CN114172552A - 一种基于irs辅助的高能效联合波束成型方法 - Google Patents

一种基于irs辅助的高能效联合波束成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于IRS辅助的高能效联合波束成型方法，本发明我们为系统提供了一个综合的信道环境，包括用户和基站之间的直达链路、来自IRS的单次反射链路以及IRS间反射。我们所制定的基于比例公平的能量效率最大化的优化问题在用户之间实现了适当的公平性，而不是使少数具有良好信道条件的用户受益或在不考虑任何信道条件的情况下实现完全相同的能效性能。所使用的求解方法能够确保秩1的波束成形。

Description

一种基于IRS辅助的高能效联合波束成型方法
技术领域
本发明属于无线数据传输领域，具体涉及一种基于IRS辅助的高能效联合波束成型方法。
背景技术
随着5G的发展，小基站的密集部署使得小区半径呈现出不断减小的趋势。这种趋势有助 于增强用户接收到的信号并提高服务质量。然而，它也因为频繁的小区间切换而导致较大的信 令开销，并对小区边缘用户造成压制性干扰。这一趋势推动了小区范式的革命。由于在超密集 网络中存在的显著缺点，研究人员尝试通过考虑网络服务用户以及“去蜂窝”方法来替代传统 的以小区为中心的范式，并将其定义为“以用户为中心”的范式。具体而言，在以用户为中心 的网络中，信令和数据以及上行链路和下行链路传输是解耦的。因此，以用户为中心的网络架 构结合多点协作传输技术，能够将干扰转化为有用信号，从根本上减少来自其他基站的干扰。
而随着人们对气候变化和巨额电力支出的日益关注，能源效率逐渐成为未来网络设计的主 要指标。而超密集网络中由于小基站密集部署导致网络功耗增加且能效较低。此外，在网络中 部署更多的小基站降低了灵活性并增加了成本，使整个网络的管理变得困难。在采用大量天线 和射频链路来实现更高吞吐量的趋势下，这种情况会更加严峻。受此启发，我们考虑用IRS替 换部分小型基站进行数据传输。IRS是一种能通过调整大量低成本无源反射元件的相位来重新 配置无线传播环境的设备。IRS中的每一个元件都可以进行数字控制，以对入射信号产生独立 的幅度和/或相位变化。因此IRS通过利用大量低成本的无源反射元件能够实现更高的频谱和 能量效率，已成为一种经济且有效的技术。与全双工中继或基站不同，由于没有任何有源射频 链路进行放大，IRS可以实现全双工传输而不会受到自干扰的影响。尽管这样的设计不会带来 巨大的性能提升，但其低功耗和低成本以及具有更高灵活性的优势仍然很有吸引力。因此，IRS 可以作为现有无线网络的补充，并用于辅助现有传输。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于IRS辅助的高能效联合波束成型方法，通 过部署多个IRS来辅助接入和回传链路传输。
为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
S1，建立一个MBS基站，使MBS基站与M个全双工AP保持通讯，M个双全工AP通 讯对应K个单天线用户，在单天线用户周围部署R个IRS以辅助接入和回传链路传输；
S2，由于主动波束成形向量wk、主动波束成形向量vk和被动波束成形向量Θr是高度耦 合的，采用交替优化方法来解耦主动波束成形向量wk、主动波束成形向量vk；
S3，通过被动波束成形向量Θr优化主动波束成形向量wk、主动波束成形向量vk；
S4，通过给定的主动波束成形向量wk、主动波束成形向量vk优化被动波束成形向量Θr。
S1中，MBS基站配备L根天线并通过回传链路向全双工AP传输多播消息，每个全双工 AP配备N+1根天线，一根用于接收，其他用于发送。
S1中，每个单天线用户和为该单天线用户服务的全双工AP组成一个集群，同一个集群内 的全双工AP向单天线用户发送相同的消息；
单天线用户uk给定且固定的匹配cm,k和cr,k，cm,k为表示第m个全双工AP是用户uk的服务 全双工AP，cr,k为第r个IRS和单天线用户uk的匹配结果。
S1中，在IRS辅助的以单天线用户为中心的网络中，全双工AP至单天线用户的等效信 道包括AP-用户链路和AP-IRS-用户链路，MBS基站与单天线用户之间的等效信道包括MBS- 用户链路和MBS-IRS-用户链路。
S3中，通过被动波束成形向量Θr优化主动波束成形向量wk、主动波束成形向量vk的方 法如下：
Figure BDA0003416087650000031
其中，EEk为第k个用户的能量效率，结合凸优化工具包CVX对上式进行求解。
S4中，通过给定的主动波束成形向量wk、主动波束成形向量vk优化被动波束成形向量Θr的方法如下：
Figure BDA0003416087650000032
其中，
Figure BDA0003416087650000033
为AP至用户k的等效信道，
Figure BDA0003416087650000034
为hk的共轭转置，
Figure BDA0003416087650000035
为gr,k的共轭转置，
Figure BDA0003416087650000036
为 Gr的共轭转置。
与现有技术相比，本发明我们为系统提供了一个综合的信道环境，包括用户和基站之间的 直达链路、来自IRS的单次反射链路以及IRS间反射。我们所制定的基于比例公平的能量效 率最大化的优化问题在用户之间实现了适当的公平性，而不是使少数具有良好信道条件的用户 受益或在不考虑任何信道条件的情况下实现完全相同的能效性能。所使用的求解方法能够确保 秩1的波束成形。
附图说明
