CN113098575B - 一种提升边缘速率的智能反射表面辅助多小区下行传输设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升边缘速率的智能反射表面辅助多小区下行传输设计方法，系统中共有K个小区，每个小区中存在1个单天线用户不能被该小区的基站信号覆盖，需要通过智能反射表面提供服务；方法包括：各小区基站利用已知的其与智能反射表面之间的统计信道信息，分别计算其对本小区内用户的预编码向量；基站仅已知其与智能反射表面间统计信道状态信息，并利用其设计预编码矩阵；智能反射表面利用已知的其与各小区用户之间的统计信道信息，以及各小区基站与智能反射表面之间的统计信道信息，以最大化最小用户速率为目标设计得到反射系数矩阵。本发明能够以较低的计算复杂度及较少的信道信息量获得较高的边缘速率，并能够兼顾用户间公平性，易于实现。

Description

一种提升边缘速率的智能反射表面辅助多小区下行传输设计 方法

技术领域

本发明涉及一种提升边缘速率的智能反射表面辅助多小区系统下行传输设计方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

在蜂窝网系统中，基站可以为分布在小区中心的用户提供高的传输速率和低的传输时延。然而，当用户位于小区边缘时，用户与为其提供服务的基站的距离较远，传输信号的路径损耗增大；并且边缘用户与干扰基站之间的距离减小，用户受到的干扰增加。因此，在蜂窝网中，提升边缘用户的性能一直是一大挑战。智能反射表面作为一种新兴的技术，近年来得到国内外许多研究者的广泛关注。智能反射表面是由大量可调节反射相位的反射单元组成的无源反射板，智能反射表面可以智能的改变无线信道的传输环境。通过将智能反射表面部署在小区边缘用户的附近，人为的额外提供一条基站与边缘用户的传输信道，从而增强用户的接收信号增益，同时降低用户间的干扰，以此达到提升边缘用户性能的目的。

当基站和智能反射表面能够获得准确的瞬时信道状态信息时，采用交替优化算法联合设计出的预编码矩阵和智能反射表面的反射系数矩阵能够使得系统取得较好的性能。然而，智能反射表面的反射单元数量较多，而且各个反射单元均为无源反射元件，因此在相干时间内获取准确的信道状态信息十分困难，而通常情况下，统计信道状态信息在较长时间内保持不变，并且与瞬时信道状态信息中需要估计完整的信道矩阵不同，统计信道状态信息中只需要估计直射径的波到达角等有限的信道信息。为了降低智能反射表面辅助通信系统信道估计的难度，使智能反射表面更加便利的应用到实际系统中，可以基于统计信道状态信息联合设计基站的预编码矩阵和IRS的反射系数矩阵。

同时，统计信道状态信息相比于瞬时信道状态信息，需要反馈的信道比特数大大减少，降低了信道的反馈开销。综上所述，针对智能反射表面辅助的通信系统，采用基于统计信道状态信息联合设计基站预编码矩阵和智能反射表面反射系数矩阵的传输方案是合适的选择。

发明内容

本发明的目的是提供一种提升边缘速率的智能反射表面辅助多小区下行传输设计方法，能够根据系统的统计信道状态信息联合设计基站的预编码矩阵和智能反射表面的反射系数矩阵，使得系统用户的最小遍历速率达到最大。本发明首先利用最大比传输准则，设计各个基站的预编码矩阵；然后设计智能反射表面的反射系数矩阵；优化预编码矩阵和反射系数矩阵，直到系统的最小遍历速率收敛到一个较大值。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种提升边缘速率的智能反射表面辅助多小区下行传输设计方法，该方法针对以下系统：系统中总共有K个小区，每个小区中存在1个单天线用户不能被该小区的基站信号覆盖，需要通过智能反射表面提供服务；各小区的基站均采用包含M个天线阵元的均匀线性天线阵；智能反射表面采用均匀平面天线阵，共有N个反射单元，其中垂直方向L行反射单元，水平方向每行P个反射单元；各小区基站仅已知其与智能反射表面之间的统计信道信息，智能反射表面仅已知其与各小区用户之间以及各小区基站与其之间的统计信道信息；

