一种远近场混合的RIS辅助通信系统的最优部署方法

一种远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法
技术领域
1.本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法。


背景技术：

2.第五代移动通信系统通过在基站部署大量的天线来获取更高的系统容量和频谱效率，这会导致硬件成本和功耗增加，在经济和功耗成本预算有限的情况下，通过增加基站处的天线阵列尺寸来满足日益增长的容量需求是不切实际的，此外，在无线传输过程中还存在自由空间路径损耗严重和遮挡敏感等问题。因此，由多个无源反射单元组成的可重构智能超表面(reconfigurable intelligent surface，ris)近年来引起了工业界和学术界研究人员的广泛关注。ris由超材料技术发展而来，可以在软件的控制下灵活地操纵入射电磁波来重塑传播环境，进而实现以可编程的方式对空间电磁波进行主动的智能调控，形成幅度、相位、极化和频率等参数可控的电磁场；ris还可以将不可视通链路转化为可视通链路，解决因为障碍物遮挡无法正常通信的问题。而由于ris不需要装备昂贵地射频链且以全双工模式工作，所以不存在自干扰和噪声放大的问题。此外，ris可以在不改变设备配置的情况下集成到任何现有的网络中。由于这些显著的优势，ris被认为有望成为超五代移动通信系统和第六代移动通信系统的关键技术之一。
3.而随着ris尺寸的增大会导致基站和用户进入ris的近场区域，此时传统的远场信道建模方式可能会不再准确，需要考虑更实际的球面波前，考虑信号的振幅、离开角以及到达角在不同反射单元之间的变化。当采用传统的远场信道建模方法对信道进行建模时，系统性能会随着ris反射单元的增加而提高，但是在考虑近场效应的影响时，系统性能在近场区域会出现损失。在文献“wireless communicationwith extremelylarge-scale intelligentreflectingsurface”(2021ieee/cic international conference on communications in china(icccworkshops)，2021年)中，作者通过分析得到当采用近场信道建模方法时系统的信噪比不会随着ris反射单元数的增加而不断增加，而会趋于一个定值，基于传统远场信道建模方案的传输方案设计存在高估系统性能的问题，作者在文献中给出了信噪比上界的表达式。
4.因此，本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法，在考虑近场效应的影响下，用来解决实际问题中，瑞利距离随着ris尺寸的增大而增大，当基站和用户与ris中心反射单元之间的距离小于瑞利距离时，所导致的传统远场信道建模可能失效，以及使用远场假设的传输技术在近场场景下会存在性能下降的问题。本发明根据基站和用户所在场域不同采取不同的信道建模方法，考虑近场特性的影响，得到了ris距离基站最优水平距离的闭式解，避免了复杂的优化算法，有效降低了系统的计算复杂度并提高了系统性能。


