一种智能反射面反射系数与偏置电压关系的测量方法
阅读说明：本技术 一种智能反射面反射系数与偏置电压关系的测量方法 (Method for measuring relation between reflection coefficient of intelligent reflecting surface and bias voltage ) 是由 党建 朱宏伟 张在琛 吴亮 朱秉诚 汪磊 于 2021-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种智能反射面反射系数与偏置电压关系的测量方法,该方法测量了智能反射面不同偏置电压的反射系数与参考电压对应的反射系数的关系。基于信道相干时间内信道恒定的特性,在信道相干时间内,控制器先将智能反射面的偏置电压恒定设置为参考电压,然后恒定设置为偏置电压范围内的任意待测电压值。发送端发送恒包络信号,接收端接收智能反射面反射后的信号,对接收信号进行处理得到待测偏置电压对应的反射系数与参考偏置电压对应的反射系数的比值。为了减少噪声对测量结果的影响,在测量过程中对接收信号多个样值取均值。本发明提供了低复杂度、低成本的智能反射面的反射系数与偏置电压关系的测量方法。(The invention discloses a method for measuring the relation between the reflection coefficient of an intelligent reflecting surface and bias voltage. Based on the constant characteristic of the channel in the channel coherence time, the controller firstly sets the bias voltage of the intelligent reflecting surface to be constant as reference voltage and then sets the bias voltage to be constant as any voltage value to be measured in the bias voltage range in the channel coherence time. The sending end sends a constant envelope signal, the receiving end receives the signal reflected by the intelligent reflecting surface, and the received signal is processed to obtain the ratio of the reflection coefficient corresponding to the bias voltage to be measured to the reflection coefficient corresponding to the reference bias voltage. In order to reduce the effect of noise on the measurement results, a plurality of samples of the received signal are averaged during the measurement. The invention provides a method for measuring the relation between the reflection coefficient and the bias voltage of an intelligent reflecting surface with low complexity and low cost.)
技术领域
本发明属于无线通信
技术领域
，尤其涉及一种智能反射面反射系数与偏置电压对应关系的测量方法。背景技术
移动通信业务对高速率通信的需求，促进了第5代移动通信(5G)技术诞生与应用，5G通信系统逐渐成为新一代信息基础设施的重要组成部分。在5G通信系统大规模部署的同时，也面临着成本和功耗增加等新问题。这些问题的解决，亟需采用新的技术手段。
智能反射表面(IRS,Intelligent Reflecting Surface)，或可重构智能表面(RIS,Reconfigurable Intelligent Surface)，为上述问题的解决提供了一种可行的技术途径。IRS是一种由大量低成本无源单元组成的超表面，能够通过改变电磁波的传播环境来提高通信系统的传输性能。在传统无线通信中，通信质量受到传播环境即信道的影响，而信道是无法受收发端主动控制和改变的。IRS通过独立调节每个单元的反射系数，多个反射单元协同作用，能够较大程度上改变信道的传播环境，从而达到主动调控信道的作用。
