CN112994770A - 基于部分csi的ris辅助多用户下行鲁棒无线传输方法 - Google Patents

基于部分csi的ris辅助多用户下行鲁棒无线传输方法 Download PDF

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CN112994770A CN202110153608.8A CN202110153608A CN112994770A CN 112994770 A CN112994770 A CN 112994770A CN 202110153608 A CN202110153608 A CN 202110153608A CN 112994770 A CN112994770 A CN 112994770A
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Abstract

本发明公开了一种基于部分CSI的RIS辅助多用户下行鲁棒无线传输方法，首先构建包括一个多天线基站、一块由多个被动反射单元构成的RIS及多个单天线用户的RIS辅助的多用户下行无线传输系统；其次，针对RIS辅助的多用户下行无线传输系统，多个用户和基站分别向RIS发射导频信号，RIS分别估计出RIS到基站和用户的有误差的CSI；最后，以最大化多用户的大系统近似和速率为优化目标，借助估计得到的CSI，设计波束矩阵和RIS相位矩阵，进行信号的传输。本发明考虑了非理想的CSI，以最小化传输功率为优化目标，更加符合实际应用场景，并交替优化相位转移和波束向量，更加鲁棒，达到节约能耗的效果，且保证了用户安全通信的最低需求。

Description

基于部分CSI的RIS辅助多用户下行鲁棒无线传输方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于部分CSI(Channel StateInformation，信道状态信息)的RIS(Reconfigurable Intelligent Surface，可重配置智能表面)辅助多用户下行鲁棒无线传输方法，使信息更有效率地传输，并增加信息传输安全性。
背景技术
随着时代发展，通过RIS辅助多用户下行鲁棒无线传输方法变得可行。由于通信设备数量的巨大增长，人们提出了各种无线技术来提高频谱和能源效率，如多输入多输出、合作通信、认知无线电等等。然而，这些技术只注重收发器的信号处理，以适应无线环境的变化，但不能消除由由不可控制的电磁波传播环境引起的负面影响。
近年来，RIS由于其通过控制无线传播环境实现高光谱/能量效率的能力而被认为是一种很有前途的技术。RIS可以改变入射电磁波的衰减和散射，使其在到达预定的接收机之前以所需的方式传播，这被称为可编程和可控的无线环境。
发明内容
发明目的：本发明提出一种基于部分CSI的RIS辅助多用户下行鲁棒无线传输方法，不仅能节约能耗，还能保证用户安全通信的最低需求，更加符合实际应用场景。
发明内容：本发明提出一种基于部分CSI的RIS辅助多用户下行鲁棒无线传输方法，具体包括以下步骤：
(1)构建RIS辅助的多用户下行无线传输系统，所述系统包括一个多天线基站、一块由多个被动反射单元构成的RIS及多个单天线用户；
(2)针对RIS辅助的多用户下行无线传输系统，多个单天线用户和基站分别向RIS发射导频信号，RIS分别估计出RIS到基站和用户的有误差的CSI；
(3)以最大化多用户的大系统近似和速率为优化目标，借助估计得到的有误差的CSI，设计波束矩阵，并利用统计CSI设计RIS相位矩阵，进行信号的传输。
进一步地，所述步骤(2)实现过程如下：
系统中有K个用户，基站有N根天线，RIS有L个被动反射单元，RIS到基站链路的CSI只含视线成分，用户和基站分别发送导频序列到RIS，发送端估计出RIS到基站的CSI为H1，由于RIS和基站通常装配在较高处且距离较近，故H1只包含LOS成分；RIS到用户k的CSI为：
Figure BDA0002933508660000021
其中，k∈[1,K]，
Figure BDA0002933508660000022
是CSI的LOS成分，T2,k是空间相关性矩阵，
Figure BDA0002933508660000023
是估计得到的快衰弱成分，
Figure BDA0002933508660000024
是真实的快衰弱成分，v2,k是快衰弱成分的估计误差，
Figure BDA0002933508660000025
和v2,k都为均值为0，方差为
Figure BDA0002933508660000026
