面向移动用户的智能反射表面波束追踪与覆盖增强算法

郭雅婧 章嘉懿 鲁照华 王明慧

摘要：虽然智能反射表面（IRS）单元可以通过改变相移和反射系数来增强系统性能，但是用户运动和时延等未知因素使反射波束無法准确覆盖用户。为此，提出一种面向移动用户的波束追踪与覆盖增强算法。首先，根据用户的初始位置、运动方向和速度等信息，估算IRS的目标覆盖区域；然后，对IRS单元进行分组，并设计不同分组单元的反射相移使反射波束指向目标区域的相邻位置，进而实现对用户可能位置的有效覆盖；最后，采用注水算法分配由基站（gNB）发射在IRS不同分组单元上的波束功率，实现对目标区域覆盖的增强。

关键词：毫米波；IRS；相位设计；增强覆盖

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）技术是5G网络的关键技术之一[1-3]。通过利用mmWave频段上的大带宽，5G网络能够实现每秒千兆比特的通信速率[4]。然而，mmWave通信仍然面临一个关键挑战：与在较低频段上的路径衰减相比，mmWave信号的路径损耗要大得多[5]。为了补偿mmWave系统的严重路径损耗，通常会使用大型天线阵列来实现显著的波束成形增益，以进行数据传输[6]。

高方向性使mmWave通信容易受到遮挡物的影响，而遮挡物在室内和密集的城市环境中是大量存在的。由于mmWave信号的波束宽度窄、穿透能力弱，很小的障碍物（如人体）都会严重干扰链路[7]。为了解决这一问题，有些研究者使用中继来克服遮挡问题，并尝试扩大mmWave信号的覆盖范围[8-10]。然而，采用中继的方式具有成本高、耗能大的缺点。为了更好地解决mmWave通信的遮挡问题，智能反射表面（IRS）被提出。作为一种极具应用前景的绿色通信技术，IRS可以在不大幅增加系统能耗的条件下，主动调节入射信号的传播方向。具体而言，IRS拥有由大量可重新配置的无源元件组成的平面阵列，其中每个元件都能够不受入射信号影响独立地产生一定的相移和实时配置反射系数，与连接的智能控制器共同改变反射信号的传播，在视线链路受到障碍物干扰时，辅助网络建立可靠的mmWave连接[11]。因此，IRS可以在低成本、低功耗的条件下显著提高mmWave通信系统的性能。

目前，由IRS辅助的无线通信已经引起学术界广泛关注[12-13]。关注的重点在于，通过联合优化基站（gNB）的有源波束成形矢量和IRS的无源反射，来实现不同的性能优化目标。在利用由IRS辅助的多天线接入点（AP）为单用户服务的场景中，文献[14]通过联合优化有源和无源波束成形来最大程度地提高用户处接收信号的功率。在给定信干噪比的情况下，文献[15]通过优化有源和无源波束成形来最小化AP处的总发射功率。此外，文献[16]和文献[17]先后提出，通过联合优化发射功率来提高通信系统的频谱效率（SE）和能量效率（EE）等性能。

虽然目前已经有很多文献对由 IRS辅助的通信系统的性能进行分析和优化，但是在直射路径中断后，由IRS辅助的gNB对用户进行波束追踪的研究仍然缺乏。另外，由于IRS控制信号的时延和用户运动等，经IRS反射的波束无法准确与用户对齐。对此，本文提出一种面向移动用户的波束追踪与覆盖增强算法，首先设计IRS的相移以完成对用户的追踪覆盖，然后通过分配gNB的发射功率来实现覆盖区域的信号增强。

1系统模型

如图1所示，本文使用多输入单输出的系统。其中，IRS由Nt个单元构成，以辅助从多天线gNB到单天线用户的通信。实际上，每个IRS单元都配有一个控制器，该控制器通过单独的链路与gNB通信，以协调和交换有关的信道和控制信息，并为入射信号调整IRS单元的反射相移。鉴于mmWave信道的稀疏性和严重的路径损耗，本文忽略经IRS两次或更多次反射的信号，仅考虑经IRS单次反射的信号。