技术实现要素：

5.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
6.鉴于上述和/或现有的远近场混合的ris辅助通信系统的最优位置部署中存在的问题，提出了本发明。
7.因此，本发明所要解决的问题在于如何提供一种远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法。为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法，其包括，构建ris辅助的下行无线传输系统；根据ris辅助的下行无线传输系统，建立基于瑞利距离、基站和用户与ris中心反射单元之间距离相关的信道模型；根据基站和用户与ris中心反射单元之间距离相关的信道模型，计算ris最优的相移矩阵，并计算ris距离基站最优的水平位置δ
opt
。
8.作为本发明所述远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法的一种优选方案，其中：所述ris辅助的下行无线传输系统包括单天线基站、ris和单天线用户；所述ris包括n＝nynz个无源反射单元，其中，ny为ris在y轴方向上的反射单元数，nz为ris在z轴方向上的反射单元数，ris设置于yoz平面，令ris反射单元间距为d，载波波长为λ。
9.作为本发明所述远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法的一种优选方案，其中：所述建立基于瑞利距离、基站和用户与ris中心反射单元之间距离相关的信道模型包括基站与ris之间的信道模型，和用户与ris之间的信道模型；其中，基站和用户与ris中心反射单元之间的距离分别为r1和r2，基站和用户与ris中心反射单元之间的天顶角分别为θb和θu，基站和用户与ris中心反射单元之间的方位角分别为和
10.作为本发明所述远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法的一种优选方案，其中：所述基站与ris之间的信道模型公式为：
11.hb＝kbh
far
+(1-kb)h
near
12.式中，r
rayl
为瑞利距离，h
far
为基站与ris之间的远场建模信道，h
near
为基站与ris之间的近场建模信道。
13.作为本发明所述远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法的一种优选方案，其中：所述用户与ris之间的信道模型公式为：
14.gu＝k
ugfar
+(1-ku)g
near
15.式中，r
rayl
为瑞利距离，g
far
为用户与ris之间的远场建模信道，g
near
为用户与ris之间的近场建模信道。
16.作为本发明所述远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法的一种优选方案，其中：所述ris最优的相移矩阵θ通过信道模型以实现对反射信号的相位补偿，最优的相移矩阵θ由对角元素组成，其中，由以下公式得到：
[0017][0018]
式中，ny和nz分别为ris在y轴和z轴方向上反射单元的索引，分别为ris在y轴和z轴方向上反射单元的索引，和分别为基站和用户到第(ny,nz)个ris反射单元的距离。
[0019]
作为本发明所述远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法的一种优选方案，其中：所述计算ris距离基站最优的水平位置δ
opt
包括以下步骤：
[0020]
基于载波波长λ、ris反射单元间距d、基站与ris在轴方向上的距离、基站与ris中心反射单元之间的天顶角θb及方位角得到基站所处场域与ris反射单元数的关系，通过如下公式表示：
[0021][0022]
其中，
[0023]
基于载波波长λ、ris反射单元间距d、用户与ris在x轴方向上的距离、用户与ris中心反射单元之间的天顶角及方位角，得到用户所处场域与ris反射单元数的关系，得到用户所处场域与ris反射单元数的关系，通过如下公式表示：
[0024][0025]
作为本发明所述远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法的一种优选方案，其中：所述计算ris距离基站最优的水平位置δ
opt
还包括以下步骤：
[0026]
基于载波波长λ、ris反射单元间距d、ris反射单元数、用户与基站之间的水平距离、基站和用户与ris中心反射单元在x轴及z轴方向上的距离确定的ris距离基站最优的水平位置δ
opt
由以下公式得到：
[0027][0028][0029]
其中，其中，y为基站与用户在y轴方向上的距离，和可以实现相同的用户
端信噪比。
[0030]
作为本发明所述远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法的一种优选方案，其中：所述计算ris距离基站最优的水平位置δ
opt
还包括以下步骤：
[0031]
根据载波波长、ris反射单元间距、基站和用户与ris在x轴及z轴方向上的距离、距离相关的信道模型，得到基站和用户均位于远场区域的最大ris反射单元数n
min
，其中为基站和用户与ris在x轴方向上的距离，为基站和用户与ris在z轴方向上的距离。
[0032]
根据载波波长、ris反射单元间距、基站和用户与ris在x轴及z轴方向上的距离、距离相关的信道模型，得到基站和用户至少有一个位于远场区域的最大ris反射单元数n
middle
，
[0033]
作为本发明所述远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法的一种优选方案，其中：当所述ris位于所述的最优水平位置时，用户端信噪比达到最大。
[0034]
本发明有益效果为：本发明考虑到ris阵列尺寸较大时基站和用户到ris中心反射单元的距离小于瑞利距离，进而导致传统的远场信道建模失效的情况，采用了更符合实际情况的距离相关的信道建模方法，得到了ris距离基站最优水平距离的闭式解，避免了复杂的优化算法，有效降低了系统的计算复杂度并提高了系统性能。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0036]
