1.基于智能反射面的宽带高空平台信道模型建立方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、考虑到用户端Rx周围以及智能反射面IRS和高空平台Tx周围的传播环境,采用三维多圆柱体代表用户端周围的散射体,采用三维多椭圆‑圆柱体代表高空平台Tx和智能反射面IRS之间的散射体,建立基于智能反射面的宽带高空平台信道模型,并得到信道模型的复信道增益;
S2、为了最大程度地改善通信质量以达到最佳的接收信号功率,并以此为原则,根据基于智能反射面的宽带高空平台信道模型,采用统计性均值运算,设计基于智能反射面中反射单元的反射相位的优化问题;
S3、由于在信道模型中经智能反射面IRS中智能反射单元的反射分量占模型复信道增益的主要部分,最优的智能反射面IRS时变反射相位的求值简化为求智能反射面IRS中的智能反射单元反射分量最大时的反射相位;
S4、根据谐波加法定理,求出最优的智能反射面IRS时变反射相位;
S5、根据高空平台和用户端的运动的情况,确定高空平台Tx、用户端Rx、智能反射面IRS分别和散射体之间的时变参数,时变参数包括高空平台Tx与散射体 用户端Rx与散射体 智能反射面IRS与散射体 以及用户端Rx与散射体 之间的时变方位角和时变仰角参数;
S6、通过步骤S4得到的最优的智能反射面IRS时变反射相位和步骤S5中得到的时变参数,求解基于智能反射面的宽带高空平台信道模型的空时相关性函数,通过相关性分析来确定智能反射面IRS对高空平台信道特性的影响。
2.根据权利要求1所述的基于智能反射面的宽带高空平台信道模型建立方法,其特征在于,步骤S1中得到的基于智能反射面的宽带高空平台信道模型的复信道增益hpq,uw(t)的计算公式为:
其中,t表示时间变量,L表示一共全部抽头的次数,l表示第l次抽头,cl表示第l次抽头带来的增益效果, 表示第l次抽头时高空平台(q,p)‑th天线单元和用户端(w,u)‑th天线单元散射分量的复信道增益, 表示第l次抽头时高空平台(q,p)‑th和用户端(w,u)‑th天线单元之间的智能反射面IRS反射的复信道增益;
表示第l次抽头时高空平台天线单元(q,p)‑th和用户端(w,u)‑th天线单元经智能反射面IRS反射后直射分量的复信道增益, 表示第l次抽头时(q,p)‑th天线单元经IRS和散射体反射后的散射分量的复信道增益。
3.根据权利要求1所述的基于智能反射面的宽带高空平台信道模型建立方法,其特征在于,步骤S2中优化问题表示如下:其中,t表示时间变量,θmn(t)表示智能反射面IRS时变反射相位, 表示统计性均值运算,hpq,uw(t)表示基于智能反射面的宽带高空平台信道模型的复信道增益。
4.根据权利要求3所述的基于智能反射面的宽带高空平台信道模型建立方法,其特征在于,步骤S3中将步骤S1中的复信道增益带入步骤S2中的优化问题中,则优化问题进一步表示为:
其中,L表示一共全部抽头的次数,l表示第l次抽头,cl表示第l次抽头带来的增益效果,表示第l次抽头时高空平台(q,p)‑th天线单元和用户端(w,u)‑th天线单元散射分量的复信道增益, 表示第l次抽头时高空平台(q,p)‑th和用户端(w,u)‑th天线单元之间的智能反射面IRS反射的复信道增益。
5.根据权利要求4所述的基于智能反射面的宽带高空平台信道模型建立方法,其特征在于,信号复信道增益主要有经智能反射单元的单跳分量SB所支配,忽略双跳分量DB的影响,优化问题化简如下:
其中, 表示第l次抽头时高空平台天线单元(q,p)‑th和用户端(w,u)‑th天线单元经智能反射面IRS反射后直射分量的复信道增益;
根据复指数性质,上述问题又表示为:其中,Nl1表示散射体 的数目,nl,1表示第nl,1个散射体, 和 表示辅助变量,cos(·)表示余弦函数, 表示第l次抽头高空平台天线单元和用户端天线单元之间的经散射体 后的时变相位, 表示第1次抽头高空平台天线单元和用户端天线单元之间经(m,n)‑th智能反射单元后直射分量的时变相位, 表示第1次抽头高空平台天线单元和用户端天线单元之间经(m’,n’)‑th智能反射单元反射后直射分量的时变相位;
根据公式(5)中 可知,当 与
为常数且相等时, 取到最大值;
其中 具体表达式为:
其中, 表示第1次抽头高空平台天线单元和用户端天线单元之间经(m,n)‑th智能反射单元后直射分量的时变相位,π表示圆周率,λ表示载波波长,ξpq,mn(t)表示(q,p)‑th发射天线单元与(n,m)‑th反射单元之间的时变传播距离,ξmn,uw(t)表示(n,m)‑th反射单元与(w,u)‑th接收天线单元之间的时变传播距离,fIRSR(t)表示智能反射面IRS到达用户端Rx的时变多普勒频移,fIRST(t)表示发送端Rx到达智能反射面IRS的时变多普勒频移。
6.根据权利要求1所述的基于智能反射面的宽带高空平台信道模型建立方法,其特征在于,步骤S4具体为:
假定辅助变量为 和 并假定最优的智能反射面IRS时变反射相位为其中令 其
