CN113726390A - 基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统及方法。其中，本发明提供的基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统中设置有多个可重构反射超表面、多个基站和多个用户。接收到各个基站发送的信号后，多个工作在同一频率的可重构反射超表面会将这些信号同步反射给用户。用户既可以直接接收基站发送的信号，也可以通过多个可重构反射超表面接收各种反射信号，从而大大提高了数据传输速率。同时，由于可重构反射超表面成本低功耗小，部署可重构反射超表面之后相当于在提高速率的同时降低了成本，从而提高了系统的能量效率。

Description

基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统及方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统及方法。

背景技术

移动设备的数量爆炸式增长，引发了未来无线系统对高速且无缝数据服务的迫切需求。然而，现有的用于增强目标信号的方法均依赖于额外的硬件，这不可避免的带来高功耗和高复杂度的信号处理等问题，进而大大降低了系统的能量效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统及方法，以提高能量传输效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统，包括：多个可重构反射超表面、多个基站和多个用户；

在多个所述可重构反射超表面的辅助下，多个基站为多个用户提供无线通信服务。

优选地，其特征在于，还包括：一个中央控制器；

所述中央控制器用于根据所述基站的位置、所述可重构反射超表面的位置和所述用户的位置进行网络信号的传输和控制。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统中设置有多个可重构反射超表面、多个基站和多个用户。接收到各个基站发送的信号后，多个工作在同一频率的可重构反射超表面会将这些信号同步反射给用户。用户既可以直接接收基站发送的信号，也可以通过多个可重构反射超表面接收各种反射信号，从而大大提高了数据传输速率。同时，由于可重构反射超表面成本低功耗小，部署可重构反射超表面之后相当于在提高速率的同时降低了成本，从而提高了系统的能量效率。

本发明还提供了一种基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输方法，以应用于上述提供的基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统；所述基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输方法，包括：

基于混合波束成形方案对基站中形成的数字波束成形矩阵和可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵进行优化，得到优化结果；所述混合波束成形方案由基站生成的数字波束成形方案和可重构反射超表面生成的模拟波束成形方案整合得到；

采用所述优化结果对基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统中信号的发射进行控制。

优选地，所述基于混合波束成形方案对基站中形成的数字波束成形矩阵和可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵进行优化，得到优化结果，具体包括：

构建系统能量效率最大化问题模型；

基于所述系统能量效率最大化问题模型，保持所述可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵不变，采用所述混合波束成形方案确定所述基站中形成的数字波束成形矩阵的值，得到第一结果值；

基于所述系统能量效率最大化问题模型，保持所述基站中形成的数字波束成形矩阵不变，采用所述混合波束成形方案确定所述可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵的值，得到第二结果值；

当所述第一结果值和第二结果值间的差值小于预设阈值时，得到优化结果。

优选地，构建系统能量效率最大化问题模型，具体包括：

基于用户接受到的数据速率确定系统的总数据速率；

基于系统的功耗和所述系统的总数据速率确定系统的能量效率；

基于所述系统的能量效率，根据基站的发射功率和可重构反射超表面的设置参数构建所述系统能量效率最大化问题模型；所述可重构反射超表面的设置参数包括：可重构反射超表面中单元的配置和单元的相移。

优选地，所述系统能量效率最大化问题模型为：

其中，P_t ⁽ⁿ⁾表示第n个基站的当前时刻的最大发射功率，P_T ⁽ⁿ⁾表示表示第n个基站发着周期内的最大发射功率，q_m,l表示第m个可重构反射超表面模拟波束成形矩阵的第(m,l)个元素，θ_m,l表示第m个可重构反射超表面的第l个单元的相移，i_m,l表示一个离散取值范围，V_D表示数字波束成形矩阵，Q表示可重构反射超表面的模拟波束成形矩阵，j表示可重构反射超表面模拟波束成形矩阵的元素序号，b表示自然数，N表示基站的个数。

优选地，可重构反射超表面生成的模拟波束成形方案的确定过程为：

采用基站对要发射的信号进行数字波束成形处理，得到处理后的信号；

所述处理后的信号通过多条射频链同时发射给可重构反射超表面，所述可重构反射超表面通过改变电磁波的相移将处理后的信号反射到用户处，形成模拟波束成形方案。

因本发明提供的基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输方法达到的技术效果与上述提供的基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统达到的技术效果相同，故在此不再进行赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统信号传输的框架图；

图2为本发明提供的基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的能量效率最大化问题模型求解流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

