CN113258980B - 一种无线通信系统信息传输速率优化方法及装置 - Google Patents

一种无线通信系统信息传输速率优化方法及装置 Download PDF

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CN113258980B CN202110741210.6A CN202110741210A CN113258980B CN 113258980 B CN113258980 B CN 113258980B CN 202110741210 A CN202110741210 A CN 202110741210A CN 113258980 B CN113258980 B CN 113258980B
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Abstract

本发明公开了一种无线通信系统信息传输速率优化方法及装置，无线通信系统包括一个多天线基站、一个单天线用户以及多个部署于建筑物、空中无人机等场景下的分布式智能反射面，其中，智能反射面作为无源中继节点实现无线传输。方法包括：获取基站经直连和智能反射面反射的信道增益；基于获取的信道增益，分别对基站的有源波束成形向量和每个智能反射面的无源波束成形矩阵进行交替优化，获得基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率；选取使信息传输速率达到最大的智能反射面进行信息传输。本发明通过优化有源无源混合波束成形，选择一个合适的智能反射面为用户提供辅助链路，提高了系统的传输速率。

Description

一种无线通信系统信息传输速率优化方法及装置
技术领域
本发明涉及一种无线通信系统信息传输速率优化方法及装置，属于无线通信领域。
背景技术
虽然5G引入了新技术，如大规模多输入多输出技术、毫米波通信技术等，但会增加部署成本及硬件的复杂性，因此，智能反射面作为一种特殊的中继被提出，具体来说，用户与基站进行信息通信，由于房屋、人体、墙壁遮挡导致通信受阻，可以通过在二者之间部署智能反射面充当无源中继节点，建立一个虚拟视线连接从而避开它们之间的阻塞。
智能反射面是一种全新技术，通过在平面上集成大量低成本的无源器件，智能地重新配置无线传播环境，从而显著提高无线通信网络的性能，智能反射面的不同元件可以通过软件控制其幅度和/或相位来独立地反射入射信号，从而实现细粒度的三维无源波束形成增益，从而重新配置无线传播信道，有利于通信性能的优化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于智能反射面选择和有源无源混合波束成形的传输速率优化方法及装置，通过对有源波束成形向量和无源波束成形矩阵进行交替优化，使得整个系统的信息传输速率最大化。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种无线通信系统信息传输速率优化方法，所述无线通信系统包括一个多天线基站、一个单天线用户和部署于基站与用户之间的多个智能反射面，所述方法包括：
获取各智能反射面分别接入系统后基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益；
基于每个智能反射面接入系统后获取的基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益，分别以基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率最大为目标函数，对基站的有源波束成形向量和每个智能反射面的无源波束成形矩阵进行交替优化，获得基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率；
选取使基站到用户的信息传输速率达到最大的智能反射面进行信息传输。
进一步地，所述基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益，包括：基站到各智能反射面的信道增益和各智能反射面到用户的信道增益，其中基站到各智能反射面的信道增益根据以下公式获得：
Figure 120342DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中，
Figure 50559DEST_PATH_IMAGE002
为基站到第m个智能反射面的信道增益，m=1,…M，M为智能反射面的个数，
Figure 626684DEST_PATH_IMAGE003
为基站到第m个智能反射面的视距传输信道增益，
Figure 392253DEST_PATH_IMAGE004
为基站到第m个智能反射面的非视距传输信道增益，
Figure 670498DEST_PATH_IMAGE005
为参考距离为一米时的路径损耗，
Figure 277060DEST_PATH_IMAGE006
为基站到智能反射面的路径损耗因子，k 1为基站到智能反射面链路的莱斯因子，d Bm 为基站到第m个智能反射面的距离；
各智能反射面到用户的信道增益根据以下公式获得：
Figure 519692DEST_PATH_IMAGE007
(6)
其中，g mD 为第m个智能反射面到用户的信道增益，
Figure 523289DEST_PATH_IMAGE008
为第m个智能反射面到用户的视距传输信道增益，
Figure 509568DEST_PATH_IMAGE009
