基于两层时延线的太赫兹多智能反射面通信波束优化方法与流程

1.本发明涉及太赫兹通信技术领域，特别是指一种基于两层时延线的太赫兹多智能反射面通信波束优化方法。


背景技术：

2.为了达到每秒太比特(tb/s)的数据速率，未来的6g网络预计将利用拥有超宽带宽的太赫兹频率(0.1-10thz)。然而，太赫兹信号存在严重的路径损耗和较差的衍射能力，难以实现理想的覆盖范围。通过大规模多输入多输出(mimo)和可重构智能反射面(ris)技术可以解决这一问题。具体而言，一方面，由于太赫兹信号波长较小，天线的物理孔径有望非常小，所以大规模天线阵列可用于太赫兹通信，支持产生非常窄的波束和非常高的阵列增益，可以显著补偿严重的路径损耗；另一方面，利用ris作为发射机和接收机之间的无源中继，建立了一条新的非视距链路，解决了太赫兹信号衍射能力差的问题。
3.大规模mimo意味着全数字波束形成因其巨大的功耗而不易实现，这就需要使用混合波束形成解决，包括数字/模拟波束形成。其中模拟波束形成最重要的功能是产生定向波束以补偿太赫兹信号严重的路径损耗。为了实现这一目标，需要对不同天线单元的相移进行补偿。应用最广泛的相移元件是模拟移相器。通常，移相器所需的相移由载波频率决定。对于频率范围小的窄带系统，这不是问题。然而，在频率范围大的宽带系统中，由于移相器只能实现与频率无关的相移，它产生的波束可能向周围方向分散，从而导致波束色散问题。
4.在riss辅助的宽带太赫兹mimo通信系统中，ris端也存在波束色散问题。具体而言，由于ris通常也配备了与频率无关的移相电路，因此ris辅助通信只能进行与频率无关的预编码。由于ris的部署方式对波束色散效应有重要影响。一方面，ris的单元数越多，使得用户可以更好地接收基站发送的信号；另一方面，ris的单元数越多波束色散影响越大。


技术实现要素：

5.针对上述背景技术中存在的不足，本发明提出了一种基于两层时延线的太赫兹多智能反射面通信波束优化方法，解决波束色散问题的同时更好地权衡性能和硬件成本。
6.本发明的技术方案是这样实现的：
7.一种基于两层时延线的太赫兹多智能反射面通信波束优化方法，其步骤如下：
8.步骤一：搭建分布式riss辅助宽带太赫兹mimo通信系统，其中，bs包含n个天线的均匀线性阵列和n
rf
个射频链为k个单天线用户提供服务，且n≥n
rf
；
9.步骤二：在bs端采用两层时延线来产生模拟波束形成矩阵；
10.步骤三：根据模拟波束形成矩阵计算用户的可达速率，并将最大化用户的可达速率作为目标函数；
11.步骤四：设计联合波束形成模型，根据联合波束形成模型和交替迭代优化算法对目标函数进行优化求解，得到数字波束形成和ris的反射系数。
12.步骤二的实现方法为：
13.首先，将由p个天线组成的子阵列连接到第一层的时延线；然后，k
l
个子阵列合成孔径较小的初级阵列，并与第二层的时延线连接；最后，由kh个初级阵列组成大孔径的阵列；其中，第一层的时延线的比特数为p
l
，第二层的时延线的比特数为ph；
14.部署r个riss，且定义作为riss的索引集；所有的riss具有相同的大小，每个ris由一个均匀的平面阵列组成，单元数为n
ris
＝m
x
×my
，其中，m
x
表示每个ris的行数，my表示每个ris的列数；定义为行上的元素索引集，为列上的元素索引集；
15.假设射频链的个数n
rf
等于ris的个数，即n
rf
＝r，其中，每个ris由一个射频链产生的波束提供服务；采用m个子载波正交频分复用实现可靠的宽带传输；第m个子载波对应的频率为其中，fc为中心频率，b是带宽；
16.bs与第k个用户在第m个子载波上的等效信道h
m,k
表示为：
[0017][0018]
其中，是第m个子载波上bs到第r个ris之间的信道矩阵，是第m个子载波上第k个用户与第r个ris之间的信道，是第r个ris的反射系数对角矩阵，是第r个ris的反射系数对角矩阵，表示反射幅度，φr表示反射相移；
