[发明专利]一种采用智能反射面辅助的宽覆盖波束设计方法

说明书

本发明公开了一种采用智能反射面辅助的宽覆盖波束设计方法，用于增强无线广播信道的通信覆盖，所述方法包括：首先，根据系统所需的宽覆盖通信需求将目标角度范围分段，对每段角度范围确定目标波束方向图；再根据目标波束方向图，使用基于黎曼流形的共轭梯度法得到智能反射面的最优相移；最后，确定基站预编码向量，通过设置智能反射面的相移来调节反射波束的方向图，实现波束扫描功能与宽覆盖通信。本发明使用智能反射面实现无线广播信道的宽覆盖，设计的波束方向图具有波束宽、功率波动小、波束可扫描等特点，并且不需要用户的信道状态信息，为毫米波广播信道提供了可靠的宽覆盖通信。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是一种采用智能反射面辅助的宽覆盖波束设计方法。

背景技术

毫米波频段具有丰富的频谱资源，但是无线信号在毫米波频段衰减大、易受遮挡，无线信道状态严重影响了通信服务质量。在传统无线通信系统中，无线信道不受使用者控制，成为限制通信系统性能的重要因素。新一代通信系统中，智能反射面技术可以重构无线信道，将不利的无线环境转化为有利条件，从而辅助无线通信系统，提高了无线通信的可靠性。智能反射面由大量反射单元组成，每个反射单元配置数字移相器，能够独立改变入射信号的相移。通过优化大量反射单元构成的相移矩阵，使用者可以人工配置收、发端之间的等效信道，提供可靠的通信服务。在毫米波通信中，收、发端之间的视距信道易受遮挡，通过架设智能反射面设备，可以额外建立智能反射面与收、发两端的视距信道，从而恢复高质量的通信服务，提高了通信鲁棒性。智能反射面具有剖面低、重量轻、成本低等优点，低剖面的智能反射面设备可以安置在建筑物外墙面上，这样反射面不仅可以与现有通信系统相兼容，还能够和谐融入生活环境。

在广播信道的通信传输中，并非所有用户都处于活动状态，基站无法获取非活动用户的信道状态信息。为使通信服务能够覆盖所有潜在用户，信号的辐射方向图应具备宽波束特性。同时，为了在覆盖范围内提供稳定的服务质量，方向图在覆盖区域内的功率波动应尽可能小。因此，在不具备用户信道状态信息的情况下，需要设计平顶波束方向图，以实现广播信道的宽覆盖通信。在毫米波频段，广播信道易受遮挡、信号衰减的影响，基站与覆盖区域之间的视距信道被堵塞，通信质量差。这时，智能反射面技术可以提供额外的通信路径，通过反射基站发送的广播信号，反射面为覆盖区域提供等效的宽平顶波束方向图，以实现可靠的宽覆盖通信。由于智能反射面只能调节无线信号的相位，传统阵列方向图综合方法不能适用。在智能反射面相移的恒模约束下，需要研究有效的阵列方向图综合方法，优化基站预编码与智能反射面相移，以实现宽平顶波束方向图的设计。另一方面，当覆盖区域要求较宽、反射角度较大时，只通过调节阵列方向图的相位难以获得较低的平顶波动和旁瓣功率；同时，较宽的波束使功率在空间分散，覆盖区域的功率增益降低。因此，需要研究波束扫描方法，将目标覆盖区域分成多段，分别设计平顶方向图进行覆盖，通过分时隙调节智能反射面的相移，产生指向不同方向的平顶方向图，以覆盖整个目标角度范围。这样，较窄的平顶波束不仅更易综合设计，而且可以获得更高的功率增益，从而提高用户的接收信噪比，增强系统性能。

发明内容

发明目的：针对上述技术的不足之处，本发明使用智能反射面辅助广播信道的通信，以低功率波动的宽覆盖波束为目标，考虑智能反射面相移的恒模约束，本发明为智能反射面辅助的广播信道提供了一种相移设计方法，适用于可调节的目标覆盖范围，并能以波束扫描方式提供宽覆盖通信。

为实现上述技术目的，本发明提供以下技术方案：一种采用智能反射面辅助的宽覆盖波束设计方法，基站发送的信号经过智能反射面反射，形成宽波束以覆盖多个用户，首先，将系统所需覆盖的目标角度范围整体设计或分多段分别进行设计，设置平顶波束作为目标方向图，目标方向图指向并覆盖所需角度范围，提供等功率覆盖；再根据目标波束方向图，使用基于黎曼流形的共轭梯度法得到智能反射面的最优相移；最后，确定基站预编码向量，通过设置智能反射面的相移来调节反射波束的方向图，实现波束扫描功能与宽覆盖通信。

具体步骤为：