CN113726383B - 一种智能反射面辅助的无线通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能反射面辅助的无线通信系统。该系统包括智能反射面IRS、混合接入点H‑AP和用户端，其中混合接入点设置多根天线，用于传输信号给用户，智能反射面配备多个反射单元，利用反射单元将来自混合接入点H‑AP的信号反射传输给用户，用户端设置包含配备单天线的多个无线设备，以接收来自混合接入点H‑AP或者智能反射面传送的信号；其中通过构建对下行阶段的混合接入点H‑AP的能量波束成形、上行阶段的混合接入点H‑AP的信息接收波束成形、智能反射面在能量和信息传输的相移和时间分配的联合优化问题来最大化上行信息传输速率。利用本发明提升了通信系统吞吐量并且算法优化过程收敛速度快。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更具体地，涉及一种智能反射面辅助的无线通信系统。
背景技术
在当代的移动通信技术中，大量互联网设备被连接到无线网络，因而高传输速率和低延时的网络设计已经成为信息时代的需求之一。目前，如多接入多输出的大规模天线技术或波束成形技术已经被应用到网络中以满足这一需求。但是这些技术无法有效处理信号传输路径中存在的一定阻塞或者高路径的损耗的情况。而传统的中继器方法由于对计算能力的需求较大，增加了整个通信系统的损耗。
随着超材料和超平面的发展，配置无线信道并且能够受控的反射信号的智能反射面(IRS)已经成为解决这一问题的较好方案之一。智能反射面是一种低成本的由多个被动的无源反射元件组成的平面，可以同时反射上下行信号。并且由于智能反射面具有轻巧的特点，可以轻松集成到建筑物的表面或者移动的物体中。同时，只需要对智能反射面的相位或者幅度进行调制就可以使接收端更好的收到信号，提高了通信质量。
在现有技术中，文献“Optimized energy and information relaying in self-sustainable irs-empowered wpcn”(DOI:10.1109/TCOMM.2020.3028875)提出了一种包含单天线的H-AP(混合接入点)和多个单天线的无线设备的无线通信系统。该文献提出了时间切换和功率分配的方案，其中IRS可以通过在TS方案中的能量收集和信号反射之间切换或在PS中调整其反射幅度来从H-AP的信号中收集能量。
文献“Intelligent reflecting surface assisted wireless poweredcommunication networks”(DOI:10.1109/WCNCW48565.2020.9124775)提出了一种包含多天线的H-AP和多个单天线的无线设备的无线通信系统。通过构建H-AP到无线设备之间的波束成形来提供额外的链路，然后通过优化能量收集的相位矩阵和信息传输的相位矩阵来使传输速率最大化。
在目前的5G时代，得益于许多关键技术如超密网络(UDN)，大规模多输入多输出(MIMO)，毫米波(mmWave)等，已经实现了超多设备的无线连接，但是在这种网络环境下，高能耗和高复杂度等问题仍未完全解决。此外，由于信号传播本身的随机性和不可控制性，在一些情况下，接入点和设备之间可能存在一定的阻塞。基于以上原因，采用了智能反射面(IRS)，通过调整IRS元件的相位和振幅可以主动调整信号的传输，从而为信号传输开辟新的低损耗的路径，以提高无线链路的性能。现有的使用源中继或者反向散射通信来降低无线链路的方法与IRS相比都有一定的局限性。首先，源中继通常以半双工模式进行工作，而IRS不使用任何的发射模块，可以以全双工的方式工作，所以源中继在频谱效率或者技术成本上都不如IRS。其次，相对于反向散射通信，IRS本身并不发送自身的任何信息，而反向散射通信需要在接收端实现干扰的消除用于解码标签，所以在IRS辅助的通信环境下直接路径信号或者反射路径信号都可以携带相同的有用信息，可以在接收端相干增强解码的信号强度。然而，在H-AP和无线设备之间的路径存在较高损耗或者阻塞的情况下，目前基于智能反射面辅助的无线通信网络的性能还有待改进。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种智能反射面辅助的无线通信系统，该系统包括智能反射面IRS、混合接入点H-AP和用户端，其中混合接入点设置NT根天线，用于传输信号给用户，智能反射面配备M个反射单元，利用反射单元将来自混合接入点H-AP的信号反射传输给用户，用户端设置为K个配备单天线的无线设备，以接收来自混合接入点H-AP或者智能反射面传送的信号；