[0019]
根据等效信道h
m,k
计算第k个用户在第m个子载波上的接收信号y
m,k
：
[0020][0021]
其中，f＝faf
lfh
为两层的时延线结构实现的模拟波束形成矩阵；均表示数字波束形成向量，是第m个子载波上的第k个用户的加性高斯白噪声，为方差；s
m,k
为第m个子载波上的第k个用户的信息，s
m,j
为第m个子载波上的第j个用户的信息；
[0022][0023]
其中，其中，表示p个移相器通过第k
l
个时延线和第kh个时延线连接到第n
rf
个射频链所产生的波束形成向量；表示第一层时延线网络实现的频变相移，即：
[0024][0025]
其中，是由连接到第n
rf
个射频链和第kh个时延线下k
l
个时延线实现的时延向量；为第二层时延线网络实现的频变相
移为：
[0026][0027]
其中，是由连接到第n
rf
个射频链下的kh个时延线实现的时延向量。
[0028]
所述信道矩阵g
r,m
的表达式为：
[0029][0030]
其中，l1表示路径数，表示到达第r个ris处的第l1条路径的增益，表示到达第r个ris处的第l1条路径的延迟，表示bs处的阵列响应向量，为为是从bs到第r个ris的第l1条路径的物理方向，表示ris处的阵列响应向量，表示第l1条路径在第r个ris到达角的方位角，表示第l1条路径在第r个ris到达角的仰角；
[0031]
所述分别表示为：
[0032][0033][0034]
其中，c是光速，d是两个连续天线之间的距离，d＝λc/2，λc表示对应中心频率fc的波长；n表示第n个天线单元；
[0035]
所述第m个子载波上第k个用户与第r个ris之间的信道为：
[0036][0037]
其中，l2表示路径个数，表示从第r个ris到第k个用户的第l2条路径的增益，表示从第r个ris到第k个用户的第l2条路径的延迟；为ris处的发射阵列响应向量，表达式为：
[0038][0039]
其中，表示从第r个ris到第k个用户的第l2条路径离开角的方位角，表示从第r个ris到第k个用户的第l2条路径离开角的仰角。
[0040]
所述用户的可达速率为：
[0041][0042]
其中，为第k个用户在第m个子载波上的sinr。
[0043]
所述目标函数的获得方法为：
[0044]
对于第一层的时延线和第二层的时延线，采用均匀量化方法分别产生和个离散值；因此，离散的时延值和分别表示为：
[0045][0046][0047]
其中，d表示时延步进量；
[0048]
对于移相器，设置b比特量化相移，由移相器产生的波束形成向量为：
[0049][0050]
将ris的反射系数进行离散化，得到离散值：
[0051][0052]
其中，q表示每个ris包含2q个离散相移；因此，最大化可达速率的目标函数为：
[0053][0054]
其中，θ＝diag(φ1,
…
,φr)，p
max
为基站最大发射功率。
[0055]
所述对目标函数进行优化求解的方法为：
[0056]
s41、设计联合波束形成模型：
[0057]
根据下式计算出第一层第k
l
个时延线和第二层第kh个时延线的最优时延：
[0058][0059][0060]
其中，td表示两个连续天线之间的时间延迟，θ0表示目标的方向；
[0061]
根据近似原理，将求解出的分别映射到集合和中的元素上，分
别表示为：
[0062][0063][0064]
其中，τ1是中的元素，τ2是中的元素；通过上述映射可以得到两层时延线的次优解；
[0065]
由于阵列响应向量为等幅相位，可作为fa的列，其中的列，其中由下式得到：
[0066][0067]
其中，是在中心频率fc处从bs到第r个ris的第l1条路径的空间方向；a1→
p