中,π表示圆周率,t表示时间变量,λ表示载波波长,ξpq,mn(t)表示(q,p)‑th发射天线单元与(n,m)‑th反射单元之间的时变传播距离,ξmn,uw(t)表示(n,m)‑th反射单元与(w,u)‑th接收天线单元之间的时变传播距离,fIRST(t)表示高空平台Tx到达智能反射面IRS的时变多普勒频移,fIRSR(t)表示智能反射面IRS到达用户端Rx的时变多普勒频移;
此时, 最优反射相位的求解问题表示为:其中, 表示统计性均值运算,L表示一共全部抽头的次数,l表示第l次抽头,Nl,1表示散射体 的数目,nl,1表示第nl,1个散射体, 和 表示辅助变量, 表示第l次抽头高空平台天线单元和用户端天线单元之间的经散射体 后的时变相位, 表示方位角概率密度函数, 表示仰角概率密度函数, 表示从 散射后到达用户端方位角, 表示从 散射后到达用户端仰角;
根据谐波加法定理,为了达到式子的最大值,需要确保:‑1
其中,sgn(·)表示符号函数,χA和χB表示辅助变量,cos(·)表示余弦函数,tan (·)表示正切函数的反函数;
此时 表示为:
最优的智能反射面IRS时变反射相位表示如下:其中, 表示最优的智能反射面IRS时变反射相位。
7.根据权利要求1所述的基于智能反射面的宽带高空平台信道模型建立方法,其特征在于,步骤S5具体为:
高空平台和散射体 之间的时变方位角为:其中, 表示高空平台和散射体 之间的时变方位角,t表示时间变量,δ1表示辅助变量,π表示圆周率, 表示散射体 在坐标系中的纵坐标;
高空平台和散射体 之间的时变仰角为:其中, 表示高空平台和散射体 之间的时变仰角,arctan(·)表示正切函数的反函数,HT表示高空平台的高度,HR表示用户端的高度,R表示散射体 与用户端的投影之间的距离, 表示散射体 相对于用户端的仰角, 表示高空平台与用户端周围散射体 的投影之间的时变距离;
用户端和散射体 之间的时变方位角为:其中, 表示用户端和散射体 之间的时变方位角,δ2表示辅助变量;
高空平台和散射体 之间的时变仰角为:其中, 表示用户端和散射体 之间的时变仰角, 表示高空平台与用户端周围散射体 的投影之间的时变距离;
智能反射面IRS和散射体 之间的时变方位角为:其中, 表示智能反射面IRS和散射体 之间的时变方位角,δ4表示辅助变量,表示散射体 在坐标系中的纵坐标;
智能反射面IRS和散射体 之间的时变仰角为:其中, 表示智能反射面IRS和散射体 之间的时变仰角,HIRS表示智能反射面IRS的高度, 表示散射体 与用户端Rx的投影之间的距离,tan(·)表示正切函数,表示用户端Rx和散射体 之间的仰角, 表示高空平台Tx和散射体 的投影之间的时变距离;
用户端Rx和散射体 之间的时变方位角为:其中, 表示用户端Rx和散射体 之间的时变方位角,δ5表示辅助变量;
用户端Rx和散射体 之间的时变仰角为:其中, 表示用户端Rx和散射体 之间的时变仰角, 表示用户端Rx和散射体 的投影之间的时变距离。
8.根据权利要求1所述的基于智能反射面的宽带高空平台信道模型建立方法,其特征在于,步骤S6具体为:
S61、通过步骤S4得到的最优的智能反射面IRS时变反射相位和步骤S5中得到的时变函数,求解基于智能反射面IRS的宽带高空平台信道模型的空时相关性函数,计算公式如下:其中,ρ1,pq,uw,p′q′,u′w′(t,dP,dQ,dU,dW)表示第1次抽头时hpq,uw(t)和hp'q',u'w'(t)之间的时空相关性函数, 表示第1次抽头时Rx和Tx之间散射分量的时空相关函数, 表示第1次抽头时Rx和Tx之间经IRS反射的直射分量的时空相关性函数, 表示第1次抽头时Rx和Tx之间经过IRS和散射体反射的散射分量的时空相关性函数,ρl,pq,uw,p′q′,u′w′(t,dP,dQ,dU,dW)表示第l次抽头时hpq,uw(t)和hp'q',u'w'(t)之间的时空相关性函数, 表示第l次抽头时Rx和Tx之间散射分量的时空相关函数, 表示第l次抽头时Rx和Tx之间经过IRS和散射体反射的散射分量的时空相关性函数;hpq,uw(t)表示(q,p)‑th天线单元和(w,u)‑th天线单元之间的复信道增益,hp'q',u'w'(t)表示(q’,p’)‑th天线单元和(w’,u’)‑th天线单元之间的复信道增益,dP和dQ分别表示高空平台中的两个天线单元(q,p)和(q’,p’)的横纵坐标的差值,dU和dW分别表示用户端的两个天线单元(w,u)和(w’,u’)的横纵坐标的差值;
S62、利用步骤S61得到的空时相关性函数,确定智能反射面IRS、智能反射单元数目和智能反射单元尺寸对高空平台信道统计特性的影响。
9.一种设备,其特征在于,包括存储器和处理器,其中:存储器,用于存储能够在处理器上运行的计算机程序;
处理器,用于在运行所述计算机程序时,执行如权利要求1‑8任一项所述基于智能反射面的宽带高空平台信道模型建立方法的步骤。
10.一种存储介质,其特征在于,所述存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被至少一个处理器执行时实现如权利要求1‑8任一项所述基于智能反射面的宽带高空平台信道模型建立方法的步骤。