为了最大程度地发挥IRS的作用，提高部署IRS通信系统的性能，需要对IRS大量单元的反射系数进行合理的设置。目前典型的IRS每个单元由变容二极管构成并分别连接主控制器，主控制器通过调节变容二极管的偏置电压，改变单元阻抗从而调节对信号的反射系数。因此，在通信系统中部署IRS之前，需要提前建立好IRS单元的偏置电压与反射系数的对应关系。
现有的反射系数与偏置电压关系测量方案主要分为两种：一种方案是通过软件仿真来得到偏置电压与反射系数的关系图。而在实际中，由于制版工艺的误差以及电子元器件实际值与标称值的偏差，软件仿真得到的结果可能与实际反射系数与偏置电压的关系有较大偏差；另一种方案是在微波暗室中进行测量，测量中需要使用专业且昂贵的设备，因此成本较高。在实际使用中，如何低成本、简易快速地测量IRS反射相位与偏置电压的关系是目前需要解决的重要问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种智能反射面反射系数与偏置电压关系的测量方法,以解决如何低成本、简易快速地测量IRS反射相位与偏置电压的关系的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种智能反射面反射系数与偏置电压关系的测量方法，包括以下步骤：
步骤1、将一个发射天线和NR个接收天线分别对准具有M个单元的智能反射面，NR≥1；发送端持续发射频率为fc的载波信号x(t)＝Acos2πfct，t为信号持续时间，A为载波信号幅度；接收端控制智能反射面的偏置电压，并进行接收信号的采样；在同一时刻所有单元的偏置电压配置为相同电压值；
步骤2、智能反射面的偏置电压范围为[v0，vM]，其中v0是偏置电压最小值，vM是偏置电压最大值；将偏置电压v0定义为参考电压，其对应的反射系数α0定义为参考反射系数，测量并计算任意电压vi∈[v0，vM]对应的反射系数αi与α0的比值；
步骤3、重复步骤2并将步骤2中智能反射面的偏置电压恒定设置成[v0，vM]中不同的电压值，得到不同偏置电压对应的反射系数与α0的关系。
进一步的，步骤2中测量并计算任意电压vi∈[v0，vM]对应的反射系数αi与α0的比值具体包括以下步骤：
步骤2.1、信道相干时间为T，将其划分为T0和T1两个时间段，其中满足T0+T1＝T；在信道相干时间T内，智能反射面第m个单元到发送端天线的等效低通信道记为tm，智能反射面第m个单元到接收端第r个天线的等效低通信道记为在T0期间智能反射面的偏置电压恒定设置为v0，对NR个接收天线接收的信号进行载波解调和等间隔采样，采样点数记为N0，N0≥1；采样值表示为
其中为T0期间接收端对第r个天线端口接收的信号进行解调并采样后的第k个采样值，为T0期间第r个射频通道加性白高斯噪声过程的第k个采样值；取接收信号样本值的均值作为实际接收信号表示为
步骤2.2、在T1期间内，智能反射面的偏置电压恒定设置为v1，v1对应的反射系数为α1；对NR个接收天线接收的信号进行解调后采样，采样点数记为N1，N1≥1，采样值表示为
其中为T1期间接收端对第r个天线端口接收的信号进行解调并采样后的第k个采样值，为T1期间第r个射频通道加性白高斯噪声过程的第k个采样值；取接收信号N1个样本值的均值作为第r个天线实际接收信号表示为
步骤2.3、反射系数关系建立为：
上式为v0和v1对应的反射系数的α0和α1的关系。
进一步的，遍历载波信号频率fc，重复步骤1到步骤3，得到不同信号频率fc对应的反射系数与偏置电压的关系。
本发明的一种智能反射面反射系数与偏置电压关系的测量方法，具有以下优点：
(1)本发明提出了一种智能反射面反射系数与偏置电压关系的测量方法，与现有的测量方法相比，对测试环境要求不高，不需要微波暗室等专业的测量环境以及波导模拟器等专业设备，降低了测量系统的成本。
(2)本发明所提测试方法中，在同一时刻，智能反射面所有单元偏置电压相同，测试所用的电压控制电路设计更为简单，而且单元数量的增加不会提高测量复杂度，因而该测量方案对于不同单元数量的智能反射面具有普适性。
附图说明
图1为本发明的智能反射面反射系数测量系统示意图；
图2为本发明的信道相干时间内智能反射面偏置电压设置图；
图3为实施例一、二测量结果与理论结果对比图；
图中标记说明：1、发送端；2、接收端；3、控制器；4、智能发射面；5、发射单元；6、接收天线。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种智能反射面反射系数与偏置电压关系的测量方法做进一步详细的描述。
在实施例一中，如图1所示，测量智能反射面反射系数的测量系统中，包含了配置一个喇叭天线的发送端1、一个配置NR个喇叭天线的接收端2、一块M个单元智能反射面4。其中NR＝3，M＝16。根据智能反射面发射单元5中的变容二极管最高反向工作电压，智能反射面4的偏置电压设置在[0V，30V]。本发明提出的一种智能反射面反射系数与偏置电压关系测量方法，具体包括以下步骤：
