一种可重构智能反射面的波束训练方法

本发明涉及无线通信，特别是指一种可重构智能反射面的波束训练方法。

背景技术：

1、近年来，智能反射面(reconfigurable intelligence surface，ris)已经成为一种有发展潜力的新技术，ris由大量无源反射元件组成，通过数字控制，可以调节ris反射信号的相移和幅度。与传统通信中继技术相比，ris仅需维持控制电路和反射单元激活态的功耗，能够重塑无线信道，能耗相对较低。然而ris反射单元数量的增加会给通信系统带来新的挑战，信道估计耗时会因此而延长，波束成形的复杂度也会因此而增大。ris的波束成形一般需要先进行信道估计获取信道状态信息，还有一些方法无需信道估计也可以完成ris的波束成形，如在毫米波、太赫兹通等高频信号通信中可采用波束训练进行ris的波束成形。

2、ris的波束训练是指通过调整ris相移将ris反射波束对准接收端，该方法的优点是不需要信道估计，缺点是由于ris具有大量的反射单元可能需要较长训练的时间，目前的波束训练方法有传统波束训练、多波束训练、分层波束训练、随机波束训练和深度学习等方法。

3、传统波束训练首先需要为基站(base transceiver station，bs)，ris和用户制定码本(若为单天线无需制定码本)，每个码字均匀量化相移空间，且通常码本的数量与天线阵列或反射单元的数目相同，基站发射承载训练符号的信号发射给ris，ris将信号反射给用户，每个训练符合对应一个基站天线码字、ris相移码字和用户码字的组合。基站不断发送训练符号，直到将基站、ris、和用户之间码字组合完整遍历一遍，在用户会记录训练符号的信号强度，通过信号强度最强的符号获得最优码字，并将信号强度最大的训练符号反馈给基站，基站则获取了该符号对应的天线码字和ris相移码字。该方法需要遍历所有的码字组合因此会产生极大的延迟。

4、多波束的训练方法是用多个波束同时搜索来获得可能所在的码本空间，通过多个轮次搜索得到的多个可能所在的码本空间，利用这些结果的交集可得到最优码字。有文章(wang p,fang j,zhang w,li h.fast beam training and alignment for ris-assistedmillimeter wave/terahertz systems[j].ieee transactions on wirelesscommunications,2022,21(4):2710-2724.)提出了一种多波束训练方法，其考虑的是bs-ris和ris-用户均未对准的情形，其产生的多波束是通过优化的方式随机产生，并且根据每轮搜索的波束数目和搜索轮次给出能够识别最优波束的概率，其搜索方法适用于均匀平面阵列(uniform planar array，upa)ris和均匀线性阵列(uniform linear array，ula)-ris。该方法中由于组间反射的多波束方向是随机产生的，能够识别最优波束的概率存在理论上界，其理论上界与每轮搜索的波束数目和搜索轮次有关，且由于组内反射的多波束方向同样是随机的，因此每组内的多个波束方向会非常分散，每组平均波束增益较低。

技术实现思路

1、本发明提供了一种可重构智能反射面的波束训练方法，以解决现有波束训练方法搜索复杂度过高或对准成功率较低的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

3、一方面，本发明提供了一种可重构智能反射面的波束训练方法，所述可重构智能反射面的波束训练方法包括：

4、在智能反射面(ris)辅助的基站(bs)与多用户通信场景下，对ris单元分别进行垂直和水平方向上的分组；

5、分别在垂直及水平维度进行波束训练扫描；

6、根据波束扫描结果定位目标用户，据此得到最优码字。

7、进一步地，在所述场景中，一些与bs通信的用户los路径被障碍物遮挡，其中被部署的ris用来辅助bs和被障碍物遮挡的k个用户通信，每个ris由n＝nx×nz个反射单元组成，其中，nx表示每行的反射单元的数量，nz表示每列的反射单元数量，bs配备m根ula天线，用户配备单天线；ris被部署在x-z平面上，并附有控制器，用于控制每个反射元件的反射相移，且能够通过单独的可靠链路与bs交换信息；bs与ris位置均为固定，且bs已获取了ris的位置。

8、进一步地，对ris单元进行垂直方向上的分组及垂直空域波束训练扫描过程包括：

9、设其中，表示垂直空域波束训练阶段参与波束训练的每行ris反射单元的数量，假设存在约数表示自然数集；此阶段将ris垂直分为q组，每组的每行和每列的反射单元数量分别为dq和nz，每组反射产生的波束能够覆盖1/dq的水平空域和1/nz的垂直空域，因此整个ris反射产生的多波束能够覆盖q/dq的水平空域和1/nz的垂直空域，利用整个ris反射产生的多波束在垂直空域进行一轮波束训练，也就是nz次搜索，能够覆盖q/uq的整个空域；为了覆盖整个空域，需要进行轮次垂直空域波束训练，其中，表示向上取整，因此该阶段的搜索复杂度为uqnz，即为减少波束间干扰，不同组ris覆盖的波束码字在水平空域应保持预设距离，将此距离设为uq；垂直空域波束训练阶段第uq轮第jz次搜索码字的配置为：