图1为本发明的系统图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明的网络包括一个MBS、M个全双工AP和K个单天线用户。在用户周围部署R＝{1,2,…,R}个IRS以辅助接入和回传链路传输。MBS配备L根天线并通过回传链路向AP传输多播消息。每个全双工AP配备N+1根天线：一根用于接收，N根用于发送。令 M＝{1,2,…,M}和K＝{1,2,…,K}分别表示AP集合和用户集合。AP采用协作多点传输方式为 用户服务。具体来说，每个用户和为该用户服务的AP组成一个集群，同一个集群内的AP向用 户发送相同的消息。Mk和Km分别表示为用户uk的服务AP集合和APam服务的用户集合。令 二进制变量cm,k表示用户uk的服务AP的匹配结果。cm,k＝1表示第m个AP是用户uk的服务AP， 否则cm,k＝0。因此，Mk＝{m∈M|cm,k＝1}和Km＝{k∈K|cm,k＝1}。类似地，令二进制变量cr,k表示第r个IRS和用户uk的匹配结果。为用户uk假设给定且固定的匹配cm,k和cr,k。
令hmk∈CN×1，
Figure BDA0003416087650000041
Gm,r∈CN×S，gr,k∈CS×1和Fr∈CL×S分别表示从第m个AP到 用户uk，MBS到用户uk，第m个AP到第r个IRS，第r个IRS到第k个用户uk的信道，以及MBS 到第r个IRS的信道。
Figure BDA0003416087650000042
表示所有AP至用户uk之间的信道向量。
Figure BDA0003416087650000043
表示从所有AP至第r个IRS的信道。令Φr＝diag(Θr)∈CS ×S表 示第r个IRS的相位矩阵，其中
Figure BDA0003416087650000044
θr,s为第r个IRS上第s个 相移原件的幅角。假设具有理想的IRS，即每个IRS的反射元素可以以任意幅度和相位进行优 化，即μr,s∈[0,1]和θr,s∈[0,2π)。假设每个用户仅收到本用户集群中的IRS反射的接收信号， 并且我们假设cr,k被耦合在信道矩阵gr,k中，即gr,k＝cr,kgr,k。
在IRS辅助的以用户为中心的网络中，AP至用户的等效信道由AP-用户链路和AP-IRS-用 户链路组成。MBS与用户之间的等效信道由MBS-用户链路和MBS-IRS-用户链路组成。以上等 效信道可以写为：
Figure BDA0003416087650000045
Figure BDA0003416087650000046
Figure BDA0003416087650000047
为hk的共轭转置，
Figure BDA0003416087650000048
为gr,k的共轭转置，
Figure BDA0003416087650000049
为Gr的共轭转置，令wmk∈CN×1表示从第m个AP至用户uk的发射波束成形向量，则
Figure BDA0003416087650000051
表示从所有AP到用户uk的波束成形向量。通过建立波束形成向量和聚类之间的耦合关系，将
Figure BDA0003416087650000052
定义为当前聚类中所有AP至用户uk的波束成形向量。 令vk∈CL×1表示回传链路中来自MBS至用户uk的发送波束成形向量。
接入链路中用户uk处的接收信号由下式给出
Figure BDA0003416087650000053
其中，
Figure BDA0003416087650000054
为AP至用户k的等效信道，
Figure BDA0003416087650000055
为AP在接入链路发送给第k个用户的消息，
Figure BDA0003416087650000056
为AP在接入链路发送给第i个用户的消息，
Figure BDA0003416087650000057
为表示回传链路中来自MBS至用户ui的发送 波束成形向量，vi为回传链路中来自MBS至用户ui的发送波束成形向量，
Figure BDA0003416087650000058
为MBS在回传链路发送给第i个用户的消息，
Figure BDA0003416087650000059
是用户uk处的加性白高斯噪声，其均值为零，方差为
Figure BDA00034160876500000510
用户uk的信干噪比由下式给出
Figure BDA00034160876500000511
其中，
Figure BDA00034160876500000512
为当前聚类中所有AP至用户ui的波束成形向量，令
Figure BDA00034160876500000513
Figure BDA00034160876500000514
和Dr,m∈CS×1分别表示从MBS到第m个AP，从第j个AP到第m个AP的信道，第 m个AP的剩余自干扰信道，以及从第r个IRS到第m个AP的信道。
Figure BDA00034160876500000515
表示从所有AP到第m个AP的信道。令cr,m表示AP和IRS的 集群关系。假设AP仅接收由本集群中的IRS反射的信号。cr,m被耦合在信道矩阵Dr,m中，即 Dr,m＝cr,mDr,m。类似地，定义以下等效信道。
Figure BDA00034160876500000516
Figure BDA0003416087650000061
Figure BDA0003416087650000062
其中，
Figure BDA0003416087650000063
为
Figure BDA0003416087650000064
的共轭转置，
Figure BDA0003416087650000065
为Fr的共轭转置，
Figure BDA0003416087650000066
为第m个AP的剩余自干扰等 效信道的共轭转置；回传链路中APam处接收到的与用户uk相关的信号表示为：
Figure BDA0003416087650000067
其中，