其中通过构建对下行阶段的混合接入点H-AP的能量波束成形、上行阶段的混合接入点H-AP的信息接收波束成形、智能反射面在能量和信息传输的相移和时间分配的联合优化问题P1来最大化上行信息传输速率，该联合优化问题表示为：
其中，τ0是用于能量传输的下行链路时间，τ1＝T-τ0是用于信息传输的上行链路时间，T是时间长度总和，ΘD和ΘU分别表示智能反射面在下行链路和上行链路的对角反射系数矩阵，对于′#′∈[D,U],m∈{1,M}, κm∈(0，1]，表示智能反射面第m个反射单元的反射角度和相移，/>表示能量波束成形向量，混合接入点H-AP使用接收波束成形W＝[w1,…,wK]H,/>‖wi‖＝1接收信息，γi表示用户端的第i个无线设备在上行链路期间给混合接入点H-AP传输信息时的信号与干扰加噪声比，U表示上行，D表示下行，约束条件中的(1)表示式子τ0+τ1＝T。
与现有技术相比，本发明的优点在于，针对H-AP和无线设备之间的路径存在比较高的损耗或者阻塞的情况，通过构建联合优化问题，选择使用路径损耗比较小的智能反射面来传输信号或者信息来使得信息的传输速率最大化，从而提升了通信系统性能。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是根据本发明一个实施例的智能反射面辅助的无线通信系统模型示意图；
图2是根据本发明一个实施例的随着发射功率变化的多无线设备的吞吐量表现示意图；
图3是根据本发明一个实施例的随着智能反射面元件数量变化的多无线设备的吞吐量表现示意图；
图4是根据本发明一个实施例的随着智能反射面到H-AP距离变化的多无线设备的吞吐量表现示意图；
图5是根据本发明一个实施例的可选通信系统示意图；
附图中，Transmit Power-发射功率；Throughput-吞吐量；Wireless Link-无线链路；Wired Link-有线链路；IRS Controller-IRS控制器；WET-无线能量传输；WIT-无线信息传输；Propose Scheme-本发明方案；Benchmark scheme I-基准方案1；Benchmark schemeII-基准方案2；Benchmark scheme III-基准方案3；effective link-有效信道；Number ofIRS elements–IRS元件数量；Distance of IRS from H-AP-IRS和H-AP之间的距离。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明的场景是含有多个单天线无线设备和一个多天线的混合接入点(H-AP，Hybrid access point)的带有智能反射面的无线通信网络，其中无线设备在下行链路阶段会通过无线信号从H-AP处收获能量，然后在上行链路阶段使用收到的能量向H-AP发送信息。在下文描述中，首先根据系统模型定义接收端到发射端之间的矩阵或者向量，并使用数学公式描述信号和能量大小；然后以增大整个系统中信息传输速率和系统的吞吐量为优化目标，定义联合优化问题；进而通过求解联合优化问题确定满足优化目标的参数。
1)、系统模型
参见图1所示，所提供的基于智能反射面的无线通信系统包括混合接入点(H-AP)、智能反射面(IRS)和用户端，其中H-AP配备NT根天线，以利用天线传输信号给用户；智能反射面配备M个反射单元，以利用反射单元对来自H-AP的信号进行反射传输给用户；用户端包含K个配备单天线的无线设备，以接收来自H-AP或者智能反射面传送的信号，其中，NT、M和K均为大于等于2的整数。
在一个实施例中，对于所提供的无线通信系统，考虑以一个长度总和是1为例(或统一标记为T)的时间框架，其中用于能量传输的下行链路时间被设为τ0，用于信息传输的上行链路时间被设为τ1＝T-τ0，即可表示为τ0+τ1＝T＝1。