为第m个智能反射面到用户的非视距传输信道增益，
Figure 225763DEST_PATH_IMAGE010
为第m个智能反射面到用户的路径损耗因子，k 2为第m个智能反射面到用户链路的莱斯因子，
Figure 91826DEST_PATH_IMAGE011
为第m个智能反射面到用户的距离；
所述基站到用户的直连链路的信道增益由以下公式获得：
Figure 395768DEST_PATH_IMAGE012
（10）
其中，G BmD 为接入第m个智能反射面后基站到用户的直连链路的信道增益,
Figure 920159DEST_PATH_IMAGE013
为基站与用户的小尺度衰落，
Figure 993989DEST_PATH_IMAGE014
为参考距离为一米时的路径损耗，
Figure 578423DEST_PATH_IMAGE015
为基站到用户的路径损耗因子，d BD 为基站到用户的距离。
进一步地，所述基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率由以下公式获得：
Figure 494295DEST_PATH_IMAGE016
(11)
其中，R BmD 为基站经第m个智能反射面到用户的信息传输速率，m=1,…M，M为智能反射面的个数，G BmD 为第m个智能反射面接入系统后基站到用户的直连链路的信道增益，g mD 为第m个智能反射面到用户的信道增益，H Bm 为基站到第m个智能反射面的信道增益，w m 为接入第m个智能反射面后基站的有源波束成形向量，P 0为基站的归一化发射功率，
Figure 822377DEST_PATH_IMAGE017
为信道的噪声功率，
Figure 258038DEST_PATH_IMAGE018
为第m个智能反射面的无源波束成形矩阵，
Figure 222495DEST_PATH_IMAGE019
，其中θ mn 表示第m个智能反射面的第n个反射元件的无源波束成形向量，n=1,...N，N为每个智能反射面的反射单元的个数。
进一步地，所述以基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率最大为目标函数，对基站的有源波束成形向量和每个智能反射面的无源波束成形矩阵进行交替优化，采用数学模型表示如下：
Figure 484718DEST_PATH_IMAGE020
(12)
s.t:
Figure 928075DEST_PATH_IMAGE021
(13)
Figure 218242DEST_PATH_IMAGE022
(14)
其中，C 1为接入第m个智能反射面时基站的有源波束成形向量约束，C 2为第m个智能反射面的无源波束成形矩阵约束。
进一步地，所述交替优化，包括：
固定w m ，对式（12）进行求解，得到
Figure 739221DEST_PATH_IMAGE023
的最优解；
固定求解出的
Figure 318101DEST_PATH_IMAGE018
的最优解，对式（12）进行求解，得到w m 的最优解；
按照上述顺序不断求解得到新的w m 、
Figure 784723DEST_PATH_IMAGE023
的最优解，对w m 、
Figure 444243DEST_PATH_IMAGE023
进行交替优化，直到R BmD 的变化值小于阈值。
进一步地，所述固定w m ，对式（12）进行求解，得到
Figure 265350DEST_PATH_IMAGE023
的最优解，具体为：
固定w m ，对第m个智能反射面的无源波束成形矩阵
Figure 439848DEST_PATH_IMAGE023
的优化问题转化为：
Figure 788790DEST_PATH_IMAGE024
(15)
s.t:
Figure 99554DEST_PATH_IMAGE025
(14)
利用三角不等式
Figure 188165DEST_PATH_IMAGE026
，将上述优化问题转化为：
Figure 538375DEST_PATH_IMAGE027
(18)
s.t:
Figure 753325DEST_PATH_IMAGE028
(19)
Figure 190034DEST_PATH_IMAGE029
(20)
其中，
Figure 815925DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 965016DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 593443DEST_PATH_IMAGE032
代表一个向量的相位，
Figure 161957DEST_PATH_IMAGE033
表示第m个智能反射面的第n个反射元件的模,
Figure 83384DEST_PATH_IMAGE034
；
对式（18）进行求解，得到L m 的最优解
Figure 37214DEST_PATH_IMAGE035
为：
Figure 656283DEST_PATH_IMAGE036
(21)
所以，第m个智能反射面的第n个无源波束成形向量θ mn 的最优解
Figure 484562DEST_PATH_IMAGE037
为：
Figure 530884DEST_PATH_IMAGE038
(22)
其中，
Figure 326671DEST_PATH_IMAGE039
为第m个智能反射面的第n个反射单元到用户的信道增益，
Figure 930522DEST_PATH_IMAGE040
为基站到第m个智能反射面的第n个反射单元的信道增益，