表示阵列响应向量；同样，将解出的相移投影到离散值集合可以写为：
[0068][0069]
通过上式可以得到移相器的次优解；
[0070]
s42、固定θ优化d
m,k
：
[0071]
在给定fa,f
l
,fh的情况下，目标函数p1可以重新表示为优化问题p2：
[0072][0073]
对于第k个用户在第m个子载波上的等效信道向量可以写成基于sherman-morrison-woodbury公式的扩展，得到：
[0074][0075]
所以优化问题p2可以转化为p3：
[0076][0077]
p3中的和分别为：
[0078][0079][0080]
其中，
[0081][0082][0083]
通过数值凸规划求解器对p3进行求解，直至收敛，得到数字波束形成向量的局部最优解；
[0084]
s43、固定d
m,k
优化θ：
[0085]
由于将p3转化为优化问题p4：
[0086][0087]
假设并定义一个包含所有单元反射系数的向量，即设置q＝1比特；将优化问题p4转化为p5：
[0088][0089]
设计反射矩阵的cua算法，在优化过程中其中i代表当前迭代次数，i-1代表前一次的迭代次数；
[0090]
利用反射矩阵的cua算法对p5进行求解，直至r
sum
收敛，输出反射系数矩阵θ。
[0091]
所述利用反射矩阵的cua算法对p5进行求解的方法为：
[0092]
s43.1、输入：信道矩阵f
r,m,k
,g
r,m
；模拟预编码f；数字预编码d
m,k
；迭代次数io；
[0093]
s43.2、初始化：
[0094]
s43.3、令则
[0095]
s43.4、将向量φ1变换为反射矩阵θ1；
[0096]
s43.5、令则
[0097]
s43.6、将向量φ2变换为反射矩阵θ2；
[0098]
s43.7、利用公式q＝argmax
q＝1,2
{r
sum
(θq)}计算q的值，并赋值θ＝θq；
[0099]
s43.8、循环执行步骤s43.3～s43.7，直至达到最大迭代次数，输出反射系数矩阵θ。
[0100]
与现有技术相比，本发明产生的有益效果为：
[0101]
1)本发明基于分层结构，将可以实现大延时的时延线和小延时的时延线相结合，以尽可能减少大延时的时延线数量，以提高实际可行性并降低硬件复杂度。
[0102]
2)部署了分布式小规模ris来缓解ris端的波束分裂效应，可以有效缓解波束色散问题，并能获得接近最优的可达速率性能。
附图说明
[0103]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0104]
图1为本发明的分布式riss辅助宽带太赫兹mimo通信系统框图。
[0105]
图2为不同时延步长d下的可达速率与最大发射功率的关系。
[0106]
图3为不同迭代次数的可达速率。
[0107]
图4为离散移相器条件下，不同迭代次数的可达速率。
具体实施方式
[0108]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0109]
本发明实施例提供了一种基于两层时延线的太赫兹多智能反射面通信波束优化方法，基于分层结构，将可以实现大延时的时延线和小延时的时延线相结合，以尽可能减少大延时的时延线数量。两层时延线结构中，由天线单元和移相器连接到第一层时延线形成阵列孔径较小的子阵列。然后，将孔径较小的子阵列接入第二层时延线，合成孔径较大的天线阵列。特别地，不同层的时延线只需要补偿该层子阵列孔径产生的延时，即第一层时延线和第二层时延线分别为小孔径阵列和大孔径阵列提供相位控制，剩余相移由移相器补偿。在两层时延线架构中，可以大大减少所需的大延时时延线的数量，以提高实际可行性并降低硬件复杂度。
[0110]
具体步骤如下：
[0111]