针对图1的无线通信系统，P是信号的发送功率，表示H-AP直接到第i个用户的信道向量，/>表示智能反射面直接到第i个用户的信道向量，表示H-AP到智能反射面的信道矩阵，相对的/>表示第i个用户到H-AP的信道向量，/>表示第i个用户到智能反射面的信道向量，/>表示智能反射面到H-AP的信道矩阵。同时认为信道是互易的，所以有/> Z＝ZD＝ZU，智能反射面在下行链路和上行链路的对角反射系数矩阵分别为ΘD和ΘU，也就是说对于′#′∈[D,U],m∈{1,M},/>其中/>表示第m个反射单元的反射系数，/>κm∈(0，1]，/>代表第m个反射单元的反射角度和相移，所以可以得到/>θ#∈CM×1，/> 上标H表示共轭转置，上标T表示转置，标量xb表示H-AP发送给用户的能量信号，/>表示能量波束成形向量，满足‖f‖＝1，所以第i个用户接收到的信号大小为：
其中是复高斯噪声，σ为高斯噪声的方差，/> 是H-AP和智能反射面之间的有效信道获取量。
令qi表示第i个用户在下行链路期间获取的能量，其可以表示为：
其中η≤1表示能量收集的效率。
在上行链路阶段，第i个设备发送信息标量到H-AP，H-AP使用接收波束成形W＝[w1,…,wK]H,/>‖wi‖＝1来接收信息，H-AP接收到的信号大小为：
其中，是H-AP处的加性高斯白噪声，/> 是H-AP和第i个无线设备之间的有效信道获取量，nAP是在H-AP处的加性高斯白噪声，并且服从分布/>
第i个无线设备在上行链路期间给H-AP传输信息时的信号与干扰加噪声比为：
2)、定义优化问题
在本发明实施例中，以最大化可达到的上行信息传输速率为目标，通过对下行阶段的H-AP能量波束成形、上行阶段的H-AP信息接收波束成形、智能反射面在能量和信息传输的相移和时间分配共4个参数进行问题的联合优化。将联合优化问题表示为：
其中，约束条件中的(1)表示式子τ0+τ1＝T。由于问题中的变量存在耦合，所以问题的求解比较困难，而且问题本身是非凸的，所以在下述实施例中优选考虑优化变量的单独优化，然后使用替代优化获得联合解决方案。
3)、以吞吐量最大化为目标获取优化参数
①首先进行智能反射面能量和信息传输时间分配的优化。
假设4个参数中的其他三个参数都是已知的，假设 可以通过求解以下的松弛问题来获得最佳的时间分配τ1。
因为问题P1.1是一个对于{τ0,τ1}的凸优化问题，所以可以使用标准的凸优化解决方法，例如CVX来解决，采用问题P1.1的拉格朗日函数形式和KKT作为条件，可以得到：
公式(7)证明了最佳的τ0是存在的。
②对H-AP的接收信息的波束成形进行优化。
此时，考虑其他三个参数是已知的，同样假设 所以/>因此可以通过求解以下的松弛问题来获得最佳的W值：
对于问题P1.2可以通过命题3.1得到最佳的H-AP端的最佳信息接收波束成形，同时可以证明瑞利商γi(wi)的最大特征值，根据定理3.2，问题P1.2中的最大特征值γi(wi)对于对称矩阵对{Ci,Di}是对于wi的凸函数。
命题3.1：最佳的H-AP端的最佳信息接收波束成形为i∈[1,K],这里φi表示瑞利商γi(wi)的最大特征值λi的对应特征向量。
证明：取问题P1.2关于wi的梯度并且令其为0，得到：
简化上述的式子，得到结果：
对于任意的矩阵C，令ΦC＝[φ1,…,φK],ΛC＝diag[λ1,…,λK]是特征向量和特征矩阵，所以有：
CΦC＝ΦCΛC或ΛC＝ΦC TCΦC (11)
同样的，对于矩阵D，有ΦD,ΛD是特征向量和特征矩阵，所以：
DФD＝ФDΛD或ΛD＝ΦD TDΦD (12)
假设对于矩阵C,ΦD,ΛD是特征向量和特征值，这就意味着ΦD,ΛD是矩阵集{C,D}的广义特征向量和特征值，所以下面的方程必须满足：
CΦD＝ΦDΛD或者ΛD＝ΦD TCΦD (13)
将上式中的ΛD左右两边都与ΛD -1/2相乘，有：
ΛD -1/2ΦD TCΦDΛD -1/2＝ΛD -1/2ΛDΛD -1/2＝I (14)
可以注意到C′＝ΛD -1/2ΦD TCΦDΛD -1/2是对称矩阵，然后根据特征值和特征向量的定义，有：
C′Φc＝ΦCΛCorΛC＝Φc TC′ФC (15)
将ΛC中的C′代入：
ΛC＝ΦC TΛD -1/2ΦD TCΦDΛD -1/2ΦC＝ΦTCΦ,其中Φ＝ΦDΛD -1/2ΦC (16)
使用Φ作为结果检查D的对角化能力：