Figure 190471DEST_PATH_IMAGE041
为w m 的最优解；
第m个智能反射面的无源波束成形矩阵
Figure 345378DEST_PATH_IMAGE042
的最优解
Figure 690777DEST_PATH_IMAGE043
为：
Figure 657508DEST_PATH_IMAGE044
(23) 。
进一步地，所述固定求解出的
Figure 460379DEST_PATH_IMAGE042
的最优解，对式（12）进行求解，得到w m 的最优解，具体为：
固定求解出的
Figure 786187DEST_PATH_IMAGE042
的最优解，根据最大比传输，得到w m 的最优解
Figure 618883DEST_PATH_IMAGE041
为：
Figure 180183DEST_PATH_IMAGE045
(24)。
进一步地，所述按照上述顺序不断求解得到新的w m 、
Figure 947149DEST_PATH_IMAGE042
的最优解，对w m 、
Figure 709437DEST_PATH_IMAGE042
进行交替优化，直到R BmD 的变化值小于阈值，具体为：
给定初始值
Figure 295008DEST_PATH_IMAGE046
，将w 1代入式(22)求得
Figure 337963DEST_PATH_IMAGE037
，将
Figure 364694DEST_PATH_IMAGE037
代入式(23)求得
Figure 94621DEST_PATH_IMAGE043
，再将
Figure 636330DEST_PATH_IMAGE043
代入式(24)求得
Figure 923786DEST_PATH_IMAGE041
，将
Figure 945969DEST_PATH_IMAGE041
代入式(22)求得
Figure 299327DEST_PATH_IMAGE037
，按照该顺序依次代入式(22)-(24)不断得到新的
Figure 328332DEST_PATH_IMAGE041
、
Figure 791718DEST_PATH_IMAGE043
，对w m 、
Figure 589778DEST_PATH_IMAGE042
进行交替优化，直到信息传输速率R BmD 的变化值小于阈值。
进一步地，通过以下公式选取基站到用户的信息传输速率达到最大的智能反射面：
Figure 989405DEST_PATH_IMAGE047
(25)
其中，Bm为选择的使信息传输速率达到最大的智能反射面。
另一方面，本发明提供一种无线通信系统信息传输速率优化装置，所述装置包括：
信息获取模块，配置为获取各智能反射面分别接入系统后基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益；
混合优化模块，配置为基于每个智能反射面接入系统后获取的基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益，分别以基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率最大为目标函数，对基站的有源波束成形向量和每个智能反射面的无源波束成形矩阵进行交替优化，获得基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率；
选取模块，选取使基站到用户的信息传输速率达到最大的智能反射面进行信息传输。
本发明所达到的有益技术效果：本发明所提出的一种无线通信系统信息传输速率优化方法，在考虑直连链路的情况下，利用智能反射面作为无源中继节点，通过对有源波束成形向量和无源波束成形矩阵交替优化，选择一个合适的智能反射面为用户提供辅助链路，与传统方案相比，显著提高了系统的信息传输速率。
附图说明
图1为本发明实施例的一种信息传输速率优化方法的系统示意图；
图2为本发明实施例的一种信息传输速率优化方法流程图；
图3为本发明实施例交替优化与智能反射面选择、无智能反射面以及交替优化与循环调度结合三种方案下系统的信息传输速率与基站发射总功率的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种信息传输速率优化方法，该方法应用于无线通信系统，如图1所示，无线通信系统包括一个多天线基站、一个单天线用户和多个部署于建筑物、空中无人机等场景下的分布式智能反射面。其中，基站配备L根天线，用户节点配备单天线，智能反射面为M个，每个智能反射面包含N个反射单元。
当将第m个智能反射面接入无线通信系统中，假设第m个智能反射面的无源波束成形矩阵为
Figure 36864DEST_PATH_IMAGE048
，其中振幅β mn =1，
Figure 971451DEST_PATH_IMAGE049
，θ mn 表示第m个智能反射面的第n个反射元件的无源波束成形向量，n=1,…N，则第m个智能反射面的无源波束成形矩阵表示为
Figure 14231DEST_PATH_IMAGE019
。基站与第m个智能反射面、基站与用户、第m个智能反射面与用户之间的信道系数分别为
Figure 522442DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure 463722DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 455861DEST_PATH_IMAGE052
，其中，