所述方法包括以下步骤：

步骤一，各小区基站k利用已知的其与智能反射表面之间的统计信道信息，分别计算其对本小区内用户的预编码向量w_k；其中，k＝1,…,K；

步骤二，基站仅已知其与智能反射表面间统计信道状态信息，并利用其设计预编码矩阵；智能反射表面利用已知的其与各小区用户之间的统计信道信息，以及各小区基站与智能反射表面之间的统计信道信息，以最大化最小用户速率为目标设计得到反射系数矩阵

所述步骤一中，各小区基站k与智能反射表面之间的统计信道信息包括：基站k与智能反射表面之间信道的莱斯因子α_k，基站k与智能反射表面之间信道的大尺度衰落ρ_k，基站k与智能反射表面之间信道的直射径分量

其中，

N表示智能反射表面的反射单元数，其垂直方向包括L行反射单元，水平方向每行P个反射单元，e为自然常数，j为虚部单位，π为圆周率，

表示基站k与智能反射表面间直射径垂直方向波到达角，θ_k表示基站k与智能反射表面间直射径的水平方向波到达角，d为智能反射表面上相邻反射单元间距，λ为载波波长，上标(·)^H代表共轭转置，符号

代表克罗内克积，

M表示每个基站的发射天线数，

表示基站k与智能反射表面间直射径的水平方向波离开角，d_k为基站k的天线阵列上相邻天线单元间距，其中k＝1,…,K。

所述步骤一中，通过下式计算基站k预编码向量：

所述步骤二中，智能反射表面与各小区用户之间的统计信道状态信息包括：智能反射表面与第k个小区用户间信道的直射径分量

莱斯因子β_k及大尺度衰落ψ_k，其中k＝1,…,K；各小区基站与智能反射表面之间的统计信道信息与步骤一中所述各小区基站与智能反射表面之间的统计信道信息相同。

所述步骤二中，通过以下步骤设计得到反射系数矩阵：

步骤b1，设置循环收敛门限ξ，初始化循环迭代次数r＝1，设置内循环最大迭代次数T，设置恒定步长ε，随机初始化反射系数矩阵的迭代初始值

满足Φ⁽⁰⁾为对角元素模值均为1的对角阵；

步骤b2，令内循环迭代次数t＝1，初始化向量

的迭代初始值

其中

为矩阵Φ^(r-1)的第n个对角元，上标(·)^T代表转置；

步骤b3，计算第t次迭代时最大的函数值f_k(η^(t))所对应的索引

其中f_k(η^(t))的定义式为：

其中

其中，p_k为第k个基站的发送功率，diag{·}表示以括号中矢量为对角元的对角阵，

为第k个用户接收的噪声功率，其中k＝1,…,K；

步骤b4，计算

其中

为函数

的梯度，

其中unit(·)表示对向量中的每个元素的模值进行归一化；

步骤b5，令t＝t+1，判断t≤T是否成立，若成立则回到步骤b3，否者执行步骤b6；

步骤b6，计算

i＝1,…,T中最小的函数值所对应的索引

步骤b7，令Φ^(r)＝diag{η^(x)}；

步骤b8，判断下式是否成立：

其中

其中，j＝1,…,K，k＝1,…,K；

若不成立，则令r＝r+1，并回到步骤b2，否则结束计算，输出w_k作为基站的预编码向量，其中k＝1,…,K，输出Φ^(r)作为智能反射表面的反射系数矩阵。

有益效果：本发明为提升边缘速率的智能反射表面辅助多小区系统传输方法，与现有技术相比，该方法具有如下优点：

(1)本发明仅需要信道的统计信道状态信息，所需信道信息量小，适用于智能反射表面辅助的无线通信系统；

(2)本发明中预编码矩阵和反射系数矩阵的设计方案复杂度低，易于实现。

具体实施方式

以下将结合具体实施案例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种提升边缘速率的智能反射表面辅助多小区下行传输设计方法，该方法针对以下系统：系统中总共有K个小区，每个小区中存在1个单天线用户不能被该小区的基站信号覆盖，需要通过智能反射表面提供服务；各小区的基站均采用包含M个天线阵元的均匀线性天线阵；智能反射表面采用均匀平面天线阵，共有N个反射单元，其中垂直方向L行反射单元，水平方向每行P个反射单元；各小区基站仅已知其与智能反射表面之间的统计信道信息，智能反射表面仅已知其与各小区用户之间以及各小区基站与其之间的统计信道信息；