近年来，一种新的传输技术RIS应运而生，该技术通过控制多个散射体(下文统称为RIS元件)的电磁响应，将传播环境塑造成理想的形态。具体来说，RIS是一种超薄表面，嵌有多个RIS元件，它们的电磁响应(如相移)可以由简单的可编程PIN二极管控制。由于PIN二极管只能实现开/关两种操作，相应的，RIS也只能实现有限数量的离散相移。与传统天线发射的散射波不同，在基于RIS的可编程传播环境中，接收信号直接反射到接收机，没有额外的硬件功耗产生，并且提高了链路质量和覆盖面积。

基于RIS的这一特性，本发明提供的基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统及方法，利用可重构反射超表面(RIS)技术，进一步提高无线通信系统的能量效率。具体来说，RIS可以将入射信号进行反射并产生定向波束，因此，以RIS为中心的用户可以被RIS的无线通信信号覆盖。通过在感兴趣的区域部署多个RIS，多个用户可以同时通过基站和RIS获得无线通信服务，形成一个RIS辅助的MIMO系统。在这样的一个系统中，多个RIS零散的分布在感兴趣区域中，并创造良好的传播条线，从而大大增强无线通信链路的通信质量，扩大基站的覆盖范围。同时，得益于RIS低成本、低功耗的特点，系统的硬件部署成本和功耗都会大大降低，并且RIS可以将基站发送的信号反射到用户，从而构建较为理想的传播环境，避免基站-用户间的直接链路阻断带来的影响，进而可以大大提高系统中的能量效率。

技术术语解释：

可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface)：一种超波表面，嵌有多个RIS元件，每个RIS元件的电磁响应(如相移)可以通过编程进行控制，进而将入射信号以定向波束的形式反射，最终传播环境塑造成理想的形态。

混合波束成形(Hybrid Beamforming，HBF)：混合波束成形。所谓波束成形是指将一定几何形状排列的多元基阵各阵元输出经过处理(例如加权、时延、求和等)形成空间指向性的方法，包括数字波束成形和模拟波束成形。由于RIS元件不具有数字处理能力，本发明中采用一种混合波束成形，其中在基站采用数字波束成形，而在RIS采用模拟波束成形进行配置。

能量效率：系统中的总数据速率与总功耗之比。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，考虑一个下行多用户系统，本发明提供的基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统，包括：多个可重构反射超表面、多个基站、多个用户和一个中央控制器。

在多个可重构反射超表面的辅助下，多个基站为多个用户提供无线通信服务。其中，每个RIS可以通过控制其单元的相移来为周围的多个用户服务，并将信号从基站反射到用户。为了提高网络容量并实现更广泛的覆盖，本发明在感兴趣的领域部署了多个RIS，并由一个中央控制器进行协调。

在这样的系统布局中，所有基站和所有RIS协同为所有用户提供服务。中心CPU负责网络控制和规划，并根据基站、RIS和用户的位置来决定传输调度。接收到各个基站发送的信号后，多个工作在同一频率的RIS会将这些信号同步反射给用户。用户既可以直接接收基站发送的信号，也可以通过多个RIS接收各种反射信号，从而大大提高了数据传输速率。同时，由于RIS成本低功耗小，部署RIS之后相当于在提高速率的同时降低了成本，从而提高了系统的能量效率。

为进一步提升网络容量、降低功率损耗，本发明还提供了一种基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输方法，以应用于上述提供的基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统。如图2所示，该基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输方法，包括：

步骤100：基于混合波束成形方案对基站中形成的数字波束成形矩阵和可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵进行优化，得到优化结果。混合波束成形方案由基站生成的数字波束成形方案和可重构反射超表面生成的模拟波束成形方案整合得到。其中，可重构反射超表面生成的模拟波束成形方案的确定过程为：

采用基站对要发射的信号进行数字波束成形处理，得到处理后的信号。

处理后的信号通过多条射频链同时发射给可重构反射超表面，可重构反射超表面通过改变电磁波的相移将处理后的信号反射到用户处，形成模拟波束成形方案。

步骤200：采用优化结果对基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统中信号的发射进行控制。该步骤的具体实施过程为：

构建系统能量效率最大化问题模型。

基于系统能量效率最大化问题模型，保持可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵不变，采用混合波束成形方案确定基站中形成的数字波束成形矩阵的值，得到第一结果值。

基于系统能量效率最大化问题模型，保持基站中形成的数字波束成形矩阵不变，采用混合波束成形方案确定可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵的值，得到第二结果值。

当第一结果值和第二结果值间的差值小于预设阈值时，得到优化结果。

其中，构建系统能量效率最大化问题模型，具体包括：

基于用户接受到的数据速率确定系统的总数据速率。

基于系统的功耗和系统的总数据速率确定系统的能量效率。

基于系统的能量效率，根据基站的发射功率和可重构反射超表面的设置参数构建系统能量效率最大化问题模型。可重构反射超表面的设置参数包括：可重构反射超表面中单元的配置和单元的相移。