Figure 916929DEST_PATH_IMAGE053
表示x×y复值矩阵的空间。
实际应用中，以智能反射面作为无源中继节点，分别在通信时隙中，执行本发明实施例的一种信息传输速率优化方法，选择合适的智能反射面接入到无线通信系统中进行辅助通信。如图2所示，所述方法包括：
S1：获取各智能反射面分别接入系统后基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益；
1）基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益
基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益，包括：基站到各智能反射面的信道增益和各智能反射面到用户的信道增益。
基站到各智能反射面的信道增益，根据以下公式获得：
Figure 596041DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中，
Figure 821355DEST_PATH_IMAGE002
为基站到第m个智能反射面的信道增益，m=1,…M，M为智能反射面的个数，
Figure 917050DEST_PATH_IMAGE003
为基站到第m个智能反射面的视距传输信道增益，
Figure 809789DEST_PATH_IMAGE004
为基站到第m个智能反射面的非视距传输信道增益，
Figure 456540DEST_PATH_IMAGE005
为参考距离为一米时的路径损耗，
Figure 372412DEST_PATH_IMAGE006
为基站到智能反射面的路径损耗因子，k 1为基站到智能反射面链路的莱斯因子，d Bm 为基站到第m个智能反射面的距离。
本发明实施例中，基站配备L根天线，L根天线的阵列响应向量表达式为：
Figure 706353DEST_PATH_IMAGE054
(2)
其中，
Figure 142014DEST_PATH_IMAGE055
为由于等分角度导致正弦不均匀而假设的虚拟正弦，λ为载波波长，d为天线间距，一般取
Figure 897349DEST_PATH_IMAGE056
。
由此，基站到第m个智能反射面的视距传输信道增益，由以下公式获得：
Figure 674419DEST_PATH_IMAGE057
(3)
其中，
Figure 823770DEST_PATH_IMAGE058
为N元阵列响应向量，
Figure 113937DEST_PATH_IMAGE059
为基站有源波束成形矢量的去向角的虚拟正弦，
Figure 243436DEST_PATH_IMAGE060
为M元阵列响应向量，
Figure 196217DEST_PATH_IMAGE061
为基站有源波束成形矢量的到达角的虚拟正弦。
基站有源波束成形矢量的到达角的虚拟正弦由以下公式获得：
Figure 600523DEST_PATH_IMAGE062
(4)
其中，x Bm 为基站到第m个智能反射面的水平距离，d Bm 为基站到第m个智能反射面的距离。
基站有源波束成形矢量的去向角的虚拟正弦由以下公式获得：
Figure 780749DEST_PATH_IMAGE063
(5)
其中，z Bm 为基站到第m个智能反射面的高度。
各智能反射面到用户的信道增益，根据以下公式获得：
Figure 753253DEST_PATH_IMAGE064
(6)
其中，g mD 为第m个智能反射面到用户的信道增益，
Figure 927752DEST_PATH_IMAGE008
为第m个智能反射面到用户的视距传输信道增益，
Figure 339010DEST_PATH_IMAGE065
为第m个智能反射面到用户的非视距传输信道增益，
Figure 909495DEST_PATH_IMAGE010
为第m个智能反射面到用户的路径损耗因子, k 2为第m个智能反射面到用户链路的莱斯因子，
Figure 630064DEST_PATH_IMAGE011
为第m个智能反射面到用户的距离。
第m个智能反射面到用户的视距传输信道增益由以下公式获得：
Figure 104907DEST_PATH_IMAGE066
(7)
其中，
Figure 303545DEST_PATH_IMAGE067
为1元阵列响应向量，
Figure 677938DEST_PATH_IMAGE068
为第m个智能反射面无源波束成形矢量的去向角的虚拟正弦，
Figure 70873DEST_PATH_IMAGE069
为第m个智能反射面无源波束成形矢量的到达角的虚拟正弦。
第m个智能反射面无源波束成形矢量的去向角的虚拟正弦由以下公式获得：
Figure 157647DEST_PATH_IMAGE070
(8)
其中，x mD 为第m个智能反射面到用户的水平距离，d Bm 为第m个智能反射面到用户的距离。
第m个智能反射面无源波束成形矢量的到达角的虚拟正弦由以下公式获得：
Figure 97659DEST_PATH_IMAGE071
(9)
其中，z mD 为第m个智能反射面到用户的高度。
2）基站到用户的直连链路的信道增益由以下公式获得：
Figure 71431DEST_PATH_IMAGE072
(10)
其中，G BmD 为接入第m个智能反射面后基站到用户的直连链路的信道增益,
Figure 884535DEST_PATH_IMAGE013
为基站与用户的小尺度衰落，
Figure 725450DEST_PATH_IMAGE014
为参考距离为一米时的路径损耗，