步骤一：搭建分布式riss辅助宽带太赫兹mimo通信系统，如图1所示，其中，bs和用户之间的直接路径被阻塞；bs包含n个天线的均匀线性阵列和n
rf
个射频链为k个单天线用户提供服务，且n≥n
rf
。
[0112]
步骤二：在bs端采用两层时延线来产生模拟波束形成矩阵；具体来说，首先，将由p个天线组成的子阵列连接到第一层的时延线；然后，k
l
个子阵列合成孔径较小的初级阵列，并与第二层的时延线连接；最后，由kh个初级阵列组成大孔径的阵列；其中，第一层的时延
线的比特数为p
l
，第二层的时延线的比特数为ph。
[0113]
此外，部署r个riss，且定义作为riss的索引集；假设所有的riss具有相同的大小，每个ris由一个均匀的平面阵列组成，单元数为n
ris
＝m
x
×my
，其中，m
x
表示每个ris的行数，my表示每个ris的列数；定义为行上的元素索引集，为列上的元素索引集。
[0114]
假设射频链的个数n
rf
等于ris的个数，即n
rf
＝r，其中，每个ris由一个射频链产生的波束提供服务；采用m个子载波正交频分复用(ofdm)实现可靠的宽带传输；第m个子载波对应的频率为其中，fc为中心频率，b是带宽。
[0115]
bs与第k个用户在第m个子载波上的等效信道h
m,k
表示为：
[0116][0117]
其中，是第m个子载波上bs到第r个ris之间的信道矩阵，是第m个子载波上第k个用户与第r个ris之间的信道，是第r个ris的反射系数对角矩阵，是第r个ris的反射系数对角矩阵，表示反射幅度，φr表示反射相移。假设反射系数的幅值采用了saleh-valenzuela太赫兹信道模型，信道矩阵g
r,m
的表达式为：
[0118][0119]
其中，l1表示路径数，表示到达第r个ris处的第l1条路径的增益，表示到达第r个ris处的第l1条路径的延迟，表示bs处的阵列响应向量，为的
……
，是从bs到第r个ris的第l1条路径的物理方向，表示ris处的阵列响应向量，表示第l1条路径在第r个ris到达角的方位角，表示第l1条路径在第r个ris到达角的仰角.
[0120]
所述分别表示为：
[0121][0122][0123]
其中，c是光速，d是两个连续天线之间的距离，d＝λc/2，λc表示对应中心频率fc的波长；n表示第n个天线单元。
[0124]
所述第m个子载波上第k个用户与第r个ris之间的信道为：
[0125][0126]
其中，l2表示路径个数，表示从第r个ris到第k个用户的第l2条路径的增益，表示从第r个ris到第k个用户的第l2条路径的延迟；为ris处的发射阵列响应向量，表达式为：
[0127][0128]
其中，表示从第r个ris到第k个用户的第l2条路径离开角的方位角，表示从第r个ris到第k个用户的第l2条路径离开角的仰角。
[0129]
根据等效信道h
m,k
计算第k个用户在第m个子载波上的接收信号y
m,k
：
[0130][0131]
其中，f＝faf
lfh
为两层的时延线结构实现的模拟波束形成矩阵；均表示数字波束形成向量，是第m个子载波上的第k个用户的加性高斯白噪声，为方差；s
m,k
为第m个子载波上的第k个用户的信息，满足e[|s
m,k
|2]＝1；s
m,j
为第m个子载波上的第j个用户的信息；
[0132][0133]
其中，其中，表示p个移相器通过第k
l
个时延线和第kh个时延线连接到第n
rf
个射频链所产生的波束形成向量；表示第一层时延线网络实现的频变相移，即：
[0134][0135]
其中，是由连接到第n
rf
个射频链和第kh个时延线下k
l
个时延线实现的时延向量；为第二层时延线网络实现的频变相移为：
[0136][0137]
其中，是由连接到第n
rf
个射频链下的kh个时延线实现的时延向量。
[0138]
步骤三：根据模拟波束形成矩阵计算用户的可达速率，并将最大化用户的可达速率作为目标函数；