方法包括以下步骤：

步骤一，各小区基站k利用已知的其与智能反射表面之间的统计信道信息，分别计算其对本小区内用户的预编码向量w_k；其中，k＝1,…,K；

其中，各小区基站k与智能反射表面之间的统计信道信息包括：基站k与智能反射表面之间信道的莱斯因子α_k，基站k与智能反射表面之间信道的大尺度衰落ρ_k，基站k与智能反射表面之间信道的直射径分量

其中，

N表示智能反射表面的反射单元数，其垂直方向包括L行反射单元，水平方向每行P个反射单元，e为自然常数，j为虚部单位，π为圆周率，

表示基站k与智能反射表面间直射径垂直方向波到达角，θ_k表示基站k与智能反射表面间直射径的水平方向波到达角，d为智能反射表面上相邻反射单元间距，λ为载波波长，上标(•)^H代表共轭转置，符号

代表克罗内克积，

M表示每个基站的发射天线数，

表示基站k与智能反射表面间直射径的水平方向波离开角，d_k为基站k的天线阵列上相邻天线单元间距，其中k＝1,…,K；

通过下式计算基站k预编码向量：

步骤二，基站仅已知其与智能反射表面间统计信道状态信息，并利用其设计预编码矩阵；智能反射表面利用已知的其与各小区用户之间的统计信道信息，以及各小区基站与智能反射表面之间的统计信道信息，以最大化最小用户速率为目标设计得到反射系数矩阵

