一种联合优化布设位置和反射路径的RIS辅助通信方法和系统

本发明涉及一种联合优化布设位置和反射路径的ris辅助通信方法和系统，属于无线通信。

背景技术：

1、ris辅助无线通信是一种新兴的无线通信技术，通过自适应地调整ris各反射单元的被动反射波束，能够有效地增强无线信道，提升用户的通信质量。得益于ris的被动反射特性，与传统多天线、主动型中继器相比，ris能耗极低，只需要极低功率来维持微型控制器的运行即可。

2、同时，ris是由大量被动反射单元构成的二维平面，成本低廉，可以灵活地部署在建筑物表面等，非常便捷。同时，由于ris的潜在部署位置众多，而ris的位置又直接决定与之关联的无线信道，进而影响整个ris辅助通信系统的性能，因此需要选取合适的ris布设位置。

3、另外，当基站/接入点至用户存在较密集遮挡物时，需要在多个位置部署ris，构成ris级联信道，才能较好地改善基站/接入点至用户的无线信道状态，满足用户的通信质量要求。这涉及到多ris布设位置的联合选择优化，尤其复杂。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种联合优化布设位置和反射路径的ris辅助通信方法和系统，在可行布设区域优化选取ris的布设位置，构建ris辅助通信系统，来增强基站/接入点至用户间的无线信道，以解决基站/接入点至用户间直传无线信道被严重遮挡的问题，使得ris辅助下的b-u间的等效信道增益均值最大。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供一种联合优化布设位置和反射路径选择的ris辅助通信方法，基于一种通信系统，所述通信系统为基站至用户无直达链路的下行通信系统，包括基站 b，用户 u以及布设在 b-u间建筑物体表面上的多个可重构智能表面ris；其特征是，所述方法包括：

4、构建包括基站 b、可重构智能表面ris、用户 u在内的各节点之间的莱斯信道模型，获取b-u间ris级联信道的闭式表达式；

5、获取b-u间ris级联链路的最大等效信道增益均值一般表达式；

6、以最优化上述最大等效信道增益均值为目标，构建可重构智能表面ris布设位置和反射路径的联合优化问题；

7、将上述联合优化问题转化为图论中的最短路径问题，求解所述图论中的最短路径问题得到最优的ris波束反射路径ω，根据最优的ris波束反射路径ω确定ris的最优布设位置，使得ris辅助下的b-u间的等效信道增益均值最大。

8、进一步的，构建包括基站 b、可重构智能表面ris、用户 u在内的各节点之间的莱斯信道模型，获取b-u间ris级联信道的闭式表达式，包括：

9、在 b-u间个数为 q的建筑物体表面上布设可重构智能表面ris，分别表示为： r1， r2， r3，...， r p ，每个物体表面有s个潜在区域可布设ris， s>1，在每个物体表面至多选择一个区域布设ris，p代表的是经过路径选择后的ris个数；

10、ris辅助的 b- u级联反射信道表示为：

11、（6）

12、其中，、、分别表示第 a p个ris和u之间的信道、相邻ris之间的信道、b和第 a1个ris之间的信道，、、分别表示第 a p、第 a p-p以及第 a1个ris的反射系数矩阵；、、分别表示第 a p个ris和u之间的距离、相邻ris之间的距离、第 a1个ris和b之间的距离；、、、分别表示第 a p个ris离开方向的阵列响应、第 a p-p+1个ris离开方向的阵列响应、第 a p-p个ris接收方向的阵列响应、第 a1个ris接收方向的阵列响应；、、、、分别表示第 a p个ris-u链路的nlos成分、第 a p-p个ris-第 a p-p+1个ris链路的nlos成分、第 a p-1个ris-第 a p个ris链路的nlos成分、第 a1个ris-第 a2个ris链路的nlos成分、 b-rp链路的nlos成分，里的每一个元素都服从； j是虚数单位； β是参考距离为1m时的路径增益， k是莱斯因子；

13、（7）

14、（8）

15、其中，表示第 a p个ris的反射系数矩阵，表示第 a p个ris上每个反射单元的相移，表示第 a p-1个ris的反射系数矩阵，表示第 a2个ris的反射系数矩阵，表示第 a p个ris到达方向的阵列响应，和分别表示第 a p-1个ris离开方向和到达的阵列响应，表示第 a p-2个ris到达方向的阵列响应，和分别表示第 a2个ris到达和离开方向的阵列响应，表示第 a1个ris离开方向的阵列响应，表示第 a p-2个ris-第 a p-1个ris链路间的nlos成分，表示第 a2个ris-第 a3个ris链路间的nlos成分 ；m= m1× m2，表示ris上反射单元的总个数， f表示式(8)?每一个乘积项中los成分的个数；(.)h表示共轭转置；

