面向移動用戶的智能反射表面波束追蹤與覆蓋增強算法

郭雅婧 章嘉懿 魯照華 王明慧

摘要：雖然智能反射表面（IRS）單元可以通過改變相移和反射系數(shù)來增強系統(tǒng)性能，但是用戶運動和時延等未知因素使反射波束無法準(zhǔn)確覆蓋用戶。為此，提出一種面向移動用戶的波束追蹤與覆蓋增強算法。首先，根據(jù)用戶的初始位置、運動方向和速度等信息，估算IRS的目標(biāo)覆蓋區(qū)域；然后，對IRS單元進(jìn)行分組，并設(shè)計不同分組單元的反射相移使反射波束指向目標(biāo)區(qū)域的相鄰位置，進(jìn)而實現(xiàn)對用戶可能位置的有效覆蓋；最后，采用注水算法分配由基站（gNB）發(fā)射在IRS不同分組單元上的波束功率，實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域覆蓋的增強。

關(guān)鍵詞：毫米波；IRS；相位設(shè)計；增強覆蓋

Abstract： Although intelligent reflecting surface （IRS） unit can enhance system performance by changing phase shift and reflection coefficient， unknown factors such as user motion and time delay make the reflected beam still unable to accurately cover the user. To this end， the target coverage area of the IRS based on the users historical position and speed information is first estimated. Then the IRS units are grouped and the reflection phase shifts of different grouping units are designed， making the reflected beam point to the adjacent position of the target area to achieve complete coverage of the target area. Finally， the water-filling algorithm is used to allocate the power of the gNB beams， which are transmitted on different IRS grouping units， to enhance the coverage of the target area.

Keywords： millimeter-wave； intelligent reflecting surface； phase shift design； coverage enhancement

毫米波（mmWave）技術(shù)是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-3]。通過利用mmWave頻段上的大帶寬，5G網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)每秒千兆比特的通信速率[4]。然而，mmWave通信仍然面臨一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：與在較低頻段上的路徑衰減相比，mmWave信號的路徑損耗要大得多[5]。為了補償mmWave系統(tǒng)的嚴(yán)重路徑損耗，通常會使用大型天線陣列來實現(xiàn)顯著的波束成形增益，以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[6]。

高方向性使mmWave通信容易受到遮擋物的影響，而遮擋物在室內(nèi)和密集的城市環(huán)境中是大量存在的。由于mmWave信號的波束寬度窄、穿透能力弱，很小的障礙物（如人體）都會嚴(yán)重干擾鏈路[7]。為了解決這一問題，有些研究者使用中繼來克服遮擋問題，并嘗試擴大mmWave信號的覆蓋范圍[8-10]。然而，采用中繼的方式具有成本高、耗能大的缺點。為了更好地解決mmWave通信的遮擋問題，智能反射表面（IRS）被提出。作為一種極具應(yīng)用前景的綠色通信技術(shù)，IRS可以在不大幅增加系統(tǒng)能耗的條件下，主動調(diào)節(jié)入射信號的傳播方向。具體而言，IRS擁有由大量可重新配置的無源元件組成的平面陣列，其中每個元件都能夠不受入射信號影響?yīng)毩⒌禺a(chǎn)生一定的相移和實時配置反射系數(shù)，與連接的智能控制器共同改變反射信號的傳播，在視線鏈路受到障礙物干擾時，輔助網(wǎng)絡(luò)建立可靠的mmWave連接[11]。因此，IRS可以在低成本、低功耗的條件下顯著提高mmWave通信系統(tǒng)的性能。

目前，由IRS輔助的無線通信已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注[12-13]。關(guān)注的重點在于，通過聯(lián)合優(yōu)化基站（gNB）的有源波束成形矢量和IRS的無源反射，來實現(xiàn)不同的性能優(yōu)化目標(biāo)。在利用由IRS輔助的多天線接入點（AP）為單用戶服務(wù)的場景中，文獻(xiàn)[14]通過聯(lián)合優(yōu)化有源和無源波束成形來最大程度地提高用戶處接收信號的功率。在給定信干噪比的情況下，文獻(xiàn)[15]通過優(yōu)化有源和無源波束成形來最小化AP處的總發(fā)射功率。此外，文獻(xiàn)[16]和文獻(xiàn)[17]先后提出，通過聯(lián)合優(yōu)化發(fā)射功率來提高通信系統(tǒng)的頻譜效率（SE）和能量效率（EE）等性能。

雖然目前已經(jīng)有很多文獻(xiàn)對由 IRS輔助的通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析和優(yōu)化，但是在直射路徑中斷后，由IRS輔助的gNB對用戶進(jìn)行波束追蹤的研究仍然缺乏。另外，由于IRS控制信號的時延和用戶運動等，經(jīng)IRS反射的波束無法準(zhǔn)確與用戶對齊。對此，本文提出一種面向移動用戶的波束追蹤與覆蓋增強算法，首先設(shè)計IRS的相移以完成對用戶的追蹤覆蓋，然后通過分配gNB的發(fā)射功率來實現(xiàn)覆蓋區(qū)域的信號增強。

1系統(tǒng)模型

如圖1所示，本文使用多輸入單輸出的系統(tǒng)。其中，IRS由Nt個單元構(gòu)成，以輔助從多天線gNB到單天線用戶的通信。實際上，每個IRS單元都配有一個控制器，該控制器通過單獨的鏈路與gNB通信，以協(xié)調(diào)和交換有關(guān)的信道和控制信息，并為入射信號調(diào)整IRS單元的反射相移。鑒于mmWave信道的稀疏性和嚴(yán)重的路徑損耗，本文忽略經(jīng)IRS兩次或更多次反射的信號，僅考慮經(jīng)IRS單次反射的信號。