Φ-1DΦ＝ΦTDΦ＝ΦC TΛD -1/2ФD TDΦDΛD -1/2ΦC (17)
上式又可以改写为：
ΦTDΦ＝ΦC TΛD -1/2ΛDΛD -1/2ΦC (18)
简化上式为ΦTDΦ＝I，在上式的右边乘以ΛC，然后等同于
ΛC＝ΦC TΛD -1/2ΦD TCΦDΛD -1/2＝ΦTCΦ,其中Φ＝ΦDΛD -1/2ΦC
得到：
CΦ＝DΦΛC (19)
上式的向量形式方程为：
Ciφi＝Diφiλi (20)
比较之前的式子和Ciφi＝Diφiλi，得到/>作为特征向量φi，γi(wi)作为对应于特征向量φi的特征值λi，因此，对于问题P1.2，最优的wi,i∈{1,K}是/>
定理3.2：问题P1.2中γI(wi)的最大特征值，对于对称矩阵对{Ci,Di}是关于wi的凸函数。
证明：令是(NT×NT×K)矩阵Ci的特征值，所以Ciwi＝wiλi.此外，这意味着/>
对于矩阵Di也可以写出与上式类似的等式。
现在对于阶数为NT×NT×K且0≤α≤1，可以得到：
因此对称矩阵对{Ci,Di}的最大的特征值是对于wi的凸函数。
③对H-AP的发送波束成形进行优化。
此时考虑其他三个参数是已知的，所以最佳的发送波束成形f可以通过求解以下的松弛问题得出：
我们假设 所以现在问题P1.3修改如下：
在P1.3.1中，瑞利商有k个乘积项，并且对于P1.3.1中的对称矩阵E和Gi来说，如果ψi(wi,Θ#,τi)是对应于最大特征值ζi(wi,Θ#,τi)的特征向量，所以根据之前的推断可知当f(wi,Θ#,τi)＝ψi(wi,Θ#,τi)时，第i个瑞利商γi(f)被最大化为ζi(wi,Θ#,τi)。从上述式子做一些推算可以知道，对称矩阵对{E,Gi}的最大特征值是关于f的凸函数。为了解最佳的发射波束成形器f，k瑞利商的解需要一起被优化，我们假设然后第i项的f由ζi(wi,Θ#,τi)cosδi给出，问题P1.3.1现在被改写为问题P1.3.2，同时问题可以使用命题3.2解出。
命题3.2：当δ1＝…＝δK的时候，的最大值出现。那么最优的/>这里，向量a＝[1,…,1,0,…,0]T，/>向量a包含K个1和NT-K个0。ψi,i∈[1,K]代表第i个瑞利商的解，/>代表与K个向量ψi空间正交的基向量。
证明：参考文献“Throughput maximization for multiuser mimo wirelesspowered communication networks”(DOI:10.1109/TVT.2015.2453206)中定理1的证明。
④对智能反射面的相移进行优化。
此时认为f,W和τi是已知变量，然后可以通过求解出以下方程来获得最佳的Θ#。
为了简化，假设然后/>所以有效信道/>其中/>如果H-AP和无线设备之间没有直接的链路连接(即只有智能反射面的时候)，/>
在优化上行链路的智能反射面的相移时，认为上行链路智能反射面的相移转换涉及到的参数是不变的，反之亦然。所以问题P1.4在上行链路和下行链路对于智能反射面的相移进行优化时，信号与干扰加噪声比变成如下形式：
假设：
现在对于新的问题P1.4.1，问题P1.4的目标函数被修改为：
对于问题P1.4.1，即中的对称矩阵H和Li来说，如果是对应于最大特征值/>的特征向量。根据命题3.1，当时，第i个瑞利商/>被最大化为/>根据定理3.2，可以知道对称矩阵对{H#,Li #}是关于/>的凸函数，因此在求解关于/>的问题P1.4.1的时候，因为存在k个瑞利商项，所以获得了k个/>的解。首先，将/>归一化为/>因此[x](2:M+1)表示x中不包括第一个元素的包含M个元素的向量。在对/>进行归一化之后，需要一起优化k个解以获得唯一的最优的/>当H-AP和无线设备之间仅仅存在智能反射面时，即/> 那么就不需要对/>进行归一化，这时用k个解一起优化来获得唯一的最优/>为了获取唯一的最优/>假设/> 其中所以第i项的/>为/>这时问题P1.4.1被重写为如下：
这个问题可以使用推断命题3.2解出，假设最优的这里向量a＝[1,…,1,0,…,0]T,/>向量a包括k个1和M-K个0，i∈[1,K]，代表第i个瑞利商的解，/>代表与k个向量/>空间正交的基向量，可以通过/>获得最优的θ#，/>
4)、使用替代优化的联合解决方案
