[发明专利]一种RIS-UAV辅助应急通信的波束训练方法及相关装置

说明书

一种RIS‑UAV辅助应急通信的波束训练方法及相关装置，包括：基于无人机建立RIS辅助UAV通信模型，得到波束角度信息；通过优化波束角度信息最小化发射端的发射功率；基于成为最优解的必要条件KKT条件的优化，根据与波束角度信息的对齐迭代优化非均匀码本，不断反馈更新码本得到最优波束角度；得到优化后的波束角度信息，通过仿真与同大小的均匀码本、高精度码本以及完美波束对准对比，进行验证。本发明针对灾难场景下的应急通信，采用具有高频谱/能源效率、低成本以及高机动特性的RIS辅助UAV通信。考虑有限的通信条件以及能效问题，通过波束训练的码本设计与优化，降低上行通信系统的用户能耗。

技术领域

本发明属于应急通信技术领域，特别涉及一种RIS-UAV辅助应急通信的波束训练方法及相关装置。

背景技术

在灾难场景中，由于基础设施过载、网络拥塞、设施和业务损坏或终端、次生灾害等问题，导致灾区通信中断，这严重影响了应急救援的效率。无线通信是建立通信连接的典型可行技术。同时，考虑到频谱/能源效率或成本效益，可重构智能表面(reconfigurableintelligent surface,RIS)被认为是一种新的候选无线通信技术，以动态和定向的方式控制发射机和接收机之间的无线信号，进而重构无线传播环境。此外，由于无人机(unmannedaerial vehicle,UAV)具有高机动性。因此，RIS辅助UAV通信可以随时调整姿态，建立无线通信连接，是灾区实施应急救援的有效手段。

然而，由于无线通信环境复杂，如灾难场景下的高路径损耗、严重的阴影衰落和降雨衰落等，无线信道特性是随时变化的。

现有研究对于信道难以估计或信息难以获取的RIS辅助UAV通信的复杂场景下，波束成形难以设计和优化，关于RIS辅助通信系统的波束训练技术多从分层码本的设计、深度学习的训练、系统反馈开销的优化等角度进行研究，未考虑波束训练码本本身的优化设计，导致上行通信系统的用户能耗高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种RIS-UAV辅助应急通信的波束训练方法及相关装置，以解决上行通信系统的用户能耗高的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种RIS-UAV辅助应急通信的波束训练方法，包括：

基于无人机建立RIS辅助UAV通信模型，得到波束角度信息；

在RIS相移、波束码本、系统接收信噪比以及能效的约束条件下，通过优化波束角度信息最小化发射端的发射功率；

基于成为最优解的必要条件KKT条件的优化，根据与波束角度信息的对齐迭代优化非均匀码本，不断反馈更新码本得到最优波束角度；

得到优化后的波束角度信息，通过仿真与同大小的均匀码本、高精度码本以及完美波束对准对比，进行验证。

可选的，基于无人机建立RIS辅助UAV通信模型包括：

一个多天线基站BS、N个反射单元的RIS架设在无人机上以及一个多天线用户UE，通过RIS-UAV提供额外的反射路径，实现无线通信连接。

可选的，多天线基站BS及多天线用户UE天线阵列为均匀线阵，多天线基站BS及多天线用户UE的天线个数以及RIS的反射单元个数分别用N_U,N_B和N_R表示。

可选的，波束训练条件为：在上行通信，需要实现多天线用户UE-RIS、RIS-多天线基站BS两条通信链路的波束对准/波束训练；多天线基站BS位置已知，RIS位置通过无人机位置反馈确定，波束训练只涉及用户的出发角与RIS位置的到达角。

可选的，通过优化波束角度信息最小化发射端的发射功率具体为：