图1为实施例1中远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法的整体流程图。
[0037]
图2为实施例1中远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法的ris辅助的下行无线传输系统示意图。
[0038]
图3为实施例1中远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法的ris与基站最优水平距离与水平距离为0，水平距离为y/2的用户端信噪比对比图。
具体实施方式
[0039]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0040]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0041]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指
同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0042]
实施例1
[0043]
参照图1～图3，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法，远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法如下步骤：
[0044]
s1、构建ris辅助的下行无线传输系统。
[0045]
具体的，所述ris辅助的下行无线传输系统包括单天线基站、ris和单天线用户。
[0046]
ris包括n＝nynz个无源反射单元，其中，ny为ris在y轴方向上的反射单元数，nz为ris在z轴方向上的反射单元数，ris设置于yoz平面，令ris反射单元间距为d，载波波长为λ。
[0047]
s2、根据ris辅助的下行无线传输系统，建立基于瑞利距离、基站和用户与ris中心反射单元之间距离相关的信道模型。
[0048]
进一步的，建立基于瑞利距离、基站和用户与ris中心反射单元之间距离相关的信道模型包括基站与ris之间的信道模型，和用户与ris之间的信道模型。
[0049]
其中，基站和用户与ris中心反射单元之间的距离分别为r1和r2，基站和用户与ris中心反射单元之间的天顶角分别为θb和θu，基站和用户与ris中心反射单元之间的方位角分别为和
[0050]
基站与ris之间的信道模型公式为：
[0051]
hb＝kbh
far
+(1-kb)h
near
[0052]
式中，r
rayl
为瑞利距离，h
far
为基站与ris之间的远场建模信道，h
near
为基站与ris之间的近场建模信道。
[0053]
用户与ris之间的信道模型公式为：
[0054]gu
＝k
ugfar
+(1-ku)g
near
[0055]
式中，r
rayl
为瑞利距离，g
far
为用户与ris之间的远场建模信道，g
near
为用户与ris之间的近场建模信道。
[0056]
更进一步的，目前关于ris辅助无线通信系统的研究中，信道模型一般采用传统的远场建模方式(即h
far
和g
far
)或近场建模方式(即h
near
和g
near
)，并未考虑h
far
、g
near
和h
near
、g
far
的情况，本发明通过引入参数kb和ku实现了根据基站与ris和用户与ris之间的距离判断基站和用户所处场域，并据此进行相应的信道建模，本发明所述的建模方式更符合实际情况。
[0057]
s3、根据基站和用户与ris中心反射单元之间距离相关的信道模型，计算ris最优的相移矩阵，并计算ris距离基站最优的水平位置δ
opt
。
[0058]
具体的，ris最优的相移矩阵θ通过信道模型以实现对反射信号的相位补偿，最优的相移矩阵θ由对角元素组成，其中，由以下公式得到：
[0059][0060]
式中，ny和nz分别为ris在y轴和z轴方向上反射单元的索引，
和分别为基站和用户到第(ny,nz)个ris反射单元的距离。
[0061]
进一步的，计算ris距离基站最优的水平位置δ
opt
包括以下步骤：
[0062]
s3.1、基于载波波长λ、ris反射单元间距d、ris反射单元数、用户与基站之间的水平距离、基站和用户与ris中心反射单元在x轴及z轴方向上的距离确定的ris距离基站最优的水平位置δ
opt
由以下公式得到：
[0063][0064][0065]
其中，其中，y为基站与用户在y轴方向上的距离，和可以实现相同的用户端信噪比。
[0066]
s3.2、根据载波波长、ris反射单元间距、基站和用户与ris在x轴及z轴方向上的距离、距离相关的信道模型，得到基站和用户均位于远场区域的最大ris反射单元数n
min
，其中为基站和用户与ris在x轴方向上的距离，为基站和用户与ris在z轴方向上的距离。
[0067]
s3.3、根据载波波长、ris反射单元间距、基站和用户与ris在x轴及z轴方向上的距离、距离相关的信道模型，得到基站和用户至少有一个位于远场区域的最大ris反射单元数n
middle
，
[0068]
需要说明的是，当所述ris位于所述的最优水平位置时，用户端信噪比达到最大。
[0069]
进一步的，最优相移矩阵设计根据s2中所述的信道建模方式，通过相移补偿实现，本发明所述的信道建模方式更符合实际情况，相应地，该相移矩阵的设计也更符合实际情况。
[0070]
进一步的，基站和ris位置固定，当时，r1≥r
rayl
，基站位于ris的远场区域；当时，r1＜r
rayl
，基站位于ris的近场区域。用户和ris位置固定，当时，r2≥r
rayl
，用户位于ris的远场区域；当
时，r2＜r
rayl
，用户位于ris的近场区域。
[0071]
更进一步的，目前关于ris辅助无线通信系统的研究中，ris位置部署通常为：基站上方、用户上方或基站与用户之间的任意位置，本发明给出了不同ris反射单元数下可以使接受端信噪比最大的ris位置部署。
[0072]