在上述实施例中，将主问题分解为多个子问题，然后为子问题提供一个解决方案。现在为主问题提供一种联合解决方案，参数的优化顺序为τi→W→f→ΘD→ΘU，在优化完子问题之后，发现主问题P1的目标函数105是有限且不递减的。如下的算法1给出了步骤，同时还发现由于算法1具
有低复杂度的特点，所以问题P1会在几次收敛(如2-3次)内达到最优解。
5)、对于H-AP配置ZFRB和MRT的情况
首先假设H-AP处配置了ZFRB(迫零波束成型，zero-forcing receivebeamforming)。
在本节中，由于上述已获得了所提出系统的次优解决方案。因此，W是已知的，并且f、τi和Θ#如上所述进行了优化，但在使用ZFRB时，方程得到了简化，如下所述。
当使用ZFRB时，干扰为0，所以 同时有所以问题P1被简化为：
所以问题P1.1中的最优τ1被简化为以下公式：
参数τ1的优化问题是一个凸优化问题，所以采用问题的拉格朗日形式和KKT条件可以轻松证明参数τ1最优值的存在性。
在优化发射波束成形的时候，假设 所以问题P1.3.1被简化为：
/>
在优化问题P1.4.1中的时，/> 问题P1.4.1被简化为：
所以现在可以使用对参数的替代优化来获得联合解决方案。
接下来，假设H-AP处配置了MRT((maximum-ratio-transmission，最大比率发射)。
由于上述已获得一个次优解决方案，因此f是已知的，W,τi,Θ#按照上述方式进行优化。基于智能反射面的链路和H-AP与无线设备之间的有效链路，假设有两种不同的MRT。在智能反射面的MRT中，H-AP的搜索方向为在有效链路的MRT中，H-AP的搜索方向为/>每个MRT的发射波束成形f变为之前搜索方向的/>倍。因此问题P1.3.1得到简化，然后可以通过将ψi替换成相应的发射波束成形器，通过命题3.2获得最佳的解决方案。
为进一步验证本发明的效果，进行实验，可采用MATLAB平台或其他的计算平台进行仿真，以验证系统的吞吐量。具体地，假设位于(0m,0m)处的H-AP具有5根天线。H-AP服务3个具有单天线的无线设备，无线设备随机分布在半径为10m的圆内，距离H-AP(200m,10m)。具有100个元件的智能反射面距离H-AP(200m,0m)，在实际应用中，发现智能反射面的反射信号的幅度与相移相关。为了简化，本申请不考虑元件的相移，并且将智能反射面的反射系数视为相同。此外，除非特别指定，假设H-AP的发射功率P＝25dBm。
在实验中，对比了以下几种基准方案：
方案1：系统中配置了智能反射面，并且智能反射面的元件有随机的相移，同时H-AP与无线设备之间的直接链路也是可用的。
方案2：系统没有配置智能反射面，所以只能使用H-AP和无线设备之间的直接链路连接来传输信号。
方案3：系统的H-AP和无线设备之间没有配置直接的链路连接，所以只能使用智能反射面来传输信号。
图2是发射功率变化和多无线设备的吞吐量之间的关系示意。可以看出，随着H-AP处的发射功率提高，无线设备处接收到的信号也逐渐提高，这使得无线设备可以获取更多的能量来发送信息，所以对于所有方案来说，系统的吞吐量随着H-AP的发射功率提高而提高。但是方案2的吞吐量比较低，这是因为信号的传输通过高路径损耗的直接链路完成。对于方案1，尽管智能反射面的元件采用了随机的相移，但是由于智能反射面和H-AP与无线设备之间的直接链路都可以用来作为信号的传输，所以方案1的吞吐量表现要比方案2好。对于方案3来说，因为方案3的智能反射面元件采用了最佳的相移，所以方案3的吞吐量表现好于方案1和2。此外图2中还显示了在H-AP处应用MRT和ZFRB时，为提出的系统获得两个复杂度低的次优解。可以注意到，基于有效信道的MRT在吞吐量表现上要略好于基于智能反射面的MRT。随着发射功率的提高，由于采用了更加简单的接收波束成形的方向设计，所以ZFRB的性能有所降低。
图3是智能反射面元件数量和多无线设备吞吐量之间的关系示意，分析了带有智能反射面的无线能量传输网络中无线设备向H-AP发送信息期间的吞吐量。可以看出，随着智能反射面元件的增加，三种方案的吞吐量都有一定的增加，这是因为增加智能反射面的元件数量可以增加无线设备在给定时间内的接收功率。因此可以通过增加智能反射面的元件来提高系统的频谱效率和能量收集效率。