步骤1，将一个发射天线和三个接收天线6分别对准智能反射面4。发送端1持续发射频率为fc的载波信号x(t)＝Acos2πfct，A为载波信号幅度。接收端2进行接收信号的采样，并通过控制器调节智能反射面4反射系数。特别地，在同一时刻所有单元的偏置电压配置为相同。以偏置电压0V为参考电压，其对应的反射系数α0定义为参考反射系数，测量并计算任意电压vi∈[0V，30V]对应的反射系数αi，本实施例中假设所有反射系数的模值为1；
步骤2，假设信道相干时间为T，将其划分为T0和T1两个时间段，满足T0+T1＝T。如图1所示，在某个信道相干时间T内，智能反射面4第m个发射单元5到发送端天线与接收端第r个天线的等效低通信道分别记为tm和如图2所示，在T0期间智能反射面4的偏置电压恒定设置为0V，对NR个接收天线6接收的信号进行载波解调和等间隔采样，采样点数记为N0，N0＝20。采样值表示为
其中为T0期间接收端对第r个天线端口接收的信号进行解调并采样后的第k个样值，为T0期间第r个射频通道加性白高斯噪声过程的第k个采样值。为了减少噪声的影响，取接收信号样本值的均值作为实际接收信号表示为
如图2所示，在T1期间内智能反射面4的偏置电压恒定设置为2V，假设偏置电压2V对应的反射系数为α1。NR个接收天线接收的信号进行解调后采样，采样点数记为N1,N1＝N0。采样值表示为
其中为T1期间接收端对第r个天线端口接收的信号进行解调并采样后的第k个采样值，为T1期间第r个射频通道加性白高斯噪声过程的第k个采样值。取接收信号N1个样本值的均值作为第r个天线实际接收信号表示为
反射系数关系建立为：
上式为偏置电压0V和2V对应的反射系数的α0和α1的关系；
步骤3，重复步骤2并将将步骤2中T1期间的智能反射面的偏置电压恒定设置成[0V，30V]中不同电压值，偏置电压取值如图3所示，得到同一载波信号频率下不同偏置电压对应的反射系数与α0的关系；
步骤4，反射系数不仅与偏置电压有关，而且还与载波信号频率有关。可选地，遍历载波信号频率fc，重复步骤1，2，3，可以得到不同信号频率fc对应的反射系数与偏置电压的关系。
实施例二：
测量智能反射面反射系数的测量系统中，包含了配置一个喇叭天线的发送端1、一个配置NR个喇叭天线的接收端2、一块M个单元智能反射面4。其中NR＝1，M＝16。根据智能反射面发射单元5中的变容二极管最高反向工作电压，智能反射面4的偏置电压设置在[0V，30V]。本发明提出的一种智能反射面反射系数与偏置电压关系测量方法，具体包括以下步骤：
步骤1，将发射天线和接收天线6分别对准智能反射面4。发送端1持续发射频率为fc的载波信号x(t)＝Acos2πfct，A为载波信号幅度。接收端2控制智能反射面4的偏置电压，并进行接收信号的采样。特别地，在同一时刻所有单元的偏置电压配置为相同。以偏置电压0V为参考电压，其对应的反射系数α0定义为参考反射系数，测量并计算任意电压vi∈[0V，30V]对应的反射系数αi，本实施例中假设所有反射系数的模值为1；
步骤2，假设信道相干时间为T，将其划分为T0和T1两个时间段，其中满足T0+T1＝T。在某个信道相干时间T内，智能反射面4第m个单元到发送端天线与接收端天线的等效低通信道分别记为tm和gm。如图2所示，在T0期间智能反射面4的偏置电压恒定设置为0V，对接收天线6接收的信号进行载波解调和等间隔采样，采样点数记为N0，N0＝1。采样值表示为
其中y0为T0期间接收端对接收天线端口接收的信号进行解调并采样后的采样值，n0为T0期间射频通道加性白高斯噪声过程的采样值。
如图2所示，在T1期间内智能反射面4的偏置电压恒定设置为2V，假设偏置电压2V对应的反射系数为α1。对NR个接收天线6接收的信号进行解调后采样，采样点数记为N1，N1＝N0。采样值表示为
其中y1为T1期间接收端对接收天线6端口接收的信号进行解调并采样后的采样值，n1为T1期间射频通道加性白高斯噪声过程的采样值。
反射系数关系建立为：
上式为0V和2V对应的反射系数的α0和α1的关系；
步骤3，重复步骤2并将将步骤2中T1期间的智能反射面4的偏置电压恒定设置成[0V，30V]中不同电压，偏置电压取值如图3所示，得到不同电压对应的反射系数与α0的关系；
步骤4，可选地，遍历载波信号频率fc，重复步骤1，2，3，可以得到不同信号频率fc对应的反射系数与偏置电压的关系。
图3是实施例一、二测量结果与理论结果对比图。其中“□”、“*”、“○”三个标识符分别为理论反射相位、实施例一NR＝3，N0＝20时测量反射相位和实施例二NR＝1，N0＝1时测量反射相位三条曲线。如图3所示，实施例一测量的反射相位与理论反射相位基本一致。而实施例二的测量的反射相位与参考反射相位会有一定的偏差。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
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