[0139]
第k个用户在第m个子载波上的sinr可以计算为：
[0140][0141]
所述用户的可达速率为：
[0142][0143]
考虑到实际的硬件限制，时延线和移相器只能实现离散的时延和相移。对于第一层的时延线和第二层的时延线，采用均匀量化方法分别产生和个离散值；因此，离散的时延值和分别表示为：
[0144][0145][0146]
其中，d表示时延步进量。
[0147]
对于移相器，设置b比特量化相移，由移相器产生的波束形成向量为：
[0148][0149]
将ris的反射系数进行离散化，得到离散值：
[0150][0151]
其中，q表示每个ris包含2q个离散相移；因此，最大化可达速率的目标函数为：
[0152][0153]
其中，θ＝diag(φ1,
…
,φr)，p
max
为基站最大发射功率。p1的目标是通过联合优化反射系数矩阵θ、频率无关波束形成矩阵fa、频率相关相移f
l
和fh以及数字波束形成向量d
m,k
来最大化可达速率。第一个约束条件为总发射功率约束，由于fa、fh、fh和d
m,k
的耦合，功率约束是非凸的。此外，其余的约束条件将优化参数限制为离散值。因此，问题p1是一个np-hard问题，目前还没有一个标准的方法来有效地求得其全局最优解。本发明将提出一种有效的算法来解决这个问题。
[0154]
步骤四：设计联合波束形成模型，根据联合波束形成模型和交替迭代优化算法对目标函数进行优化求解，得到数字波束形成和ris的反射系数。
[0155]
本发明提出了联合波束形成框架来解决优化问题。为了求解p1，首先根据不同的riss物理方向，设计了包含移相器和两层时延线框架下的模拟波束形成；然后提出一种交替迭代优化算法求解数字波束形成和ris的反射系数。具体算法细节如下：
[0156]
s41、设计联合波束形成模型：
[0157]
模拟波束形成矩阵为f＝faf
lfh
由移相器和两层时延线共同实现。首先设计了由时延线网络实现的频率相关相移；针对离散时延的非凸约束问题，采用近似投影方法。根据下式计算出第一层第k
l
个时延线和第二层第kh个时延线的最优时延：
[0158][0159][0160]
其中，td表示表示两个连续天线之间的时间延迟，θ0表示目标的方向。
[0161]
根据近似原理，将求解出的分别映射到集合和中的元素上，分别表示为：
[0162][0163][0164]
其中，τ1是中的元素，τ2是中的元素；通过上述映射可以得到两层时延线的次优解。
[0165]
在此基础上，移相器可用于补偿前层时延线网络的剩余相移，并产生与riss物理方向一致的波束。由于阵列响应向量为等幅相位，可作为fa的列，其中的列，其中由下式得到：
[0166][0167]
其中，是在中心频率fc处从bs到第r个ris的第l1条路径的空间方向；a1→
p
表示阵列响应向量；同样，将解出的相移投影到离散值集合可以写为：
[0168][0169]
通过上式可以得到移相器的次优解。
[0170]
s42、固定θ优化d
m,k
：
[0171]
在给定fa,f
l
,fh的情况下，目标函数p1可以重新表示为优化问题p2：
[0172]
[0173]
然而，由于目标函数的非凸性，问题p2仍然很难解决。反射系数矩阵θ和数字波束形成向量d
m,k
的联合优化是一个难点。因此，提出了一种交替迭代优化算法来寻找该问题的可行解。具体地，对于给定的反射系数矩阵θ，本发明提出了一种基于最小均方误差(mmse)技术的迭代算法来获得数字波束形成向量d
m,k
。然后采用协调更新算法(cua)获取ris的反射系数矩阵。最后，通过重复上述过程直至收敛得到最终的数字波束形成向量和ris的反射系数矩阵。
[0174]
对于第k个用户在第m个子载波上的等效信道向量可以写成基于sherman-morrison-woodbury公式的扩展，得到：