Figure 705039DEST_PATH_IMAGE015
为基站到用户的路径损耗因子，d BD 为基站到用户的距离。
S2：基于每个智能反射面接入系统后获取的基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益，分别以基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率最大为目标函数，对基站的有源波束成形向量和每个智能反射面的无源波束成形矩阵进行交替优化，获得基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率；
基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率，由以下公式获得：
Figure 48164DEST_PATH_IMAGE073
(11)
其中，R BmD 为基站经第m个智能反射面到用户的信息传输速率，m=1,…M，M为智能反射面的个数，G BmD 为第m个智能反射面接入系统中基站到用户的直连链路的信道增益,g mD 为第m个智能反射面到用户的信道增益，H Bm 为基站到第m个智能反射面的信道增益，w m 为接入第m个智能反射面后基站的有源波束成形向量，P 0为基站的归一化发射功率，
Figure 219120DEST_PATH_IMAGE074
为信道的噪声功率，
Figure 703322DEST_PATH_IMAGE075
为第m个智能反射面的无源波束成形矩阵。
当将m个智能反射面接入系统中，以系统的信息传输速率最大为目标函数，对基站的有源波束成形向量和每个智能反射面的无源波束成形矩阵进行混合优化，优化问题的数学模型可以表示为：
Figure 313033DEST_PATH_IMAGE020
(12)
s.t:
Figure 199081DEST_PATH_IMAGE076
(13)
Figure 359847DEST_PATH_IMAGE077
(14)
其中，C 1为接入第m个智能反射面时基站的有源波束成形向量约束，C 2为第m个智能反射面的无源波束成形矩阵约束。
上述优化问题可以分为两部分进行求解：
1）固定w m ,对智能反射面的无源波束成形矩阵的优化问题可表示为：
Figure 892197DEST_PATH_IMAGE078
(15)
s.t:
Figure 213588DEST_PATH_IMAGE079
(14)
利用三角不等式
Figure 593623DEST_PATH_IMAGE080
，目标函数等价于：
Figure 981748DEST_PATH_IMAGE081
(16)
当且仅当上式等式成立时，目标函数能达到最大，即
Figure 808584DEST_PATH_IMAGE082
(17)
Figure 245250DEST_PATH_IMAGE083
代表一个向量的相位，
Figure 604425DEST_PATH_IMAGE084
由此，上述优化问题等价为：
Figure 789550DEST_PATH_IMAGE027
(18)
s.t:
Figure 234176DEST_PATH_IMAGE085
(19)
Figure 225265DEST_PATH_IMAGE029
(20)
其中，
Figure 444806DEST_PATH_IMAGE086
，
Figure 800832DEST_PATH_IMAGE087
,
Figure 467175DEST_PATH_IMAGE088
表示第m个智能反射面的第n个反射元件的模。
对式（18）进行求解，得到L m 的最优解为：
Figure 199638DEST_PATH_IMAGE036
（21）
所以，第m个智能反射面的第n个无源波束成形向量θ mn 的最优解
Figure 80876DEST_PATH_IMAGE037
为：
Figure 106338DEST_PATH_IMAGE089
(22)
其中，
Figure 27021DEST_PATH_IMAGE039
为第m个智能反射面的第n个反射单元到用户的信道增益，
Figure 876026DEST_PATH_IMAGE040
为基站到第m个智能反射面的信道增益，
Figure 300186DEST_PATH_IMAGE041
为w m 的最优解；
进一步，可以求解得到第m个智能反射面的无源波束成形矩阵
Figure 762129DEST_PATH_IMAGE042
的最优解为：
Figure 216113DEST_PATH_IMAGE090
（23）。
2）固定
Figure 24800DEST_PATH_IMAGE091
，优化w m 。
利用最大比传输，求得w m 的最优解为：
Figure 67580DEST_PATH_IMAGE045
（24）
给定初始值
Figure 201889DEST_PATH_IMAGE092
，将w 1代入式(22)求得
Figure 132717DEST_PATH_IMAGE037
，将
Figure 10674DEST_PATH_IMAGE037
代入式(23)求得
Figure 907961DEST_PATH_IMAGE043
，再将
Figure 947592DEST_PATH_IMAGE043
代入式(24)求得
Figure 376168DEST_PATH_IMAGE041
，将
Figure 290772DEST_PATH_IMAGE041
代入式(22)求得
Figure 606347DEST_PATH_IMAGE037
