽 倪艺洋 夏文超 刘娅璇 刘淼 徐波
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/8/30