Figure BDA0003416087650000068
为从MBS到第m个AP的等效信道，
Figure BDA0003416087650000069
为MBS在回传链路发送给第k个用户的消息，wm,i为第m个AP发送至第i个用户的波束成形向量，
Figure BDA00034160876500000610
是APam处的 加性高斯白噪声，均值为零，方差为
Figure BDA00034160876500000611
是由连续干扰消除解码和APam服务的用户集合共同确定的索引集。解码顺序由
Figure BDA00034160876500000612
决定，即每个用户的总信道增益。
用户uk在APam处的信干噪比可以表示为
Figure BDA00034160876500000613
与用户uk相关的功耗由下式给出
Figure BDA00034160876500000614
其中，
Figure BDA00034160876500000615
和
Figure BDA00034160876500000616
是MBS和每个AP的电路消耗功率。PR表示每个IRS处所有相移元件消耗的电路功率。Pac是AP处每个发射和接收天线对进行模拟自干扰消除所消耗的功率。定义 恒定功耗为
Figure BDA00034160876500000617
虽然以用户为中心的架构为用户提供了实现更高能效的机会，但是在考虑全局能效最大化 的情况下，信道质量较差的用户的能效仍然很低。因此我们旨在最大化比例公平的个人用户能 效。我们的目标是通过联合优化MBS和AP的有源波束成形矢量以及IRS的无源波束成形矢量， 在功率约束和回传速率约束下，最大化用户个人能量效率的对数总和。
Figure BDA0003416087650000071
其中，
Figure BDA0003416087650000072
Figure BDA0003416087650000073
Figure BDA0003416087650000074
Figure BDA0003416087650000075
0≤|Θr|≤1 (11f)
其中，wmk为第m个AP发送至第k个用户的波束成形向量，Pm为第m个AP的最大发 射功率，PM为MBS的最大发射功率，
Figure BDA0003416087650000076
Pm和PM分别是第m个AP和MBS的最大发射功率。约束公式(11d)保证用户的接入速率不能 超过其回传链路速率。约束公式(11e)说明用户的回传速率受到服务AP中最低容量的限制。 公式(11f)为理想IRS的约束条件。
三、基于alternating optimization(AO)的波束成形算法
从上一节中用户和AP的接收信号表达式可以看出，主动波束成形向量wk,vk和被动波束 成形向量Θr是高度耦合的，因此问题(11)高度非凸。交替优化方法能够通过交替优化变量 有效地处理这种情况。这种方法在IRS网络中被广泛采用，以解耦有源和无源波束形成向量。 接下来，我们采用AO方法来解耦两种类型的波束形成向量。我们首先针对固定的Θr优化wk,vk， 然后针对给定的wk,vk优化Θr。
1、为给定的Θr优化wk,vk
给定Θr，问题(11)简化为
Figure BDA0003416087650000081
Figure BDA0003416087650000082
Figure BDA0003416087650000083
Figure BDA0003416087650000084
Figure BDA0003416087650000085
为了以更易于处理的方式求解公式(12)，首先提供它的等效形式如下：
Figure BDA0003416087650000086
Figure BDA0003416087650000087
Figure BDA0003416087650000088
Figure BDA0003416087650000089
Figure BDA00034160876500000810
Figure BDA00034160876500000811
Figure BDA00034160876500000812
Figure BDA00034160876500000813
Figure BDA00034160876500000814
Figure BDA00034160876500000815
Figure BDA00034160876500000816
Figure BDA0003416087650000091
Figure BDA0003416087650000092
Figure BDA0003416087650000093
其中
Figure BDA0003416087650000094
尽管约束(13b)-(13i)仍然是非 凸的，通过应用successive convex approximation(SCA)方法来处理它们。通过采用SCA 方法，上述问题可重述为：
Figure BDA0003416087650000095
其中，
Figure BDA0003416087650000096
Figure BDA0003416087650000097
Figure BDA0003416087650000098
Figure BDA0003416087650000099
Figure BDA00034160876500000910
Figure BDA00034160876500000911
Figure BDA00034160876500000912
Figure BDA00034160876500000913
Figure BDA00034160876500000914
Figure BDA0003416087650000101
Figure RE-GDA0003471257920000102