[0175][0176]
所以优化问题p2可以转化为p3：
[0177][0178]
p3中的和分别为：
[0179][0180][0181]
其中，
[0182][0183][0184]
通过数值凸规划求解器对p3进行求解，直至收敛，得到数字波束形成向量的局部最优解；特别地，由于得到的是p3在第i次迭代时的最优解，迭代更新这些变量会增加或保持目标函数的值。因此，该算法至少会收敛到一个局部最优解。
[0185]
s43、固定d
m,k
优化θ：
[0186]
在得到数字波束形成向量d
m,k
和模拟波束形成矩阵f之后，考虑ris的反射矩阵。
[0187]
由于将p3转化为优化问题p4：
[0188][0189]
为简化表达式，假设并定义一个包含所有单元反射系数的向量，即在不失一般性的情况下，设置q＝1比特；将优化问题p4转化为p5：
[0190][0191]
设计反射矩阵的cua算法细节如下算法1所示。在优化过程中其中i代表当前迭代次数，i-1代表前一次的迭代次数；考虑到实际集合中离散相移值的数量通常有限，一维搜索是非常有效的。利用反射矩阵的cua算法对p5进行求解，直至r
sum
收敛，输出反射系数矩阵θ。
[0192][0193]
实验仿真：对所提出的两层时延线方案在宽带太赫兹分布式riss辅助通信系统中的性能进行仿真评估。在本系统中，基站位于(50m,0m,3m)，k＝4个用户随机分布在以(0,85m,0)为圆心，半径为1m的圆内。此外，部署了r＝4个分布式小型riss辅助通信，其位置分别为(0,80m,6m)、(0,80m,8m)、(0,85m,6m)和(0,85m,8m)。由于太赫兹通信主要依赖可视链路，因此设置l1＝l2＝1。其他实验参数设置如表1。
[0194]
表一：系统参数设置
[0195][0196]
为了评估所提出的基于两层的时延线方案下的时延线时延步长d的影响，图2绘制了不同时间延迟步长下的可达速率与最大发射功率p
max
的关系。为避免其他影响，将移相器的位数设置为无穷大，并暂时不考虑ris辅助通信。在基于单层时延线方案和基于双层时延线的方案中，分别设置u＝32和kh＝8,k
l
＝4。时延步长d分别设为理想连续、0.15tc、0.25tc。当时延步长d从0.25tc变为0.15tc时，可以很容易地发现时延量化误差的影响减小，并且可以带来更高的接近上界的可达速率。两层时延线方案在大大减少高位时延线数量的情况下，性能接近单层时延线方案。实验结果表明，该方案能够较好地权衡系统性能和硬件成本。此外，在不同的方案下，可达速率随着p
max
的增加而增加，而基于移相器的混合预编码的性能与基于时延线方案相比非常有限。
[0197]
图3给出了在宽带太赫兹分布式riss辅助通信系统下，不同迭代次数下的可达速率，以评估所提算法的收敛性。为了验证不同方案中时延线数量的影响，在传统单层时延线方案中分别设置了u＝32和u＝16。在两层时延线方案中，分别设置kh＝8,k
l
＝4，以及kh＝8,k
l
＝2。时延步长d为0.15tc。此外，移相器的分辨率设为无穷大，ris的分辨率设为q＝1。经过3次迭代，可达速率趋于收敛，证明了算法的有效性。除此之外，从结果可以看出时延线越多，可达率越高。而且可以发现，在传统的单层时延线方案下，可达率略高于提出的方案。由于两者之间的差距很小，因此所提出的基于两层时延线的方案可以以较低的硬件成本替代传统单层时延线方法。
[0198]
考虑移相器的硬件限制，图4给出了当每个移相器取2b个离散值且b＝1时，不同迭代次数下的可达速率。ris的分辨率设为q＝1，其他参数设置同图3。到迭代3次后可达率趋于收敛，证明了近似投影方法的有效性。此外，观察到与连续移相器相比，采用离散移相器
的性能有所下降，但是通过降低硬件复杂度获得接近最优的性能是可以接受的。