，按照该顺序依次代入式(22)-(24)不断得到新的
Figure 575135DEST_PATH_IMAGE041
、
Figure 913843DEST_PATH_IMAGE043
，对w m 、
Figure 445188DEST_PATH_IMAGE042
进行交替优化，直到信息传输速率R BmD 的变化值小于阈值。
S3：选取使基站到用户的信息传输速率达到最大的智能反射面进行信息传输。
通过以下公式选取基站到用户的信息传输速率达到最大的智能反射面：
Figure 317067DEST_PATH_IMAGE047
（25）
其中，Bm为选择的使信息传输速率达到最大的智能反射面。
在进一步实施例中，本发明方法还包括：
将选取的智能反射面接入到无线通信系统中进行辅助通信。
下面给出计算机上利用 MATLAB 语言仿真实现发明的一个实例。在仿真中，假设基站含有2个天线，选取4个智能反射面作为参考，智能反射面有4个反射元件，基站到智能反射面以及智能反射面到用户的参考距离为一米时的路径损耗
Figure 760817DEST_PATH_IMAGE093
取值为10-2，基站到用户的参考距离为一米时的路径损耗
Figure 350936DEST_PATH_IMAGE094
取值为10-3，基站到智能反射面，智能反射面到用户、基站到用户的路径损耗系数分别取值为2，2和3。基站到用户的水平距离取值为550米，莱斯因子k 1、k 2分别取值为2、4，ε取值为10-5。坐标用笛卡尔坐标系表示，基站的坐标(0,0,0)，用户的坐标为(550,0,0)，智能反射面的坐标分别为(10,50,50)、(150,50,50)、(275,50,50)和(500,50,50)。其中，噪声功率
Figure 426252DEST_PATH_IMAGE095
取值为-100dBm/Hz。图3使用了三种方案，分别为第一种方案是本发明实施例的交替优化与智能反射面选择（IRS）方案，第二种方案（交替优化与循环调度方案）是对这4个系统依次进行有无源波束矢量的优化，再对其获得的信道容量取得平均值，第三种方案是无智能反射面但对基站的有源波束矢量进行了优化。从图中可以看出，三种方案中，随着基站的发射功率变大，信息传输速率均随之增长，但是，本发明实施例方案与其他方案相比具有明显优势。
本发明所提出的一种信息传输速率优化方法，在考虑直连链路的情况下，利用智能反射面作为无源中继节点，通过对有源波束成形向量和无源波束成形矩阵交替优化，选择一个合适的智能反射面为用户提供辅助链路，与传统方案相比，显著提高了系统的信息传输速率。
在另一实施例中，本发明提供了一种无线通信系统信息传输速率优化装置，所述无线通信系统包括一个多天线基站、一个单天线用户和部署于基站与用户之间的多个智能反射面，所述装置包括：
信息获取模块，配置为获取各智能反射面分别接入系统后基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益；
混合优化模块，配置为基于每个智能反射面接入系统后获取的基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益，分别以基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率最大为目标函数，对基站的有源波束成形向量和每个智能反射面的无源波束成形矩阵进行交替优化，获得基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率；
选取模块，选取使基站到用户的信息传输速率达到最大的智能反射面进行信息传输。
以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种无线通信系统信息传输速率优化方法，所述无线通信系统包括一个多天线基站、一个单天线用户和部署于基站与用户之间的多个智能反射面，其特征在于，所述方法包括：
获取各智能反射面分别接入系统后基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益；
基于每个智能反射面接入系统后获取的基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益，分别以基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率最大为目标函数，对基站的有源波束成形向量和每个智能反射面的无源波束成形矩阵进行交替优化，获得基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率；
选取使基站到用户的信息传输速率达到最大的智能反射面进行信息传输；
其中，所述基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率由以下公式获得：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
(11)
其中，R BmD 为基站经第m个智能反射面到用户的信息传输速率，m=1,…M，M为智能反射面的个数，G BmD 为第m个智能反射面接入系统后基站到用户的直连链路的信道增益，g mD 为第m个智能反射面到用户的信道增益，H Bm 为基站到第m个智能反射面的信道增益，w m 为接入第m个智能反射面后基站的有源波束成形向量，P 0为基站的归一化发射功率，
Figure 651605DEST_PATH_IMAGE002