虽然所有约束条件都是凸的，但是关于P和φ的目标函数是非凸的，即问题（P1）是非凸优化问题。本文中，我们将在接下来的两节内容中分别提出IRS相移设计和gNB功率分配算法，以求解交替优化和解决（P1）问题。

2 IRS分组及相移设计算法

3 gNB功率分配算法

gNB采用頻分多址或时分多址的方式，来区分发送在不同IRS子阵列的波束[18]。在IRS单元划分子阵列且相移φ确定的情况下，要实现目标覆盖区域下信道容量最大化还需要对gNB进行恰当的功率分配。基于IRS相移设计，我们将（P1）问题化简为（P2）问题。为使经IRS反射的波束具有不同的功率，且波束功率能够随不同位置处UE出现概率的增大而增大，本文采用注水算法解决（P2）中的功率分配问题，如公式（14）—（16）所示。

4仿真结果与分析

图3是在UE历史位置为（10，10）、运动速度为3 m/s的情况下，IRS的波束覆盖与增强的效果图。图3中，横坐标表示UE位置的x坐标，纵坐标表示UE位置的y坐标，xy平面内每点处的颜色表示此位置的波束增益值。由图3仿真结果可以看出，本文提出的IRS相移设计和gNB功率分配能够显著提高IRS对UE运动区域波束覆盖的增益。

在图4—5中，实线表示在注水功率分配算法下的波束覆盖范围内可实现的信道容量，虚线表示在平均功率分配下覆盖范围内的信道容量。

图4比较了不同IRS距地高度对IRS波束追踪覆盖的影响。在不同的场景中，如室内、体育场馆和商业街区，我们需要根据UE普遍高度和运动特性来选择合适的IRS安装高度，以使IRS达到最佳性能。由图4可知，当gNB总发射功率为15 W时，在注水功率分配算法下的信道容量提高了7%，即我们实现了7%的覆盖增强。因此，在采用相移设计算法完成波束覆盖的基础上，与平均功率分配相比，注水功率分配算法可提高目标区域的信道容量，实现覆盖增强。

图5比较了不同UE运动速度对IRS用户覆盖的影响。由不同UE运动速度下的仿真结果可以看出，UE运动速度越大，覆盖区域内的波束增益越小。这是因为UE运动速度越大，在信号处理时延内UE产生的位移就越大，目标覆盖区域也会越大。这意味着需要更多的波束来实现对目标区域的覆盖。然而，每个波束分配到的功率会随波束数目的增多而减小。相应地，整个覆盖区域内获得的波束增益就会减小。因此，虽然覆盖性能会随UE运动速度的增加而下降，但是采用注水功率分配算法可实现平均7%～10%的性能提升。

5结束语

由于mmWave具有易被遮挡的特性，因此需要利用IRS辅助gNB来保障UE服务链路的连续性。本文中，我们提出联合使用IRS相移设计和gNB功率分配算法来增强UE运动范围的波束覆盖，同时提高mmWave通信对遮挡的鲁棒性，进而满足UE对通信服务的需求。尽管如此，IRS的波束覆盖在很多方面仍有进一步提升的空间，例如不同的相移设计与功率分配算法、IRS同时服务多用户、IRS仅有有限离散相位等，这些都将是我们未来研究的方向。

参考文献

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作者簡介

郭雅婧，北京交通大学在读硕士研究生；主要研究方向为智能超表面、智能波束管理等；发表论文1篇，申请专利1项。

章嘉懿，北京交通大学教授、德国洪堡学者、IEEE通信学会亚太地区杰出青年学者，曾入选中国科协“青年人才托举工程”；研究方向为大规模MIMO、智能无线通信；发表论文100余篇，获授权发明专利9项。

鲁照华，中兴通讯股份有限公司资深技术工程师；长期从事无线通信网络物理层关键技术研究；申请专利近千项。

王明慧，中国电子学会助理工程师、项目负责人；研究方向为信息与通信工程，主要从事电子信息交叉领域课题研究、科技项目管理、学术活动策划组织等工作，先后承担了多个国家部委的科技交流及人才举荐项目；发表核心期刊论文2篇，获授权国家发明专利2项。