的独立同分布向量，τk表示对估计信道的不确定程度。
进一步地，所述步骤(3)包括以下步骤：
(31)设定最大迭代次数和收敛阈值：随机初始化P个对角候选相位矩阵Θ1(0),Θ2(0),…,ΘP(0)，并满足对角线元素的绝对值为1，接着初始化P个候选相位矩阵对应的对角速度矩阵V1(0),V2(0),…,VP(0)；分别初始化P个候选相位矩阵的局部最优解为：Fp＝Θp(0)，其中p∈[1,P]；初始化全局最优解Fpg为P个局部最优解中令大系统近似和速率最大的解；
(32)更新第p个候选相位矩阵和其对应的速度矩阵：
Vp(i+1)＝Vp(i)+c1J1⊙(Fp-Θp(i))+c2J2⊙(Fpg-Θp(i))
Θp(i+1)＝Θp(i)+Vp(i+1)
其中，J1和J2是服从均匀分布的随机向量，c1和c2是正的加速度系数，⊙表示哈达马乘积；
(33)分别计算相位矩阵为Θp(i)和Fp时的大系统近似和速率，如果前者大于后者，则更新Fp＝Θp(i)，其中p∈[1,P]；并更新全局最优解Fpg为P个局部最优解中令大系统近似和速率最大的解；
(34)重复执行步骤(32)和步骤(33)，直到迭代次数大于最大迭代次数或代数之差小于收敛阈值，此时得到RIS相位矩阵Θ＝Fpg；
(35)计算波束矩阵：
Figure BDA0002933508660000027
其中复合信道
Figure BDA0002933508660000028
Figure BDA0002933508660000031
α是正则化系数，ξ是归一化系数：
Figure BDA0002933508660000032
其中，P是基站的发射功率。
进一步地，步骤(31)所述的大系统近似和速率通过以下公式实现：
Figure BDA0002933508660000033
其中，
Figure BDA0002933508660000034
ρ表示发送信噪比，
Figure BDA0002933508660000035
σ2表示噪声功率；
Figure BDA0002933508660000036
表示有用信号的功率；
Figure BDA0002933508660000037
表示来自其他干扰信号的功率；
Figure BDA0002933508660000038
表示噪声功率，
Figure BDA0002933508660000039
和
Figure BDA00029335086600000310
表示辅助变量，其中：
Figure BDA00029335086600000311
Figure BDA00029335086600000312
其中，
Figure BDA00029335086600000313
和ψk都是辅助变量，分别有如下表达式：
Figure BDA00029335086600000314
Figure BDA00029335086600000315
Figure BDA00029335086600000316
其中，tr(·)表示矩阵的迹，IL是L维的单位矩阵，Ψ和Tk是辅助变量，表达式分别如下：
Figure BDA00029335086600000317
Figure BDA00029335086600000318
其中，
Figure BDA0002933508660000041
表示LOS复合信道，辅助变量Λ，Φ表达式如下：
Λ＝diag((1+e1)-1,…,(1+ek)-1),
Figure BDA0002933508660000042
其中，diag(·)表示括号中元素为对角线元素的对角矩阵，ek是以下K个等式的唯一解，
Figure BDA0002933508660000043
是辅助变量，[·]kk表示矩阵第k行第k列的元素：
Figure BDA0002933508660000044
Figure BDA0002933508660000045
函数v(·,·)由下式给出：
Figure BDA0002933508660000046
其中，[·]i表示向量的第i个元素，η1和η2是下面等式的解：
Figure BDA0002933508660000047
辅助变量∈1，∈2，Γ11，Γ12，Γ21，Γ22的表达式分别为：
Figure BDA0002933508660000048
Figure BDA0002933508660000049
Figure BDA00029335086600000410
Figure BDA00029335086600000411
Figure BDA00029335086600000412