[0199]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于两层时延线的太赫兹多智能反射面通信波束优化方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：搭建分布式riss辅助宽带太赫兹mimo通信系统，其中，bs包含n个天线的均匀线性阵列和n
rf
个射频链为k个单天线用户提供服务，且n≥n
rf
；步骤二：在bs端采用两层时延线来产生模拟波束形成矩阵；步骤三：根据模拟波束形成矩阵计算用户的可达速率，并将最大化用户的可达速率作为目标函数；步骤四：设计联合波束形成模型，根据联合波束形成模型和交替迭代优化算法对目标函数进行优化求解，得到数字波束形成和ris的反射系数。2.根据权利要求1所述的基于两层时延线的太赫兹多智能反射面通信波束优化方法，其特征在于，步骤二的实现方法为：首先，将由p个天线组成的子阵列连接到第一层的时延线；然后，k
l
个子阵列合成孔径较小的初级阵列，并与第二层的时延线连接；最后，由k
h
个初级阵列组成大孔径的阵列；其中，第一层的时延线的比特数为p
l
，第二层的时延线的比特数为p
h
；部署r个riss，且定义作为riss的索引集；所有的riss具有相同的大小，每个ris由一个均匀的平面阵列组成，单元数为n
ris
＝m
x
×
m
y
，其中，m
x
表示每个ris的行数，m
y
表示每个ris的列数；定义为行上的元素索引集，为列上的元素索引集；假设射频链的个数n
rf
等于ris的个数，即n
rf
＝r，其中，每个ris由一个射频链产生的波束提供服务；采用m个子载波正交频分复用实现可靠的宽带传输；第m个子载波对应的频率为m＝1,2,
…
,m，其中，f
c
为中心频率，b是带宽；bs与第k个用户在第m个子载波上的等效信道h
m,k
表示为：其中，是第m个子载波上bs到第r个ris之间的信道矩阵，是第m个子载波上第k个用户与第r个ris之间的信道，是第r个ris的反射系数对角矩阵，是第r个ris的反射系数对角矩阵，是第r个ris的反射系数对角矩阵，表示反射幅度，φ
r
表示反射相移；根据等效信道h
m,k
计算第k个用户在第m个子载波上的接收信号y
m,k
：其中，f＝f
a
f
l
f
h
为两层的时延线结构实现的模拟波束形成矩阵；均表示数字波束形成向量，是第m个子载波上的第k个用户的加性高斯白噪
声，为方差；s
m,k
为第m个子载波上的第k个用户的信息，s
m,j
为第m个子载波上的第j个用户的信息；其中，其中，表示p个移相器通过第k
l
个时延线和第k
h
个时延线连接到第n
rf
个射频链所产生的波束形成向量；表示第一层时延线网络实现的频变相移，即：其中，是由连接到第n
rf
个射频链和第k
h
个时延线下k
l
个时延线实现的时延向量；为第二层时延线网络实现的频变相移为：其中，是由连接到第n
rf
个射频链下的k
h
个时延线实现的时延向量。3.根据权利要求2所述的基于两层时延线的太赫兹多智能反射面通信波束优化方法，其特征在于，所述信道矩阵g
r,m
的表达式为：其中，l1表示路径数，表示到达第r个ris处的第l1条路径的增益，表示到达第r个ris处的第l1条路径的延迟，表示bs处的阵列响应向量，为的
……
，是从bs到第r个ris的第l1条路径的物理方向，表示ris处的阵列响应向量，表示第l1条路径在第r个ris到达角的方位角，表示第l1条路径在第r个ris到达角的仰角；所述分别表示为：分别表示为：其中，c是光速，个连续天线之间的距离，d＝λ
c
/2，λ
c
表示对应中心频率f
c
的波长；n表示第n个天线单元；