本发明考虑到ris阵列尺寸较大时基站和用户到ris中心反射单元的距离小于瑞利距离，进而导致传统的远场信道建模失效的情况，采用了更符合实际情况的距离相关的信道建模方法，得到了ris距离基站最优水平距离的闭式解，避免了复杂的优化算法，有效降低了系统的计算复杂度并提高了系统性能。
[0073]
实施例2
[0074]
参照表1，为本发明的一个实施例，基于上述方法，为了验证其有益效果，提供了与传统方案的对比说明。
[0075]
表1对比表
[0076][0077]
通过上述说明，可以清晰的看出我方方案在信道模型，ris相移矩阵设计相比传统通信系统的优势。
[0078]
通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可以根据基站和用户所在场域构建不同的信道模型，根据信道模型实现计算ris距离基站最优的水平位置δ
opt
，避免了复杂的优化算法，有效降低了系统的计算复杂度并提高了系统性能。
[0079]
应说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法，其特征在于：包括：构建ris辅助的下行无线传输系统；根据ris辅助的下行无线传输系统，建立基于瑞利距离、基站和用户与ris中心反射单元之间距离相关的信道模型；根据基站和用户与ris中心反射单元之间距离相关的信道模型，计算ris最优的相移矩阵，并计算ris距离基站最优的水平位置δ
opt
。2.如权利要求1所述的远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法，其特征在于：所述ris辅助的下行无线传输系统包括单天线基站、ris和单天线用户；所述ris包括n＝n
y
n
z
个无源反射单元，其中，n
y
为ris在y轴方向上的反射单元数，n
z
为ris在z轴方向上的反射单元数，ris设置于yoz平面，令ris反射单元间距为d，载波波长为λ。3.如权利要求2所述的远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法，其特征在于：所述建立基于瑞利距离、基站和用户与ris中心反射单元之间距离相关的信道模型包括基站与ris之间的信道模型，和用户与ris之间的信道模型；其中，基站和用户与ris中心反射单元之间的距离分别为r1和r2，基站和用户与ris中心反射单元之间的天顶角分别为θ
b
和θ
u
，基站和用户与ris中心反射单元之间的方位角分别为和4.如权利要求3所述的远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法，其特征在于：所述基站与ris之间的信道模型公式为：h
b
＝k
b
h
far
+(1-k
b
)h
near
式中，r
rayl
为瑞利距离，h
far
为基站与ris之间的远场建模信道，h
near
为基站与ris之间的近场建模信道。5.如权利要求3所述的远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法，其特征在于：所述用户与ris之间的信道模型公式为：g
u
＝k
u
g
far
+(1-k
u
)g
near
式中，r
rayl
为瑞利距离，g
far
为用户与ris之间的远场建模信道，g
near
为用户与ris之间的近场建模信道。6.如权利要求1所述的远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法，其特征在于：所述ris最优的相移矩阵θ通过信道模型以实现对反射信号的相位补偿，最优的相移矩阵θ由对角元素组成，其中，由以下公式得到：式中，n
y
和n
z
分别为ris在y轴和z轴方向上反射单元的索引，分别为ris在y轴和z轴方向上反射单元的索引，分别为ris在y轴和z轴方向上反射单元的索引，和分别为基站和用户到第(n
y
,n
z
)个ris反射单元的距离。
7.如权利要求1所述的远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法，其特征在于：所述计算ris距离基站最优的水平位置δ
opt
包括以下步骤：基于载波波长λ、ris反射单元间距d、ris反射单元数、用户与基站之间的水平距离、基站和用户与ris中心反射单元在x轴及z轴方向上的距离确定的ris距离基站最优的水平位置δ
opt
由以下公式得到：由以下公式得到：其中，其中，y为基站与用户在y轴方向上的距离，和可以实现相同的用户端信噪比。8.如权利要求7所述的远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法，其特征在于：所述计算ris距离基站最优的水平位置δ
opt
还包括以下步骤：根据载波波长、ris反射单元间距、基站和用户与ris在x轴及z轴方向上的距离、距离相关的信道模型，得到基站和用户均位于远场区域的最大ris反射单元数n
min
，其中为基站和用户与ris在x轴方向上的距离，为基站和用户与ris在z轴方向上的距离。9.如权利要求7所述的远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法，其特征在于：所述计算ris距离基站最优的水平位置δ
opt
还包括以下步骤：根据载波波长、ris反射单元间距、基站和用户与ris在x轴及z轴方向上的距离、距离相关的信道模型，得到基站和用户至少有一个位于远场区域的最大ris反射单元数n
middle
，10.如权利要求1所述的远近场混合的ris辅助通信系统的最优部署方法，其特征在于：当所述ris位于所述的最优水平位置时，用户端信噪比达到最大。

技术总结
本发明公开了一种远近场混合的RIS辅助通信系统的最优部署方法，包括，构建RIS辅助的下行无线传输系统；根据RIS辅助的下行无线传输系统，建立基于瑞利距离、基站和用户与RIS中心反射单元之间距离相关的信道模型；根据基站和用户与RIS中心反射单元之间距离相关的信道模型，计算RIS最优的相移矩阵，并计算RIS距离基站最优的水平位置δ


技术研发人员：张军 王甲平 金石
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/8/4