一种FD-RIS辅助的远场通信方法及远场通信系统

本发明涉及新一代无线通信，特别是涉及一种能够同时对信号实现距离和角度维度调控的频率分集可重构智能表面(frequency diverse reconfigurableintelligent surface,fd-ris)辅助的远场通信方法及远场通信系统。

背景技术：

1、目前，移动通信系统的频谱效率稳步接近其极限。如何进一步提高频谱效率和系统容量是下一代无线通信技术需要解决的关键问题。作为5g和有望的6g的关键技术，大规模多输入多输出(massive mimo)技术展示了在提升频谱效率、安全性和可靠连接方面的巨大潜力。然而，随着天线阵列规模的不断扩大，基于相控阵的mimo系统将面临诸多挑战，如高成本、高功耗和显著的插入损耗，这些因素将阻碍大规模部署massive mimo系统在5g和6g网络中。可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface,ris)技术提供了一种成本低且硬件高效的解决方案，以克服massive mimo系统遇到的障碍。由于ris不仅作为经济实惠的二维超表面，还具有控制入射信号电磁特性的能力，因此，它可以重塑无线传播环境，从而提高通信链路质量。因此，ris展示了显著的应用潜力，并已被整合到各种通信系统中，以增强通信性能。

2、实际上，即使在可重构智能表面(ris)的帮助下，远场通信系统的系统容量增强仍面临显著限制，主要原因如下：(1)在远场通信中，信号在传输过程中会经历大规模路径损耗。这意味着从发射器到接收器的信号强度随着距离的增加迅速减弱，导致非常有限的信号能量能够到达目标用户。尽管ris可以部分缓解传播过程中的损耗，但能量损失仍然是一个不可避免的因素。(2)与ris辅助的近场通信系统相比，远场通信中ris仅具有角度相关的方向图，只能调整传输信号的角度，缺乏直接控制距离维度的能力。要进一步增加远场通信系统的系统容量，将距离维度引入到ris对入射信号调整中是至关重要且非常有益的。然而，如何将距离维度整合到ris的调整中是一个重大挑战。

技术实现思路

1、为了解决仅角度调控能力ris辅助远场通信系统的系统容量增强仍面临显著限制的问题，本发明提出了一种fd-ris辅助的远场通信方法及远场通信系统，具有对信号实现距离和角度调控的功能，提高了远场通信系统的系统容量。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种fd-ris辅助的远场通信方法，包括：

4、fd-ris对从基站发射并到达fd-ris的入射信号进行反射处理，得到反射信号，并传输给用户；

5、其中，所述fd-ris为经时间调制的可重构智能表面，所述fd-ris的调制频率和反射系数经求解非凸优化问题得到；所述非凸优化问题，以可达通信容量最大为优化目标，以fd-ris的调制频率和相位约束为约束条件。

6、优选的，设fd-ris安装了s＝m×n个单元，索引为则所述非凸优化问题为：

7、

8、其中，r为可达通信容量；为时间调制波束赋形矩阵；为各时间调制周期t0的l个时隙的反射系数，fmin和fmax分别是调制频率f0的下限和上限；b为fd-ris反射系数的相位量化精度的比特数；l为在一个周期t0内的时间调制序列编码长度。

9、进一步的，r表示为：

10、

11、其中，

12、

13、pt为基站的发射功率；θbr和φbr分别是从基站到fd-ris的入射信号的仰角和方位角；θru和φru分别表示从fd-ris到用户的反射信号的仰角和方位角；η(dru)表示从fd-ris到用户的信号的大尺度路径损耗；dru表示fd-ris和用户之间的空间距离；fc为载波频率；z为谐波阶数；表示基站和fd-ris的第(m,n)单元之间的距离；σ2为噪声功率；c为光速；d为fd-ris上相邻单元的间隔。

14、进一步的，

15、进一步的，基于交叉熵优化框架的迭代算法对非凸优化问题进行求解。

16、进一步的，构建交叉熵优化框架的联合采样分布，表示为：

17、

18、其中，表示采样解；表示联合采样分布的倾斜参数；设γp仅限于从集合中选择值，表示γ中第p个条目选择中第q个元素的概率，且满足

19、

20、式中，1{·}表示事件的指示函数，算子表示取任意向量的第p个单元；

21、

22、式中，和μ分别表示方差和均值。

23、进一步的，所述非凸优化问题等效地转化为优化问题：

24、

25、其中，k表示基于联合采样分布生成得到候选解的数量，ξ[k]表示具有第k大目标函数值的候选解，选取前个样本形成精英集合

26、采用拉格朗日乘子法求解上述优化问题。

27、进一步的，构造优化问题的拉格朗日函数，其表达式为：

28、

29、其中，∈p是与上述优化问题中给定的等式约束相关联的拉格朗日乘子。

30、进一步的，拉格朗日函数对p、和μ的一阶偏导数，推导为：

31、

32、

33、让和推出：

34、

35、第i次迭代的倾斜参数根据以下方法进行修改：

36、

37、μ(i)←ξμ(i)+(1-ξ)μ(i-1),

38、其中，ξ∈(0,1)表示平滑参数，符号←表示赋值运算。

39、本发明提供一种远场通信系统，包括：fd-ris，所述fd-ris用于对从基站发射的入射信号进行反射处理，得到反射信号，并传输给用户；

40、所述fd-ris为经时间调制的可重构智能表面，所述fd-ris的调制频率和反射系数经求解非凸优化问题得到；所述非凸优化问题，以可达通信容量最大为优化目标，以fd-ris的调制频率和相位约束为约束条件。

41、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

42、本发明提供了一种基于频率分集可重构智能表面技术辅助的远场通信方法，具体是在远场通信中采用一种结合时间调制技术的具有分频功能的ris，称为分频ris(fd-ris)，与传统ris不同，fd-ris可以从距离和角度两个维度操控信号。本发明通过fd-ris辅助通信系统的信号处理模型，验证了fd-ris有能力实现对入射信号频率分集的能力，进一步产生距离-角度耦合方向图。所述fd-ris的调制频率和反射系数经求解以可达通信容量最大为优化目标、以fd-ris的调制频率和相位约束为约束条件的非凸优化问题得到。本发明通过构建包含fd-ris的远场通信系统，验证了本发明方法在提升通信性能方面的潜力。仿真结果显示，与利用传统ris的基线方案相比，本发明所提出的fd-ris方案在性能上有显著提升。

43、进一步的，本发明提出了一种基于交叉熵优化(ceo)框架的迭代算法，来求解所建立的非凸优化问题，相比其他算法而言，本发明基于交叉熵优化框架的迭代算法能提高通信性能。