图4分析了智能反射面与H-AP之间的距离对系统性能的影响，反映了智能反射面与H-AP之间的距离从50m到200m之间变化时，系统性能的变化。可以看出，当智能反射面更加靠近无线设备的时候，所有方案的性能都有所提高。
由图2至图4可以看出，在H-AP发射功率变化、智能反射面元件数量变化、智能反射面与H-AP之间的距离变化等各种情况下，本发明提供的方案相对于现有技术，均提升了系统吞吐量。
应理解的是，在不违背本发明精神和范围的前提下，本领域技术人员可对上述实施例进行适当的改变或变型。例如，可以优化系统模型，如将系统中的混合接入点H-AP更改为分开独立的能量发送站和信息接收站，如图5所示，当使用该通信模型时，无线设备从能量发送站接收能量，然后发送信息给信息接收站，这时因为能量发送站发送的无线电能量可能在路径上有损失，所以可以设置多个能量发送站来增加无线设备所接收到的能量。又如，可采用其他的求解方式获得所构建的联合优化问题的解。
综上所述，现有技术中带有IRS的无线通信系统是基于TDMA的，这意味着无线设备在上行阶段会被分配时隙来传输信息，但是在本申请的通信系统中，无线设备同时发送信息，所以信息传输速率和吞吐量优于现有方案，同时本发明采用的是多天线H-AP，所以无线设备接收到的信号强度要比单天线H-AP要高。在优化过程中，因为本发明在H-AP处设置接收波束成形器，所以本发明的H-AP处收到的信号强度也比较高。此外，因为本发明对相移进行优化，所以信号与干扰加噪声比可以做到比较低。就优化算法来说，因为本发明的主问题可以使用所提出的算法在几步之内就完成收敛，具有收敛速度快的优势并且能够最大化系统吞吐量。
本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
用于执行本发明操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++、Python等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。
这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。
这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。
也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。对于本领域技术人员来说公知的是，通过硬件方式实现、通过软件方式实现以及通过软件和硬件结合的方式实现都是等价的。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种智能反射面辅助的无线通信系统，包括智能反射面IRS、混合接入点H-AP和用户端，其中混合接入点设置NT根天线，用于传输信号给用户，智能反射面配备M个反射单元，利用反射单元将来自混合接入点H-AP的信号反射传输给用户，用户端设置为K个配备单天线的无线设备，以接收来自混合接入点H-AP或者智能反射面传送的信号；
其中通过构建对下行阶段的混合接入点H-AP的能量波束成形、上行阶段的混合接入点H-AP的信息接收波束成形、智能反射面在能量和信息传输的相移和时间分配的联合优化问题P1来最大化上行信息传输速率，该联合优化问题表示为：
(P1)：
s.t.(1)，||f||＝1，
||wi||＝1，and
其中，τ0是用于能量传输的下行链路时间，τ1＝T-τ0是用于信息传输的上行链路时间，T是时间长度总和，ΘD和ΘU分别表示智能反射面在下行链路和上行链路的对角反射系数矩阵，对于′#′∈[D，U]，m∈{1，M}， κm∈(0，1]，表示智能反射面第m个反射单元的反射角度和相移，/>表示能量波束成形向量，混合接入点H-AP使用接收波束成形W＝[w1，...，wK]H，/>||wi||＝1接收信息，γi表示用户端的第i个无线设备在上行链路期间给混合接入点H-AP传输信息时的信号与干扰加噪声比，U表示上行，D表示下行，约束条件中的(1)表示τ0+τ1＝T。
2.根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，根据以下步骤求解所述联合优化问题：
求解以下的松弛问题P1.1来获得智能反射面能量和信息传输的最佳时间分配τ1：
(P1.1)：
s.t.(1).