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、本方法更加符合实际应用场景，考虑了非理想的CSI，由于本方法以最小化传输功率为优化目标，并交替优化相位转移和波束向量，故而可以达到节约能耗的效果；2、本方法考虑了最糟糕的情况，即在建立优化目标的同时，将最糟糕情况下的最低用户安全速率大于速率阙值作为限制条件，由此设计出的波束和相位转移更加鲁棒，保证了用户安全通信的最低需求。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为RIS辅助多用户下行无线传输系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行清晰、完整地描述。
如图1所示，本发明提出一种基于部分CSI的RIS辅助多用户下行鲁棒无线传输方法，具体包括以下步骤：
步骤1：构建RIS辅助的多用户下行无线传输系统，如图2所示，所述系统包括一个多天线基站、一块由多个被动反射单元构成的RIS及多个单天线用户。
步骤2：针对RIS辅助的多用户下行无线传输系统，多个单线用户和基站分别向RIS发射导频信号，RIS分别估计出RIS到基站和用户的有误差的CSI。
系统中有K个用户，基站有N根天线，RIS有L个被动反射单元，RIS到基站链路的CSI只含视线(Line-Of-Sight，LOS)成分。用户和基站分别发送导频序列到RIS，发送端估计出RIS到基站的CSI：H1，由于RIS和基站通常装配在较高处且距离较近，故H1只包含LOS成分；RIS到用户k的CSI：
Figure BDA0002933508660000051
其中，k∈[1,K]，
Figure BDA0002933508660000052
是CSI的LOS成分，T2,k是空间相关性矩阵，
Figure BDA0002933508660000053
是估计得到的快衰弱成分，
Figure BDA0002933508660000054
是真实的快衰弱成分，v2,k是快衰弱成分的估计误差，
Figure BDA0002933508660000055
和v2,k都为均值为0，方差为
Figure BDA0002933508660000056
的独立同分布向量，τk表示对估计信道的不确定程度。
步骤3：发送端借助估计得到的有误差的CSI，设计波束矩阵，并利用统计CSI设计RIS相位矩阵，进行信号的传输。
(1)设定最大迭代次数和收敛阈值。随机初始化P个候选对角相位矩阵Θ1(0),Θ2(0),…,ΘP(0)，并满足对角线元素的绝对值为1，接着初始化P个候选相位矩阵对应的对角速度矩阵V1(0),V2(0),…,VP(0)；分别初始化P个候选相位矩阵的局部最优解为：Fp＝Θp(0)，其中p∈[1,P]。初始化全局最优解Fpg为P个局部最优解中令大系统近似和速率最大的解。
大系统近似和速率的计算表达式为：
Figure BDA0002933508660000061
其中
Figure BDA0002933508660000062
Figure BDA0002933508660000063
ρ表示发送信噪比，
Figure BDA0002933508660000064
σ2表示噪声功率；
Figure BDA0002933508660000065
表示有用信号的功率；
Figure BDA0002933508660000066
表示来自其他干扰信号的功率；
Figure BDA0002933508660000067
表示噪声功率，α是RZF波束成形的正则化系数，
Figure BDA0002933508660000068
和
Figure BDA0002933508660000069
表示辅助变量；其中：
Figure BDA00029335086600000610
Figure BDA00029335086600000611
上式中，
Figure BDA00029335086600000612
和ψk都是辅助变量，分别有如下表达式：
Figure BDA00029335086600000613
Figure BDA00029335086600000614
Figure BDA00029335086600000615
其中，tr(·)表示矩阵的迹，IL是L维的单位矩阵，Ψ和Tk是辅助变量，表达式分别如下：
Figure BDA00029335086600000616
Figure BDA00029335086600000617
其中，
Figure BDA00029335086600000618
表示LOS复合信道，辅助变量Λ，Φ表达式如下：
Λ＝diag((1+e1)-1,…,(1+ek)-1),
Figure BDA0002933508660000071