构建得到的系统能量效率最大化问题模型为：

其中，P_t ⁽ⁿ⁾表示第n个基站的当前时刻的最大发射功率，P_T ⁽ⁿ⁾表示表示第n个基站发着周期内的最大发射功率，q_m,l表示第m个可重构反射超表面模拟波束成形矩阵的第(m,l)个元素，θ_m,l表示第m个可重构反射超表面的第l个单元的相移，i_m,l表示一个离散取值范围，V_D表示数字波束成形矩阵，Q表示可重构反射超表面的模拟波束成形矩阵，j表示可重构反射超表面模拟波束成形矩阵的元素序号，b表示自然数，N表示基站的个数。

本发明上述提供的基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输方法中，在基站处进行数字波束成形，在RIS处进行模拟波束成形，形成一种混合波束成形方案。通过优化数字/模拟波束成形矩阵，使系统的能量效率最大化。

下面结合数据的具体处理过程对本发明上述提供的基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输方法的实施过程进行举例说明。

每个基站(BS)首先对要发射的信号进行数字波束成形(Digital beamforming)，处理后的信号通过多条射频链(RF chain)同时发射到各个RIS，RIS再将信号反射到用户处。其中，RIS通过改变电磁波的相移对信号进行反射，相当于一种模拟波束成形，因此本发明称之为RIS辅助的模拟波束成形。

在该系统中，用户k接收到的数据速率可以表示为：

其中，H_k表示第k个用户相关的信道矩阵，这其中包括多个基站到该用户之间的直射径H_D,k，以及多个基站经过多个RIS到该用户的反射径H_RU,k和H_BR。H_RU,k表示各个RIS到用户k之间的信道矩阵，H_BR表示多个基站到多个RIS之间的信道矩阵。假如一共有N个基站，每个基站有A根天线，有M个RIS，每个RIS有L个单元，那么，H_RU,k是一个1×ML的矩阵，H_BR是一个ML×NA的矩阵，H_D,k是一个1×NA的矩阵。V_D表示数字波束成形矩阵，V_D,k表示V_D的第k列，σ表示噪声，Q表示IOS配置矩阵，即RIS辅助的模拟波束成形矩阵。

假设共有K个用户，系统的总数据速率可以表示为：

系统的功耗可以表示为：

其中ω_n表示权重，是一个大于0的常数。p_t ⁽ⁿ⁾表示第n个基站的发射功率，P_B ⁽ⁿ⁾表示第n个基站处的静态损耗，P_R ^(m,b)表示第m个RIS采用b比特量化时的静态损耗，P_U ^(k)表示第k个用户的静态损耗。

系统的能量效率就可以表示为：

其中，B表示带宽。

因此，基于上述数据处理过程，就可以构建得到系统能量效率最大化问题模型。

基于构建得到的，如图3所示，本发明采用迭代式算法，求解上述能量效率最大化问题：1)RIS辅助的模拟波束成形矩阵不变，求解数字波束成形矩阵。2)数字波束成形矩阵不变，优化RIS辅助的模拟波束成形矩阵，并确保该矩阵在可选范围之内。3)重复步骤1)，直到两次相邻的迭代的能量效率的差值小于预设的阈值。

其中，A、数字波束成形矩阵的推导过程为：

采用迫零波束成形和功率分配相结合的方法，即

其中H表示信道矩阵，上面所说的H_k是该矩阵的第k行。P是由p_k构成的对角阵，p_k表示所有基站分配给第k个用户的发射功率。迫零波束成形有以下两个特性：

由此，上述能量效率最大化问题可以改写成

其中，

表示系统中的全部静态损耗。

采用Benson转换法，上述问题可以进一步改写成：

其中y是一个为了求解问题引入的辅助变量，没有物理意义，其最优值可以通过下式计算得到

将y*代入到能量效率最大化问题的改写公式中，能量效率最大化问题就被转换成了一个凸优化问题，可以利用MATLAB的凸优化算法进行求解。

B、RIS模拟波束成形矩阵的求解过程为：

在已知数字波束成形矩阵的情况下，能效最大化问题可以改写成：

其中，

Tr(·)表示矩阵的迹运算。

由于Q和直射径无关，这里本发明忽略直射径进行优化。当K＝NA时，f(Q)可以改写为：

以下，本发明依次优化Q中的第(m,l)个元素，即q_m,l。为了简洁，本发明重新记序号(m,l)为j，j＝(m-1)L+l。将Q的第j个对角元素设为0，处理之后的矩阵记为Q^(-j)，可以进行以下改写：