求解以下的松弛问题P1.2来获得混合接入点H-AP的接收信息的波束成形的最佳W值：
(P1.2)：
s.t.||wi||＝1.
通过求解以下的松弛问题P1.3获得混合接入点H-AP的发送波束成形的最佳f：
(P1.3)：
s.t.||f||＝1
对智能反射面的相移参数Θ#的优化转换为：
(P1.4)：
其中 是混合接入点H-AP和智能反射面之间的有效信道获取量，表示混合接入点H-AP直接到第i个用户的信道向量，/>表示智能反射面直接到第i个用户的信道向量，/>表示混合接入点H-AP到智能反射面的信道矩阵，/>表示第i个用户到混合接入点H-AP的信道向量，/>表示第i个用户到智能反射面的信道向量，/>表示智能反射面到H-AP的信道矩阵，并且有/> Z＝ZD＝ZU。
3.根据权利要求2所述的无线通信系统，其特征在于，将问题P1.3进一步表示为问题P1.3.1：
(P1.3.1)：
s.t.||f||＝1.
其中， P表示混合接入点H-AP的发送功率，瑞利商有k个乘积项，并且对于对称矩阵E和Gi，如果ψi(wi，Θ#，τi)是对应于最大特征值ζi(wi，Θ#，τi)的特征向量，可知当f(wi，Θ#，τi)＝ψi(wi，Θ#，τi)时，第i个瑞利商γi(f)被最大化为ζi(wi，Θ#，τi)。
4.根据权利要求3所述的无线通信系统，其特征在于，问题P1.3.1被转换为问题P1.3.2，表示为：
(P1.3.2)：
根据以下命题求解：
当δ1＝…＝δK时，的最大值出现，则最优的/>其中向量a＝[1，...，1，0，...，0]T，/>向量a包含K个1和NT-K个0，ψi，i∈[1，K]代表第i个瑞利商的解，/>代表与K个向量ψi空间正交的基向量。
5.根据权利要求4所述的无线通信系统，其特征在于，问题P1.4被转换为：
(P1.4.2)：
其中，假设最优的向量a＝[1，...，1，0，...，0]T，向量a包括k个1和M-K个0，i∈[1，K]，代表第i个瑞利商的解，/>代表与k个向量/>空间正交的基向量，通过/>获得最优的θ#，
6.根据权利要求2所述的无线通信系统，其特征在于，对于混合接入点H-AP处配置ZFRB的情况下，问题P1.1被简化为：
s.t.(1)，||f||＝1，and
…，M，#∈[D，U]。
7.根据权利要求3所述的无线通信系统，其特征在于，对于混合接入点H-AP处配置MRT的情况下，在智能反射面的MRT中，混合接入点H-AP的搜索方向为在有效链路的MRT中，混合接入点H-AP的搜索方向为/>
8.根据权利要求2所述的无线通信系统，其特征在于，第i个无线设备在上行链路期间给混合接入点H-AP传输信息时的信号与干扰加噪声比表示为：
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现以下步骤：
对于权利要求1至8任一项所述的智能反射面辅助的无线通信系统，通过构建对下行阶段的混合接入点H-AP的能量波束成形、上行阶段的混合接入点H-AP的信息接收波束成形、智能反射面在能量和信息传输的相移和时间分配的联合优化问题P1来最大化上行信息传输速率，该联合优化问题表示为：
(P1)：
s.t.(1)，||f||＝1，
||wi||＝1，and
其中，τ0是用于能量传输的下行链路时间，τ1＝T-τ0是用于信息传输的上行链路时间，T是时间长度总和，ΘD和ΘU分别表示智能反射面在下行链路和上行链路的对角反射系数矩阵，对于′#′∈[D，U]，m∈{1，M}， κm∈(0，1]，表示智能反射面第m个反射单元的反射角度和相移，/>表示能量波束成形向量，混合接入点H-AP使用接收波束成形W＝[w1，...，wK]H，/>||wi||＝1接收信息，γi表示用户端的第i个无线设备在上行链路期间给混合接入点H-AP传输信息时的信号与干扰加噪声比，U表示上行，D表示下行。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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