其中，diag(·)表示括号中元素为对角线元素的对角矩阵，ek是以下K个等式的唯一解，
Figure BDA0002933508660000072
是辅助变量，[·]kk表示矩阵第k行第k列的元素：
Figure BDA0002933508660000073
Figure BDA0002933508660000074
函数υ(·，·)由下式给出：
Figure BDA0002933508660000075
其中，[·]i表示向量的第i个元素，η1和η2是下面等式的解：
Figure BDA0002933508660000076
辅助变量∈1，∈2，Γ11，Γ12，Γ21，Γ22的表达式分别为：
Figure BDA0002933508660000077
Figure BDA0002933508660000078
Figure BDA0002933508660000079
Figure BDA00029335086600000710
Figure BDA00029335086600000711
(2)根据以下公式更新第p个候选相位矩阵和其对应的速度矩阵：
Vp(i+1)＝Vp(i)+c1J1⊙(Fp-Θp(i))+c2J2⊙(Fpg-Θp(i))
Θp(i+1)＝Θp(i)+Vp(i+1)
其中，J1和J2是服从均匀分布的随机向量，c1和c2是正的加速度系数，⊙表示哈达马乘积。
(3)分别计算相位矩阵为Θp(i)和Fp时的大系统近似和速率，如果前者大于后者，则更新Fp＝Θp(i)，其中p∈[1,P]。并更新全局最优解Fpg为P个局部最优解中令大系统近似和速率最大的解。
(4)重复执行步骤(2)和步骤(3)，直到迭代次数大于最大迭代次数或代数之差小于收敛阈值，此时得到RIS相位矩阵Θ＝Fpg。
(5)根据以下公式计算波束矩阵：
Figure BDA0002933508660000081
其中复合信道
Figure BDA0002933508660000082
α是正则化系数，ξ是归一化系数：
Figure BDA0002933508660000083
其中，P是基站的发射功率。
现存工作大多使用瞬时CSI进行传输设计，并假设BS能获得完美的CSI，然而由于RIS辅助的通信系统中信道估计难度很大，这样的假设在现实中是不成立的。而本发明做出的假设更加合理，即：BS只能获得部分的瞬时CSI以及统计的CSI，并利用其进行传输设计，这使得该发明具有更高的实用价值。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于部分CSI的RIS辅助多用户下行鲁棒无线传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建RIS辅助的多用户下行无线传输系统，所述系统包括一个多天线基站、一块由多个被动反射单元构成的RIS及多个单天线用户；
(2)针对RIS辅助的多用户下行无线传输系统，多个单天线用户和基站分别向RIS发射导频信号，RIS分别估计出RIS到基站和用户的有误差的CSI；
(3)以最大化多用户的大系统近似和速率为优化目标，借助估计得到的有误差的CSI，设计波束矩阵，并利用统计CSI设计RIS相位矩阵，进行信号的传输。
2.根据权利要求1所述的基于部分CSI的RIS辅助多用户下行鲁棒无线传输方法，其特征在于，所述步骤(2)实现过程如下：
系统中有K个用户，基站有N根天线，RIS有L个被动反射单元，RIS到基站链路的CSI只含视线成分，用户和基站分别发送导频序列到RIS，发送端估计出RIS到基站的CSI为H1，由于RIS和基站通常装配在较高处且距离较近，故H1只包含LOS成分；RIS到用户k的CSI为：
Figure FDA0002933508650000011
其中，k∈[1，K]，
Figure FDA0002933508650000012
是CSI的LOS成分，T2.k是空间相关性矩阵，
Figure FDA0002933508650000013
是估计得到的快衰弱成分，
Figure FDA0002933508650000014
是真实的快衰弱成分，v2，k是快衰弱成分的估计误差，
Figure FDA0002933508650000015
和v2，k都为均值为0，方差为
Figure FDA0002933508650000016
的独立同分布向量，τk表示对估计信道的不确定程度。
3.根据权利要求1所述的基于部分CSI的RIS辅助多用户下行鲁棒无线传输方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：