其中，智能反射表面与各小区用户之间的统计信道状态信息包括：智能反射表面与第k个小区用户间信道的直射径分量

莱斯因子β_k及大尺度衰落ψ_k，其中k＝1,…,K；各小区基站与智能反射表面之间的统计信道信息与步骤一中所述各小区基站与智能反射表面之间的统计信道信息相同；

通过以下步骤设计得到反射系数矩阵：

步骤b1，设置循环收敛门限ξ，初始化循环迭代次数r＝1，设置内循环最大迭代次数T，设置恒定步长ε，随机初始化反射系数矩阵的迭代初始值

满足Φ⁽⁰⁾为对角元素模值均为1的对角阵；

步骤b2，令内循环迭代次数t＝1，初始化向量

的迭代初始值

其中

为矩阵Φ^(r-1)的第n个对角元，上标(•)^T代表转置；

步骤b3，计算第t次迭代时最大的函数值f_k(η^(t))所对应的索引

其中f_k(η^(t))的定义式为：

其中

其中，p_k为第k个基站的发送功率，diag{·}表示以括号中矢量为对角元的对角阵，

为第k个用户接收的噪声功率，其中k＝1,…,K；

步骤b4，计算

其中

为函数

的梯度，

其中unit(•)表示对向量中的每个元素的模值进行归一化；

步骤b5，令t＝t+1，判断t≤T是否成立，若成立则回到步骤b3，否者执行步骤b6；

步骤b6，计算

i＝1,…,T中最小的函数值所对应的索引

步骤b7，令Φ^(r)＝diag{η^(x)}；

步骤b8，判断下式是否成立：

其中

其中，j＝1,…,K，k＝1,…,K；

若不成立，则令r＝r+1，并回到步骤b2，否则结束计算，输出w_k作为基站的预编码向量，其中k＝1,…,K，输出Φ^(r)作为智能反射表面的反射系数矩阵。

综上，本发明在运行时间复杂度和系统性能上均超过传统的传输设计方法，并且仅需要少量统计信道信息即可完成传输方法设计，既降低了对信道估计误差的精度要求，也减少了信号处理中的时延要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种提升边缘速率的智能反射表面辅助多小区下行传输设计方法，其特征在于：该方法针对以下系统：系统中总共有K个小区，每个小区中存在1个单天线用户不能被该小区的基站信号覆盖，需要通过智能反射表面提供服务；各小区的基站均采用包含M个天线阵元的均匀线性天线阵；智能反射表面采用均匀平面天线阵，共有N个反射单元，其中垂直方向L行反射单元，水平方向每行P个反射单元；各小区基站仅已知其与智能反射表面之间的统计信道信息，智能反射表面仅已知其与各小区用户之间以及各小区基站与其之间的统计信道信息；

所述方法包括以下步骤：

步骤一，各小区基站k利用已知的其与智能反射表面之间的统计信道信息，分别计算其对本小区内用户的预编码向量w_k；其中，k＝1,…,K；

其中，各小区基站k与智能反射表面之间的统计信道信息包括：基站k与智能反射表面之间信道的莱斯因子α_k，基站k与智能反射表面之间信道的大尺度衰落ρ_k，基站k与智能反射表面之间信道的直射径分量

其中，

N表示智能反射表面的反射单元数，其垂直方向包括L行反射单元，水平方向每行P个反射单元，e为自然常数，j为虚部单位，π为圆周率，

表示基站k与智能反射表面间直射径垂直方向波到达角，θ_k表示基站k与智能反射表面间直射径的水平方向波到达角，d为智能反射表面上相邻反射单元间距，λ为载波波长，上标(·)^H代表共轭转置，符号

代表克罗内克积，

M表示每个基站的发射天线数，

表示基站k与智能反射表面间直射径的水平方向波离开角，d_k为基站k的天线阵列上相邻天线单元间距，其中k＝1,…,K；

通过下式计算基站k预编码向量：

步骤二，基站仅已知其与智能反射表面间统计信道状态信息，并利用其设计预编码矩阵；智能反射表面利用已知的其与各小区用户之间的统计信道信息，以及各小区基站与智能反射表面之间的统计信道信息，以最大化最小用户速率为目标设计得到反射系数矩阵

其中，智能反射表面与各小区用户之间的统计信道状态信息包括：智能反射表面与第k个小区用户间信道的直射径分量

莱斯因子β_k及大尺度衰落ψ_k，其中k＝1,…,K；各小区基站与智能反射表面之间的统计信道信息与步骤一中所述各小区基站与智能反射表面之间的统计信道信息相同；

通过以下步骤设计得到反射系数矩阵：

步骤b1，设置循环收敛门限ξ，初始化循环迭代次数r＝1，设置内循环最大迭代次数T，设置恒定步长ε，随机初始化反射系数矩阵的迭代初始值

满足Φ⁽⁰⁾为对角元素模值均为1的对角阵；

步骤b2，令内循环迭代次数t＝1，初始化向量

的迭代初始值

其中

为矩阵Φ^(r-1)的第n个对角元，上标(·)^T代表转置；

步骤b3，计算第t次迭代时最大的函数值f_k(η^(t))所对应的索引

其中f_k(η^(t))的定义式为：

其中

其中，p_k为第k个基站的发送功率，diag{·}表示以括号中矢量为对角元的对角阵，

为第k个用户接收的噪声功率，其中k＝1,…,K；

步骤b4，计算

其中

为函数

的梯度，

其中unit(·)表示对向量中的每个元素的模值进行归一化；

步骤b5，令t＝t+1，判断t≤T是否成立，若成立则回到步骤b3，否者执行步骤b6；

步骤b6，计算

中最小的函数值所对应的索引

步骤b7，令Φ^(r)＝diag{η^(x)}；

步骤b8，判断下式是否成立：

其中

其中，j＝1,…,K，k＝1,…,K；

若不成立，则令r＝r+1，并回到步骤b2，否则结束计算，输出w_k作为基站的预编码向量，其中k＝1,…,K，输出Φ^(r)作为智能反射表面的反射系数矩阵。