16、将反射路径记为，表示路径中第 p个位置的索引， p表示路径中ris的个数，表示系统中可布设ris位置的总个数。

17、进一步的，获取 b- u间ris级联链路的最大等效信道增益均值，包括：

18、 b- u的最大等效信道增益的均值表示为：

19、?(13)

20、其中，表示统计期望； f’表示式(8)?每一个乘积项中含有nlos成分的个数，，表示 f’个nlos成分排列组合可能出现的情况总数。

21、进一步的，以最优化上述最大等效信道增益均值为目标，构建可重构智能表面ris布设位置和反射路径的联合优化问题，包括：

22、在街道场景中，建立一个三维空间直角坐标系，以街道中线为 x轴，垂直于 x轴向上的方向为 z轴；基站，建筑，用户依次沿 x轴正方向排列， q个建筑分布在街道两侧，每个ris上的反射单元排列成一个平行于 x-z平面的均匀矩形阵列；定义一个二元变量来表示ris的布设位置 a p， q=1，2，...， q；

23、?????????????????????(14)

24、构建联合优化模型如下：

25、（15）

26、式中，和分别表示的是第 a p+1个ris和第 a p个ris的 x坐标至基站 x坐标的距离；和分别是当前建筑面和下一跳建筑面上的法向量，与建筑面上布设ris的坐标相关；

27、式(15-1)约束每个ris最多只能反射一次，式(15-2)假设波束只能从一个r i向外传输到在传输方向上距离基站更远的r j，式(15-3)保证下一跳在当前跳的反射范围内，式(15-4)约束每个建筑至多可布设一个ris；是中除了p以外的任意一个其他建筑序号。

28、进一步的，将上述联合优化问题转化为图论中的最短路径问题，求解所述图论中的最短路径问题得到最优的ris波束反射路径ω，根据最优的ris波束反射路径ω确定ris的最优布设位置，包括：

29、将构建的联合优化模型先取倒数再取对数并去掉常数项，根据波束反射路径与各ris布设位置的一对一映射关系将联合优化问题转化为图论中的最短路径问题，得到转化后图论中的最短路径问题对应的表达式；

30、（16）

31、构造一个有向加权图 g，g=( v, e) ；其中， v为顶点集，顶点集用于表示图 g中所有节点的集合， v={ b, u}∪{1,2,..., n}， e表示边集，

32、(17)

33、采用图论中的?spfa?算法求解所述优化问题，得到ris的最优布设位置，使得?ris辅助下的 b-u?间的等效信道增益均值最大。

34、进一步的，采用图论中的?spfa?算法求解所述优化问题，包括：

35、步骤?1：将?e?中每条边的权重 w i, j设为：

36、； d i,j是 r i至 r j间的距离；

37、步骤?2：创建一个权值表，用于记录从起始节点?b?到每个节点当前最小权重；将起始节点b的距离设为0，并初始化从b到每个节点的权值为+∞；

38、步骤?3：创建一个优先级队列，用于选择下一个要访问的节点；初始时，将起始节点?b?放入优先级队列；

39、步骤?4：创建一个标记数组，用于标记节点是否在队列中；初始时，起始节点?b?标记为已在队列中；

40、步骤?5：重复以下操作，直到队列为空：

41、(1)从队列中取出一个节点；

42、(2)将该节点标记为不在队列中；

43、(3)遍历该节点的所有邻居节点：

44、如果通过当前节点到达邻居节点的权值小于权值表中记录的权值，则更新权值表，并将邻居节点加入队列；

45、如果邻居节点已经在队列中，则不进行更新操作；

46、步骤?6：循环结束后，权值表中记录的即为起始节点?b?到每个节点最小权值；

47、步骤?7：从权值表中获取从 b-u?的最小权值，确定反射路径，并找到与之对应的节点位置；

48、步骤?8：将确定下来的?ris?位置带入到波束设计中，得到从基站到达用户的最大等效信道增益均值。

49、第二方面，本发明提供一种联合布设位置和路径规划的?ris?辅助无线通信系统，其特征在于，包括信道模型构建?？?、波束设计?？?、优化问题建立?？楹陀呕蠼饽？?；