为信道的噪声功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为第m个智能反射面的无源波束成形矩阵，
Figure 909805DEST_PATH_IMAGE004
，其中θ mn 表示第m个智能反射面的第n个反射单元的无源波束成形向量，n=1,...N，N为每个智能反射面的反射单元的个数。
2.根据权利要求1所述的一种无线通信系统信息传输速率优化方法，其特征在于，所述基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益，包括：基站到各智能反射面的信道增益和各智能反射面到用户的信道增益，其中基站到各智能反射面的信道增益根据以下公式获得：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
(1)
其中，
Figure 580214DEST_PATH_IMAGE006
为基站到第m个智能反射面的信道增益，m=1,…M，M为智能反射面的个数，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为基站到第m个智能反射面的视距传输信道增益，
Figure 126909DEST_PATH_IMAGE008
为基站到第m个智能反射面的非视距传输信道增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为参考距离为一米时的路径损耗，
Figure 769112DEST_PATH_IMAGE010
为基站到智能反射面的路径损耗因子，k 1为基站到智能反射面链路的莱斯因子，d Bm 为基站到第m个智能反射面的距离；
各智能反射面到用户的信道增益根据以下公式获得：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
(6)
其中，g mD 为第m个智能反射面到用户的信道增益，
Figure 780186DEST_PATH_IMAGE012
为第m个智能反射面到用户的视距传输信道增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为第m个智能反射面到用户的非视距传输信道增益，
Figure 254286DEST_PATH_IMAGE014
为第m个智能反射面到用户的路径损耗因子，k 2为第m个智能反射面到用户链路的莱斯因子，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为第m个智能反射面到用户的距离；
所述基站到用户的直连链路的信道增益由以下公式获得：
Figure 726594DEST_PATH_IMAGE016
（10）
其中，G BmD 为接入第m个智能反射面后基站到用户的直连链路的信道增益,
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为基站与用户的小尺度衰落，
Figure 136103DEST_PATH_IMAGE018
为参考距离为一米时的路径损耗，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为基站到用户的路径损耗因子，d BD 为基站到用户的距离。
3.根据权利要求1所述的一种无线通信系统信息传输速率优化方法，其特征在于，所述以基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率最大为目标函数，对基站的有源波束成形向量和每个智能反射面的无源波束成形矩阵进行交替优化，采用数学模型表示如下：
Figure 505247DEST_PATH_IMAGE020
(12)
s.t:
Figure DEST_PATH_IMAGE021
(13)
Figure 986300DEST_PATH_IMAGE022
(14)
其中，C 1为接入第m个智能反射面时基站的有源波束成形向量约束，C 2为第m个智能反射面的无源波束成形矩阵约束。
4.根据权利要求3所述的一种无线通信系统信息传输速率优化方法，其特征在于，所述交替优化，包括：
固定w m ，对式（12）进行求解，得到
Figure DEST_PATH_IMAGE023
的最优解；
固定求解出的
Figure 516376DEST_PATH_IMAGE003
的最优解，对式（12）进行求解，得到w m 的最优解；
按照上述顺序不断求解得到新的w m 、
Figure 378678DEST_PATH_IMAGE023
的最优解，对w m 、
Figure 705623DEST_PATH_IMAGE023
进行交替优化，直到R BmD 的变化值小于阈值。
5.根据权利要求4所述的一种无线通信系统信息传输速率优化方法，其特征在于，所述固定w m ，对式（12）进行求解，得到
Figure 738170DEST_PATH_IMAGE023
的最优解，具体为：
固定w m ，对第m个智能反射面的无源波束成形矩阵
Figure 860103DEST_PATH_IMAGE023
的优化问题转化为：
Figure 890376DEST_PATH_IMAGE024
(15)
s.t:
Figure DEST_PATH_IMAGE025
(14)
对上式进行求解，得到第m个智能反射面的无源波束成形矩阵
Figure 554882DEST_PATH_IMAGE026
的最优解
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为：
Figure 643317DEST_PATH_IMAGE028