其中，

B中的第一个因子表示

的第j列，第二个因子表示H_BR的第j行。由此，f(Q)可以改写为：

其中，

由于上式中最后一行Tr里的第一项是一个满秩矩阵，第二项和第三项都是秩为1的矩阵，根据Sherman Morrison公式，f(Q)可以再次改写为：

上式中所有的a都是和θ_m，1无关的量，具体为：

其中所有的E：

The details of a₁～a₈ are defined in TABLE III，where E₁＝eig(A_j)，

and

至此，f(Q)的最小值可以通过对θ_m，1求导得到，导数为0时f(Q)最小，数学表示为：

展开来：

b₁＝j(a₁a₆-a₂a₅)，b₂＝2j(a₁a₇-a₃a₅)，b₃＝j(3a₁a₈+a₂a₇-a₃a₆-3a₄a₅)，b₄＝2j(a₂a₈-a₄a₆)，b₅＝j(a₃a₈-a₄a₇).

根据欧拉公式，可以写为：

其中，

通过三角函数公式，将

等号左边的部分展开，可以写成关于

的一元四次方程，该方程的解用X表示，则θ_m,l＝2arctanX。

由于θ只能取到离散值，本发明将可取集合中离2arctanX最近的值作为θ_m,l本次迭代中的最终取值。

Q中的每个元素均以上述方法计算，每计算完所有的元素一次，算作一次迭代，迭代多次，直到f(Q)的值不再变化为止。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统，其特征在于，包括：多个可重构反射超表面、多个基站和多个用户；

在多个所述可重构反射超表面的辅助下，多个基站为多个用户提供无线通信服务。

2.根据权利要求1所述的基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统，其特征在于，还包括：一个中央控制器；

所述中央控制器用于根据所述基站的位置、所述可重构反射超表面的位置和所述用户的位置进行网络信号的传输和控制。

3.一种基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输方法，其特征在于，应用于如权利要求1-2任意一项所述的基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统；所述基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输方法，包括：

基于混合波束成形方案对基站中形成的数字波束成形矩阵和可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵进行优化，得到优化结果；所述混合波束成形方案由基站生成的数字波束成形方案和可重构反射超表面生成的模拟波束成形方案整合得到；

采用所述优化结果对基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输系统中信号的发射进行控制。

4.根据权利要求3所述的基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输方法，其特征在于，所述基于混合波束成形方案对基站中形成的数字波束成形矩阵和可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵进行优化，得到优化结果，具体包括：

构建系统能量效率最大化问题模型；

基于所述系统能量效率最大化问题模型，保持所述可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵不变，采用所述混合波束成形方案确定所述基站中形成的数字波束成形矩阵的值，得到第一结果值；

基于所述系统能量效率最大化问题模型，保持所述基站中形成的数字波束成形矩阵不变，采用所述混合波束成形方案确定所述可重构反射超表面中形成的模拟波束成形矩阵的值，得到第二结果值；

当所述第一结果值和第二结果值间的差值小于预设阈值时，得到优化结果。

5.根据权利要求4所述的基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输方法，其特征在于，构建系统能量效率最大化问题模型，具体包括：

基于用户接受到的数据速率确定系统的总数据速率；

基于系统的功耗和所述系统的总数据速率确定系统的能量效率；

基于所述系统的能量效率，根据基站的发射功率和可重构反射超表面的设置参数构建所述系统能量效率最大化问题模型；所述可重构反射超表面的设置参数包括：可重构反射超表面中单元的配置和单元的相移。

6.根据权利要求5所述的基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输方法，其特征在于，所述系统能量效率最大化问题模型为：

s.t.

其中，

表示第n个基站的当前时刻的最大发射功率，

表示表示第n个基站发着周期内的最大发射功率，q_m，1表示第m个可重构反射超表面模拟波束成形矩阵的第(m，l)个元素，θ_m，l表示第m个可重构反射超表面的第l个单元的相移，i_m，l表示一个离散取值范围，V_D表示数字波束成形矩阵，Q表示可重构反射超表面的模拟波束成形矩阵，j表示可重构反射超表面模拟波束成形矩阵的元素序号，b表示自然数，N表示基站的个数。

7.根据权利要求3所述的基于可重构反射超表面的能量效率最大化传输方法，其特征在于，可重构反射超表面生成的模拟波束成形方案的确定过程为：

采用基站对要发射的信号进行数字波束成形处理，得到处理后的信号；

所述处理后的信号通过多条射频链同时发射给可重构反射超表面，所述可重构反射超表面通过改变电磁波的相移将处理后的信号反射到用户处，形成模拟波束成形方案。

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