雖然所有約束條件都是凸的，但是關(guān)于P和φ的目標(biāo)函數(shù)是非凸的，即問題（P1）是非凸優(yōu)化問題。本文中，我們將在接下來的兩節(jié)內(nèi)容中分別提出IRS相移設(shè)計和gNB功率分配算法，以求解交替優(yōu)化和解決（P1）問題。

2 IRS分組及相移設(shè)計算法

3 gNB功率分配算法

gNB采用頻分多址或時分多址的方式，來區(qū)分發(fā)送在不同IRS子陣列的波束[18]。在IRS單元劃分子陣列且相移φ確定的情況下，要實現(xiàn)目標(biāo)覆蓋區(qū)域下信道容量最大化還需要對gNB進(jìn)行恰當(dāng)?shù)墓β史峙??；贗RS相移設(shè)計，我們將（P1）問題化簡為（P2）問題。為使經(jīng)IRS反射的波束具有不同的功率，且波束功率能夠隨不同位置處UE出現(xiàn)概率的增大而增大，本文采用注水算法解決（P2）中的功率分配問題，如公式（14）—（16）所示。

4仿真結(jié)果與分析

圖3是在UE歷史位置為（10，10）、運動速度為3 m/s的情況下，IRS的波束覆蓋與增強的效果圖。圖3中，橫坐標(biāo)表示UE位置的x坐標(biāo)，縱坐標(biāo)表示UE位置的y坐標(biāo)，xy平面內(nèi)每點處的顏色表示此位置的波束增益值。由圖3仿真結(jié)果可以看出，本文提出的IRS相移設(shè)計和gNB功率分配能夠顯著提高IRS對UE運動區(qū)域波束覆蓋的增益。

在圖4—5中，實線表示在注水功率分配算法下的波束覆蓋范圍內(nèi)可實現(xiàn)的信道容量，虛線表示在平均功率分配下覆蓋范圍內(nèi)的信道容量。

圖4比較了不同IRS距地高度對IRS波束追蹤覆蓋的影響。在不同的場景中，如室內(nèi)、體育場館和商業(yè)街區(qū)，我們需要根據(jù)UE普遍高度和運動特性來選擇合適的IRS安裝高度，以使IRS達(dá)到最佳性能。由圖4可知，當(dāng)gNB總發(fā)射功率為15 W時，在注水功率分配算法下的信道容量提高了7%，即我們實現(xiàn)了7%的覆蓋增強。因此，在采用相移設(shè)計算法完成波束覆蓋的基礎(chǔ)上，與平均功率分配相比，注水功率分配算法可提高目標(biāo)區(qū)域的信道容量，實現(xiàn)覆蓋增強。

圖5比較了不同UE運動速度對IRS用戶覆蓋的影響。由不同UE運動速度下的仿真結(jié)果可以看出，UE運動速度越大，覆蓋區(qū)域內(nèi)的波束增益越小。這是因為UE運動速度越大，在信號處理時延內(nèi)UE產(chǎn)生的位移就越大，目標(biāo)覆蓋區(qū)域也會越大。這意味著需要更多的波束來實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域的覆蓋。然而，每個波束分配到的功率會隨波束數(shù)目的增多而減小。相應(yīng)地，整個覆蓋區(qū)域內(nèi)獲得的波束增益就會減小。因此，雖然覆蓋性能會隨UE運動速度的增加而下降，但是采用注水功率分配算法可實現(xiàn)平均7%～10%的性能提升。

5結(jié)束語

由于mmWave具有易被遮擋的特性，因此需要利用IRS輔助gNB來保障UE服務(wù)鏈路的連續(xù)性。本文中，我們提出聯(lián)合使用IRS相移設(shè)計和gNB功率分配算法來增強UE運動范圍的波束覆蓋，同時提高mmWave通信對遮擋的魯棒性，進(jìn)而滿足UE對通信服務(wù)的需求。盡管如此，IRS的波束覆蓋在很多方面仍有進(jìn)一步提升的空間，例如不同的相移設(shè)計與功率分配算法、IRS同時服務(wù)多用戶、IRS僅有有限離散相位等，這些都將是我們未來研究的方向。

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作者簡介

郭雅婧，北京交通大學(xué)在讀碩士研究生；主要研究方向為智能超表面、智能波束管理等；發(fā)表論文1篇，申請專利1項。

章嘉懿，北京交通大學(xué)教授、德國洪堡學(xué)者、IEEE通信學(xué)會亞太地區(qū)杰出青年學(xué)者，曾入選中國科協(xié)“青年人才托舉工程”；研究方向為大規(guī)模MIMO、智能無線通信；發(fā)表論文100余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利9項。

魯照華，中興通訊股份有限公司資深技術(shù)工程師；長期從事無線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)研究；申請專利近千項。

王明慧，中國電子學(xué)會助理工程師、項目負(fù)責(zé)人；研究方向為信息與通信工程，主要從事電子信息交叉領(lǐng)域課題研究、科技項目管理、學(xué)術(shù)活動策劃組織等工作，先后承擔(dān)了多個國家部委的科技交流及人才舉薦項目；發(fā)表核心期刊論文2篇，獲授權(quán)國家發(fā)明專利2項。