(23) ，
其中，第m个智能反射面的第n个无源波束成形向量θ mn 的最优解
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为：
Figure 882407DEST_PATH_IMAGE030
(22)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 194833DEST_PATH_IMAGE032
为第m个智能反射面的第n个反射单元到用户的信道增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为基站到第m个智能反射面的第n个反射单元的信道增益，
Figure 155092DEST_PATH_IMAGE034
为w m 的最优解。
6.根据权利要求5所述的一种无线通信系统信息传输速率优化方法，其特征在于，所述固定求解出的
Figure 919654DEST_PATH_IMAGE026
的最优解，对式（12）进行求解，得到w m 的最优解，具体为：
固定求解出的
Figure 247472DEST_PATH_IMAGE026
的最优解，根据最大比传输，得到w m 的最优解
Figure 399974DEST_PATH_IMAGE034
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE035
(24)。
7.根据权利要求6所述的一种无线通信系统信息传输速率优化方法，其特征在于，所述按照上述顺序不断求解得到新的w m 、
Figure 50792DEST_PATH_IMAGE026
的最优解，对w m 、
Figure 697674DEST_PATH_IMAGE026
进行交替优化，直到R BmD 的变化值小于阈值，具体为：
给定初始值
Figure 851968DEST_PATH_IMAGE036
，将w 1代入式(22)求得
Figure 863786DEST_PATH_IMAGE029
，将
Figure 467812DEST_PATH_IMAGE029
代入式(23)求得
Figure 390156DEST_PATH_IMAGE027
，再将
Figure 661606DEST_PATH_IMAGE027
代入式(24)求得
Figure 375484DEST_PATH_IMAGE034
，将
Figure 802224DEST_PATH_IMAGE034
代入式(22)求得
Figure 977860DEST_PATH_IMAGE029
，按照该顺序依次代入式(22)-(24)不断得到新的
Figure 385707DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 991526DEST_PATH_IMAGE027
，对w m 、
Figure 914351DEST_PATH_IMAGE026
进行交替优化，直到信息传输速率R BmD 的变化值小于阈值。
8.根据权利要求1所述的一种无线通信系统信息传输速率优化方法，其特征在于，通过以下公式选取基站到用户的信息传输速率达到最大的智能反射面：
Figure DEST_PATH_IMAGE037
(25)
其中，Bm为选择的使信息传输速率达到最大的智能反射面。
9.一种无线通信系统信息传输速率优化装置，其特征在于，所述装置包括：
信息获取模块，配置为获取各智能反射面分别接入系统后基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益；
混合优化模块，配置为基于每个智能反射面接入系统后获取的基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益，分别以基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率最大为目标函数，对基站的有源波束成形向量和每个智能反射面的无源波束成形矩阵进行交替优化，获得基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率；其中，所述基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率由以下公式获得：
Figure 162186DEST_PATH_IMAGE038
(11)
其中，R BmD 为基站经第m个智能反射面到用户的信息传输速率，m=1,…M，M为智能反射面的个数，G BmD 为第m个智能反射面接入系统后基站到用户的直连链路的信道增益，g mD 为第m个智能反射面到用户的信道增益，H Bm 为基站到第m个智能反射面的信道增益，w m 为接入第m个智能反射面后基站的有源波束成形向量，P 0为基站的归一化发射功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
为信道的噪声功率，
Figure 270213DEST_PATH_IMAGE003
为第m个智能反射面的无源波束成形矩阵，
Figure 512844DEST_PATH_IMAGE004
，其中θ mn 表示第m个智能反射面的第n个反射单元的无源波束成形向量，n=1,...N，N为每个智能反射面的反射单元的个数；
选取模块，选取使基站到用户的信息传输速率达到最大的智能反射面进行信息传输。
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