(31)设定最大迭代次数和收敛阈值：随机初始化P个对角候选相位矩阵Θ1(0)，Θ2(0)，…，ΘP(0)，并满足对角线元素的绝对值为1，接着初始化P个候选相位矩阵对应的对角速度矩阵V1(0)，V2(0)，…，VP(0)；分别初始化P个候选相位矩阵的局部最优解为：Fp＝Θp(0)，其中p∈[1，P]；初始化全局最优解Fpg为P个局部最优解中令大系统近似和速率最大的解；
(32)更新第p个候选相位矩阵和其对应的速度矩阵：
Vp(i+1)＝Vp(i)+c1J1⊙(Fp-Θp(i))+c2J2⊙(Fpg-Θp(i))
Θp(i+1)＝Θp(i)+Vp(i+1)
其中，J1和J2是服从均匀分布的随机向量，c1和c2是正的加速度系数，⊙表示哈达马乘积；
(33)分别计算相位矩阵为Θp(i)和Fp时的大系统近似和速率，如果前者大于后者，则更新Fp＝Θp(i)，其中p∈[1，P]；并更新全局最优解Fpg为P个局部最优解中令大系统近似和速率最大的解；
(34)重复执行步骤(22)和步骤(23)，直到迭代次数大于最大迭代次数或代数之差小于收敛阈值，此时得到RIS相位矩阵Θ＝Fpg；
(35)计算波束矩阵：
Figure FDA0002933508650000021
其中复合信道
Figure FDA0002933508650000022
Figure FDA0002933508650000023
α是正则化系数，ξ是归一化系数：
Figure FDA0002933508650000024
其中，P是基站的发射功率。
4.根据权利要求3所述的基于部分CSI的RIS辅助多用户下行鲁棒无线传输方法，其特征在于，步骤(31)所述的大系统近似和速率通过以下公式实现：
Figure FDA0002933508650000025
其中，
Figure FDA0002933508650000026
ρ表示发送信噪比，
Figure FDA0002933508650000027
σ2表示噪声功率；
Figure FDA0002933508650000028
表示有用信号的功率；
Figure FDA0002933508650000029
表示来自其他干扰信号的功率；
Figure FDA00029335086500000210
表示噪声功率，
Figure FDA00029335086500000211
和
Figure FDA00029335086500000212
表示辅助变量，其中：
Figure FDA00029335086500000213
Figure FDA00029335086500000214
其中，
Figure FDA0002933508650000031
和ψk都是辅助变量，分别有如下表达式：
Figure FDA0002933508650000032
Figure FDA0002933508650000033
Figure FDA0002933508650000034
其中，tr(·)表示矩阵的迹，IL是L维的单位矩阵，Ψ和Tk是辅助变量，表达式分别如下：
Figure FDA0002933508650000035
Figure FDA0002933508650000036
其中，
Figure FDA0002933508650000037
表示LOS复合信道，辅助变量A，Φ表达式如下：
A＝diag((1+e1)-1，…，(1+ek)-1)，
Figure FDA0002933508650000038
其中，diag(·)表示括号中元素为对角线元素的对角矩阵，ek是以下K个等式的唯一解，
Figure FDA0002933508650000039
是辅助变量，[·]kk表示矩阵第k行第k列的元素：
Figure FDA00029335086500000310
Figure FDA00029335086500000311
函数υ(·，·)由下式给出：
Figure FDA00029335086500000312
其中，[·]i表示向量的第i个元素，η1和η2是下面等式的解：
Figure FDA00029335086500000313
辅助变量∈1，∈2，Γ11，Γ12，Γ21，Γ22的表达式分别为：
Figure FDA0002933508650000041
Figure FDA0002933508650000042
Figure FDA0002933508650000043
Figure FDA0002933508650000044
Figure FDA0002933508650000045
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