所述第m个子载波上第k个用户与第r个ris之间的信道为：其中，l2表示路径个数，表示从第r个ris到第k个用户的第l2条路径的增益，表示从第r个ris到第k个用户的第l2条路径的延迟；为ris处的发射阵列响应向量，表达式为：其中，表示从第r个ris到第k个用户的第l2条路径离开角的方位角，表示从第r个ris到第k个用户的第l2条路径离开角的仰角。4.根据权利要求2或3所述的基于两层时延线的太赫兹多智能反射面通信波束优化方法，其特征在于，所述用户的可达速率为：其中，为第k个用户在第m个子载波上的sinr。5.根据权利要求4所述的基于两层时延线的太赫兹多智能反射面通信波束优化方法，其特征在于，所述目标函数的获得方法为：对于第一层的时延线和第二层的时延线，采用均匀量化方法分别产生和个离散值；因此，离散的时延值和分别表示为：分别表示为：其中，d表示时延步进量；对于移相器，设置b比特量化相移，由移相器产生的波束形成向量为：将ris的反射系数进行离散化，得到离散值：其中，q表示每个ris包含2
q
个离散相移；因此，最大化可达速率的目标函数为：
其中，θ＝diag(φ1,
…
,φ
r
)，p
max
为基站最大发射功率。6.根据权利要求5所述的基于两层时延线的太赫兹多智能反射面通信波束优化方法，其特征在于，所述对目标函数进行优化求解的方法为：s41、设计联合波束形成模型：根据下式计算出第一层第k
l
个时延线和第二层第k
h
个时延线的最优时延：个时延线的最优时延：其中，t
d
表示两个连续天线之间的时间延迟，θ0表示目标的方向；根据近似原理，将求解出的分别映射到集合和中的元素上，分别表示为：示为：其中，τ1是中的元素，τ2是中的元素；通过上述映射可以得到两层时延线的次优解；由于阵列响应向量为等幅相位，可作为f
a
的列，其中的列，其中由下式得到：其中，是在中心频率f
c
处从bs到第r个ris的第l1条路径的空间方向；a1→
p
表示阵列响应向量；同样，将解出的相移投影到离散值集合可以写为：通过上式可以得到移相器的次优解；s42、固定θ优化d
m,k
：
在给定f
a
,f
l
,f
h
的情况下，目标函数p1可以重新表示为优化问题p2：对于第k个用户在第m个子载波上的等效信道向量可以写成基于sherman-morrison-woodbury公式的扩展，得到：所以优化问题p2可以转化为p3：p3中的和分别为：分别为：其中，其中，通过数值凸规划求解器对p3进行求解，直至收敛，得到数字波束形成向量的局部最优解；s43、固定d
m,k
优化θ：由于将p3转化为优化问题p4：
假设并定义一个包含所有单元反射系数的向量，即设置q＝1比特；将优化问题p4转化为p5：设计反射矩阵的cua算法，在优化过程中其中i代表当前迭代次数，i-1代表前一次的迭代次数；利用反射矩阵的cua算法对p5进行求解，直至r
sum
收敛，输出反射系数矩阵θ。7.根据权利要求6所述的基于两层时延线的太赫兹多智能反射面通信波束优化方法，其特征在于，所述利用反射矩阵的cua算法对p5进行求解的方法为：s43.1、输入：信道矩阵f
r,m,k
,g
r,m
；模拟预编码f；数字预编码d
m,k
；迭代次数i
o
；s43.2、初始化：s43.3、令则s43.4、将向量φ1变换为反射矩阵θ1；s43.5、令则s43.6、将向量φ2变换为反射矩阵θ2；s43.7、利用公式q＝argmax
q＝1,2
{r
sum
(θ
q
)}计算q的值，并赋值θ＝θ
q
；s43.8、循环执行步骤s43.3～s43.7，直至达到最大迭代次数，输出反射系数矩阵θ。

技术总结
本发明提出了一种基于两层时延线的太赫兹多智能反射面通信波束优化方法，其步骤为：首先，搭建分布式RISs辅助宽带太赫兹MIMO通信系统，其中，BS包含N个天线的均匀线性阵列和N


技术研发人员：郝万明 严文彩 焦战威 余方飞 齐李朋 孙钢灿
受保护的技术使用者：郑州海威光电科技有限公司 贵州祥源科技有限公司
技术研发日：2022.12.08
技术公布日：2023/9/23