50、所述信道模型构建?？?，用于构建包括基站 b、可重构智能表面ris、用户 u在内的各节点之间的莱斯信道模型，获取b-u间ris级联信道的闭式表达式；

51、所述波束设计?？?，用于获取b-u间ris级联链路的最大等效信道增益均值一般表达式；

52、所述优化问题建立?？?，用于以最优化上述等效信道增益均值为目标，构建可重构智能表面ris布设位置和反射路径的联合优化问题；

53、所述优化求解?？?，用于将上述联合优化问题转化为图论中的最短路径问题，求解所述图论中的最短路径问题得到最优的ris波束反射路径ω，根据最优的ris波束反射路径ω确定ris的最优布设位置，使得ris辅助下的b-u间的等效信道增益均值最大。

54、进一步的，所述信道模型构建?？楣菇òɑ? b、可重构智能表面ris、用户 u在内的各节点之间的莱斯信道模型，获取b-u间ris级联信道的闭式表达式，包括：

55、在 b-u间个数为 q的建筑物体表面上布设可重构智能表面ris，分别表示为： r1， r2， r3，...， r p ，每个物体表面有s个潜在区域可布设ris， s>1，在每个物体表面至多选择一个区域布设ris，p代表的是经过路径选择后的ris个数；

56、ris辅助的 b- u级联反射信道表示为：

57、（6）

58、其中，、、分别表示第 a p个ris和u之间的信道、相邻ris之间的信道、b和第 a1个ris之间的信道，、、分别表示第 a p、第 a p-p以及第 a1个ris的反射系数矩阵；、、分别表示第 a p个ris和u之间的距离、相邻ris之间的距离、第 a1个ris和b之间的距离；、、、分别表示第 a p个ris离开方向的阵列响应、第 a p-p+1个ris离开方向的阵列响应、第 a p-p个ris接收方向的阵列响应、第 a1个ris接收方向的阵列响应；、、、、分别表示第 a p个ris-u链路的nlos成分、第 a p-p个ris-第 a p-p+1个ris链路的nlos成分、第 a p-1个ris-第 a p个ris链路的nlos成分、第 a1个ris-第 a2个ris链路的nlos成分、 b-rp链路的nlos成分，里的每一个元素都服从； j是虚数单位； β是参考距离为1m时的路径增益， k是莱斯因子；

59、（7）

60、（8）

61、其中，表示第 a p个ris的反射系数矩阵，表示第 a p个ris上每个反射单元的相移，表示第 a p-1个ris的反射系数矩阵，表示第 a2个ris的反射系数矩阵，表示第 a p个ris到达方向的阵列响应，和分别表示第 a p-1个ris离开方向和到达的阵列响应，表示第 a p-2个ris到达方向的阵列响应，和分别表示第 a2个ris到达和离开方向的阵列响应，表示第 a1个ris离开方向的阵列响应，表示第 a p-2个ris-第 a p-1个ris链路间的nlos成分，表示第 a2个ris-第 a3个ris链路间的nlos成分 ；m= m1× m2，表示ris上反射单元的总个数， f表示式(8)?每一个乘积项中los成分的个数；(.)h表示共轭转置；

62、将反射路径记为，表示路径中第 p个位置的索引， p表示路径中ris的个数，表示系统中可布设ris位置的总个数。

63、进一步的，获取 b- u间ris级联链路的最大等效信道增益均值，包括：

64、 b- u的最大等效信道增益的均值表示为：

65、?(13)

66、其中，表示统计期望； f’表示式(8)?每一个乘积项中含有nlos成分的个数，，表示 f’个nlos成分排列组合可能出现的情况总数。

67、第三方面，本发明提供一种联合优化布设位置和反射路径的ris辅助通信系统，包括处理器及存储介质；

68、所述存储介质用于存储指令；

69、所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行第一方面所述方法的步骤。

70、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

71、1、本发明提出的优化部署位置的ris辅助通信系统，以最大化ris辅助无线通信的等效信道增益均值为目标，提供最优ris部署方案，显著地提升基站/接入点至用户间的无线信道质量。

72、2、本发明在可行布设区域优化选取ris的布设位置，构建ris辅助通信系统，来增强基站/接入点至用户间的无线信道，以解决基站/接入点至用户间直传无线信道被严重遮挡的问题。