10、

11、其中，uq∈(1,2,...,uq)；jz∈(1,2,...,nz)；

12、

13、其中，为dq行1列的零向量，为行1列的零向量，表示当前分组ris的反射单元处于关闭状态；表示克罗内克积；表示拥有dq个码字的码本中第i·uq+uq个码字；表示拥有nz个码字的码本中第jz个码字；

14、由bs向ris连续地发射多个训练符号，ris进行uq轮次的垂直空域波束训练，ris相移码字为时第k个用户接收到的信号表示为：

15、

16、其中，表示bs与ris之间的信道，表示m行n列的复数矩阵；diag(.)表示将向量对角化，表示第k个用户到ris之间的信道模型，表示n行1列的复数向量；表示bs以功率pb发射的训练符号，pb为bs发射训练符号的功率；表示复数集；f表示bs发射相移向量；nk(t)表示加性高斯白噪声；表示垂直空域波束训练阶段第uq轮第jz次搜索ris码字的配置。

17、进一步地，所述对ris单元水平方向上的分组及水平空域波束训练扫描过程包括：

18、设其中，表示水平空域波束训练阶段参与波束训练的每列ris反射单元的数量，表示自然数集；存在约数此阶段将ris水平分为p组，每组的每行和每列的反射单元数量分别为nx和dp，每组反射产生的波束能够覆盖1/nx水平空域和1/dp的垂直空域，因此整个ris反射产生的多波束能够覆盖p/dp的垂直空域和1/nx的水平空域，利用这样的多波束在水平空域进行一轮波束训练，也就是nx次搜索，能够覆盖p/up的整个空域；为了覆盖整个空域，需要进行轮次水平空域波束训练，其中，表示向上取整，因此水平空域波束训练阶段的搜索复杂度为upnx，即为减少波束间干扰，不同组ris覆盖的波束码字在垂直空域应保持预设距离，将此距离设为up；水平空域波束训练阶段第up轮第jx次搜索码字的配置如下：

19、

20、

21、其中，reshape(.)表示将矩阵按列排列为列向量；up∈(1,2,...,up)，jx∈(1,2,...,nx)；为dq行1列的零向量，为行1列的零向量，表示当前分组ris的反射单元处于关闭状态；表示克罗内克积；表示拥有nx个码字的码本中第jx个码字，t表示矩阵的转置；表示拥有dq个码字的码本中第i·uq+uq个码字；

22、由bs向ris连续地发射多个训练符号，进行up轮次水平空域波束训练，ris相移码字为时第k个用户接收到的信号表示为：

23、

24、其中，表示水平空域波束训练阶段第up轮第jx次搜索码字的配置；表示bs与ris之间的信道，表示m行n列的复数矩阵；diag(.)表示将向量对角化，表示第k个用户到ris之间的信道模型，表示n行1列的复数向量表示bs以功率pb发射的训练符号，pb为bs发射训练符号的功率，表示复数集；f表示bs发射相移向量；nk(t)表示加性高斯白噪声。

25、进一步地，根据波束扫描结果定位目标用户，据此得到最优码字，包括：

26、ris先后进行uq轮次的垂直空域波束训练和up轮次水平空域波束训练，在用户端得到每个码字对应的信号强度，设ris配置为或码字时第k个用户接收到的信号强度为或设第k个用户对应的水平垂直最优码字分别为则有：

27、

28、jz∈(1,2,...,nz),up∈(1,2,...,up)

29、

30、jx∈(1,2,...,nx),uq∈(1,2,...,uq)

31、得到第k个用户对应最优码字

32、再一方面，本发明还提供了一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述方法。

33、又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述方法。

34、本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

35、传统波束训练(穷尽搜索)方法采用的是高增益和高方向性的笔形波束，需要搜索n＝nx×nz个波束方向，而本发明的多波束训练方法采用的是多波束，该方法的核心思想是通过利用多波束进行多轮次的水平空域波束训练和垂直空域波束训练，基于水平和垂直空域波束训练结果得到最优码字，这种方法仅需要搜索个波束方向。仿真结果表明在高信噪比下本发明的波束训练方法与穷尽波束训练方法性能接近，而搜索复杂度远低于穷尽搜索波束训练方法。