[發明專利]一種智能超表面技術輔助無人機信道建模方法

在審

• 申請號: 202211258390.3
• 申請日: 2022-10-14
• 公開（公告）號: CN115580364A
• 公開（公告）日: 2023-01-06
• 發明（設計）人: 張在琛;熊柏蘋;江浩
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H04B17/391
• 分類號: H04B17/391;H04B7/185;H04B7/22
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 沈廉

本發明公開了一種智能超表面技術輔助無人機信道建模方法，通過引入動態子陣列劃分算法將RIS陣列劃分為多個小尺寸子陣列，使得平面波近似應用于子陣列信道參數的求解，可有效降低大尺度RIS陣列輔助UAV?GR無線信道中近場傳輸場景下的信道特性計算復雜度。本發明提出的基于動態子陣列劃分算法的信道建模方法在遠場傳輸場景下可獲得與傳統平面波模型相同的建模精度，且不會增加額外的計算復雜度。

技術領域

本發明涉及無線通信技術領域，尤其涉及智能超表面技術輔助無人機信道建模方法。

背景技術

無人機(UAV)通信是6G無線通信網絡的重要組成部分，相對于傳統路面或衛星通信具有可根據需求部署以實現通信鏈路的快速搭建、低網絡部署成本、三維空間運動以及不同高度(豎直偏向角)影響等特性，對實現6G“全覆蓋、全應用”愿景具有重要意義。智能超表面技術(RIS)作為一種新興的低成本高能效使能技術，可通過采用大量低成本、亞波長、近無源反射單元調控電磁波來構造智能化動態傳輸環境，增強收發端的通信性能。本發明圍繞RIS輔助UAV-GR無線信道展開分析，揭示RIS輔助UAV無線信道新特性，探索RIS輔助UAV無線信道特性分析方法，為相關技術發展提供理論基礎。

針對RIS輔助無線信道特性的研究主要涉及大尺度路徑損耗和小尺度衰落兩個方面。針對第一個方面，法國巴黎薩克雷大學團隊基于向量域格林定理分析了RIS輔助無線信道路徑損耗特性；東南大學團隊推導并實驗測量驗證了RIS輔助無線信道的自由空間路徑損耗模型。針對RIS輔助無線信道的小尺度衰落特性研究尚處于起步階段，可公開檢索的相關研究成果大都聚焦于RIS輔助路面低頻段無線通信系統的信道特性分析。基于這些模型的結論無法適用于RIS輔助UAV-GR無線通信系統。

現有關于RIS信道模型的研究大都考慮遠場傳輸環境，即假設收發端到RIS之間的傳輸距離大于RIS陣列的瑞利距離，進而采用平面波模型求解信道參數。研究表明，RIS需要集成大量的單元數目才能提供可觀的性能增益，單元數目的增加會引起RIS陣列尺寸的增大，進而導致陣列瑞利距離的增大。同時，UAV的高動態特性使得UAV和RIS之間的傳輸距離隨時間不斷變化。因此，在RIS輔助UAV-GR無線通信系統中，遠場傳輸條件并不能始終成立。在近場傳輸環境下，雖然可采用球面波模型求解信道參數，但球面波模型復雜度過高。為了解決這一問題，本發明提出一種RIS輔助無人機信道傳輸特性分析方法，通過引入動態子陣列劃分算法將RIS陣列劃分為多個小尺寸子陣列，從而將平面波近似應用于子陣列信道參數的求解，可有效降低大尺度RIS陣列輔助UAV-GR無線信道中近場傳輸場景下的信道特性分析復雜度。同時，本發明提出的基于動態子陣列劃分算法的信道特性分析方法在遠場傳輸場景下可獲得與傳統平面波模型相同的建模精度，且不會增加額外的計算復雜度。

發明內容

技術問題：針對現有技術中存在的不足，本發明提供一種智能超表面技術輔助無人機信道建模方法，通過對RIS陣列進行動態子陣列劃分，從而將平面波近似應用于子陣列信道參數的求解，可有效降低近場傳輸場景下RIS輔助UAV無線信道建模復雜度，進一步提高信道模型的可擴展性。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的一種智能超表面技術輔助無人機信道建模方法包括以下步驟：

步驟1：構建智能超表面RIS輔助無人機UAV-路面用戶GR無線通信場景；包括：構建x-y-z直角坐標系，設置與UAV和GR天線陣列相關的參數、與RIS陣列相關的參數、以及與散射簇相關的參數；

步驟2：當UAV和GR處于運動狀態時，計算UAV和GR天線陣列中點到RIS陣列中心的最短幾何傳輸距離；

步驟3：對RIS陣列執行子陣列劃分，確保每個子陣列的瑞利距離都小于UAV和GR天線陣列中點到RIS陣列中心的最短傳輸距離，計算子陣列的數目、子陣列包含單元的數目以及子陣列中心點的位置坐標矢量；

步驟4：當UAV發出的信號經RIS作用到達GR時，基于步驟3得到的子陣列，計算傳輸鏈路的信道沖激響應函數；