多可重构智能反射面的波束成形设计与部署优化_常恒歌.pdf

Application 创新应用240 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月与有源继电器相比，大大提高了频谱效率。最后，智能反射面具有轻巧、重量轻、能耗低的特点，因此可以很容易地涂覆在具有低成本能源供应（例如电池）的环境物体上3。1 研究背景现有的可重构智能反射面设计和反射优化工作主要集中在单反射面辅助无线系统案例的基本设置上4。然而，对每个无线链路采用一个单独的智能反射面，一般来说，其对无线信道的控制有限，在通信性能增强方面能力无法完全发挥出来。（1）每个智能反射面只有在用户位于其反射半空间内时才能有效地为用户服务，这导致单个智能反射面的覆盖范围有限。（2）即使用户位于一个反射面的反射半空间中，基站和用户之间通过其的无阻塞链路在实践中可能并不总是可用，因为单个智能反射面提供的单反射路径可能无法绕过复杂环境中的障碍物，例如室内环境中的多转弯走廊。（3）因为每个智能反射面有尺寸的实际限制，单个智能反射面可能仅为每个用户提供被动波束成形增益很有限。尽管有大量关于设计和优化各种智能反射面辅助无线系统的文献，但是之前的工作主要集中在仅有一个或多个单链路反射，未能利用到所有可用的智能反射面及其LOS多样性，且没有考虑到大规模0 引言在全球范围内积极部署第五代（5G）无线网络的同时，学术界和工业界也开始设想和规划下一代（6G）无线网络，以支持新兴应用快速增长的需求，例如自动驾驶、触觉互联网和机器人通信。这些应用对所有关键指标提出了比5G更严格的新无线通信要求，包括数据速率、覆盖范围、连接性、可靠性和延迟性。此外，需要开发新技术以赋予未来无线系统新的功能，例如高精度射频传感，地面和空中通信等1。预计6G网络的能源和频谱效率将进一步提高，以在未来经济高效地实现可持续的网络容量增长。最近，智能反射面（如可重构智能表面，RIS）已成为一种有前途的主动控制无线电传播的技术，通过智能信号反射改善环境，从而显著提高无线通信性能。智能反射面是一种数控超表面，包含大量无源反射元件，每个元件都能够独立地改变入射信号的幅度和/或相位2，在无线网络中部署并通过联合调整其反射元件来动态调整无线信道，从而最大化通信吞吐量，例如可用于绕过无线信道中的障碍物改进它们的实现/分布和多天线/多用户信道等级条件等。此外，在全双工模式下，其仅具有被动反射，不受信号放大/处理噪声的影响，因此作者简介：常恒歌，江南大学物联网工程学院；研究方向：物联网技术。收稿日期：2023-02-13；修回日期：2023-05-12。摘要：阐述一种新的可重构智能反射面辅助的通信系统，其中由波束分离算法实现共同优化基站和不同智能反射面的功率分配，并且找到最佳的网络吞吐量、成本最优的智能反射面和基站部署优化。关键词：通信工程，波束算法，最优部署。中图分类号：T929.5文章编号：1000-0755(2023)05-0240-02文献引用格式：常恒歌.多可重构智能反射面的波束成形设计与部署优化J.电子技术,2023,52(05):240-241.多可重构智能反射面的波束成形设计与部署优化常恒歌（江南大学物联网工程学院，江苏 214000）Abstract This paper expounds a new reconfigurable intelligent reflector assisted communication system,in which beam separation algorithm is used to jointly optimize the power allocation of base stations and different intelligent reflectors,and to find the optimal network throughput,cost optimal intelligent reflectors,and base station deployment optimization.Index Terms telecommunications engineering,beam algorithm,optimal deployment.Design and Optimization of Beamforming with Multiple Reconfigurable Intelligent Reflective SurfacesCHANG Hengge(College of Internet of Things Engineering,Jiangnan University,Jiangsu 214000,China.)Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 241部署智能反射面能否具有成本效益和可持续的容量增长。基于以上原因，本文考虑由波束分离算法实现共同优化基站和不同智能反射面的功率分配，并且找到最佳网络吞吐量和成本的最优智能反射面和基站的部署，以最大化用户的接收信号功率，这个混合网络增益大于以往的单路波束分配的增益。2 系统模型本文考虑智能反射面辅助的多小区无线网络展示如图1，并且关注于从不同基站到各个用户的下行链路，考虑正交频分多址（OFDMA）接入方案，假定传输带宽等分，信道在其上频率恒定，在不同频带上变化，假定网络具有均匀的流量负载。其中部署了j个分布式智能反射面以协助从多天线基站到k个远程单天线用户的通信。假设基站配备NBK个有源天线，而每个反射面配备M个无源反射元件。在不失一般性和便于实际实施的情况下，本文假设BS通过从预定义的码本中选择K个波束来为k个用户提供服务，它由天线正交和单位功率波束组成。将每个选定的可重构智能反射面的反射幅度设置为1，每个RISj的反射系数矩阵，jJ由j=diagejj,1,ejj,MCMM给出，其无源束形成矢量表示为j=diag(j)CM1。将H0,jCMNB,jJ定义为从基站到RIS j的信道，gHj,J+KC1M,jJ为智能反射面RISj到用户k的信道和Si,jCMM,i，jJ，ij作为从IRSi到IRSj 的信道。3 网络优化（1）离散协作波束算法。传统的单路线波束成形设计未能利用所有可用的RIS及其LOS路径多样性。本文采用广义更普遍的多基站如图1。先在基站端进行主动光束训练，有源波束分离分配给不同的智能反射面；然后被动波束组合：智能反射面先进行本地训练，由选定的智能反射面在不同路径上反射，最后在用户的接收器上相干组合。共同优化智能反射面的反射路径的数量、每条路径选择的反射面、BS/RIS波束成形以及在不同有源波束上的功率分配，以最大化用户的接收信号功率。（2）最优混合网络部署。空间吞吐量取决于基站和智能反射面的成本，成本和智能反射面与基站密度成正比，IRS/BS密度比，如式（1）。n=dI/dB （1）式中，N为n的最佳密度比。则在混合网络中总成本可以表示为式（2）。C=dBc0+dIcI=dBc0+dIc0/g=dBc0+ndBc0/g =dBc0(1+n/g)（2）式中，C为总成本每个基站的成本为C0，每个智能反射面的成本为cI，基站和智能反射面成本比率为g。对给定密度下，找到成本和空间吞吐量成正比的最优分布来优化混合网络。4 数值结果本节通过蒙特卡洛（MC）模拟验证了上述公式中的接收信号功率和RIS元素数N的分析结果，并研究了BS/RIS密度，空间吞吐量和网络负载因子p等关键系统参数的影响。每个MC仿真结果都是通过在半径为20km的磁盘区域内对2 000多个随机生成的拓扑进行平均获得的，每个通道实现1000个衰落通道。根据本节中提供的结果，验证了本文分析结果与MC仿真结果的吻合。将n0=510-6m-2表示为BS/RIS的参考密度。如果没有另行说明，则使用以下参数：HB=20m，HI=1m，16W=-147dB，fc=2GHz，=3,Ks=8，M=1.5,R=1bps/Hz，D1=25m，D2=50m，负载因子p=1。如果只有主动波束分离，结果比单路还要差，联合波束分离效果最佳。而使用了离散波束协作方案的接收信号功率要优于只有主动波束分离和传统的单链路波束路径。当给定密度比的情况下，对只有基站的网络，吞吐量先增加后降低，而具有最优密度比的混合网络，最大吞吐量几乎随网络部署线性增加。图2中，具有联合离散波束分离算法和最优密度比的混合网络，网络性能是最优的。5 结语本文利用离散协作波束训练，在基站和智能反射面的控制器中，基站和所有智能反射面创建本地波束训练表并相互交换，以促进最佳基站和智能反射面波束成形和可视链路设计，且当拥有最优密度比的混合网络，最大吞吐量几乎随网络部署成本的线性容量增加，从而为未来无线网络实现可持续容量增长提供一种全新的方法。参考文献1 阎志恒.可重构智能表面辅助毫米波通信系统的波束成形技术研究D.江苏：东南大学.图1 离散协作优化设计图2 基于最优密度比的不同波束路径比较