Figure BDA0003416087650000103
Figure BDA0003416087650000104
此时，优化问题(14)是一个凸问题，可以使用凸优化工具包CVX有效地求解得到wk,vk。
2、wk,vk给定情况下Θr的优化设计方法
从(1)-(2),(5)-(7)中可以看出，第r个IRS的相移变量，即Φr，是等效信道的一部分。 为了便于求解Θr，需要对这些等效信道进行预处理。令
Figure BDA0003416087650000105
和
Figure BDA0003416087650000106
表示AP和用户之间的组合信道以及MBS和用户之间的组合信道，我们将(1) 与波束成形的乘积重写为
Figure BDA0003416087650000107
其中，
Figure BDA0003416087650000108
类 似地，定义
Figure BDA0003416087650000109
其中
Figure BDA00034160876500001010
Lr,k,i＝Lr,kvi。通过上述处理，公 式(4)可以改写为：
Figure BDA00034160876500001011
公式(9)可以改写为：
Figure BDA0003416087650000111
其中Qm,i、Zm,i和Am,i的表达式为
Figure BDA0003416087650000112
Figure BDA0003416087650000113
Figure BDA0003416087650000114
其中，
Qm,r,i＝Qm,rvi (21)
Figure BDA0003416087650000115
Figure BDA0003416087650000116
Figure BDA0003416087650000117
Figure BDA0003416087650000118
Figure BDA0003416087650000119
Figure BDA00034160876500001110
Am,r,i＝Am,iwm,i (28)
Figure BDA00034160876500001111
给定
Figure BDA00034160876500001112
和vk，功耗Pk,
Figure BDA00034160876500001113
是一个常数，问题(11)可以被简化为
Figure BDA00034160876500001114
其中，
Figure BDA00034160876500001115
根据上一小节中的步骤，我们首先将问题(30)重新表述如下。
Figure BDA00034160876500001116
其中，
Figure BDA0003416087650000121
Figure BDA0003416087650000122
Figure BDA0003416087650000123
Figure BDA0003416087650000124
Figure BDA0003416087650000125
Figure BDA0003416087650000126
Figure BDA0003416087650000127
接下来，我们需要将SCA方法应用于问题(31)。优化问题可以重新表述为
Figure BDA0003416087650000128
其中，
Figure BDA0003416087650000129
Figure BDA00034160876500001210
Figure BDA00034160876500001211
Figure BDA00034160876500001212
Figure BDA00034160876500001213
Figure BDA00034160876500001214
Figure BDA0003416087650000131
Figure BDA0003416087650000132
此时，问题(32)是一个凸问题，可以通过现成的凸求解器来解决。
基于上述讨论，我们得到一种基于AO的算法，通过迭代求解问题(14)和(32)能够获得优 化的变量
Figure BDA0003416087650000133
vk、和Θr。

Claims (6)

1.一种基于IRS辅助的高能效联合波束成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，建立一个MBS基站，使MBS基站与M个全双工AP保持通讯，M个双全工AP通讯对应K个单天线用户，在单天线用户周围部署R个IRS以辅助接入和回传链路传输；
S2，由于主动波束成形向量wk、主动波束成形向量vk和被动波束成形向量Θr是高度耦合的，采用交替优化方法来解耦主动波束成形向量wk、主动波束成形向量vk；
S3，通过被动波束成形向量Θr优化主动波束成形向量wk、主动波束成形向量vk；
S4，通过给定的主动波束成形向量wk、主动波束成形向量vk优化被动波束成形向量Θr。
2.根据权利要求1所述的一种基于IRS辅助的高能效联合波束成型方法，其特征在于，S1中，MBS基站配备L根天线并通过回传链路向全双工AP传输多播消息，每个全双工AP配备N+1根天线，一根用于接收，其他用于发送。
3.根据权利要求1所述的一种基于IRS辅助的高能效联合波束成型方法，其特征在于，S1中，每个单天线用户和为该单天线用户服务的全双工AP组成一个集群，同一个集群内的全双工AP向单天线用户发送相同的消息；
单天线用户uk给定且固定的匹配cm,k和cr,k，cm,k为表示第m个全双工AP是用户uk的服务全双工AP，cr,k为第r个IRS和单天线用户uk的匹配结果。
4.根据权利要求1所述的一种基于IRS辅助的高能效联合波束成型方法，其特征在于，S1中，在IRS辅助的以单天线用户为中心的网络中，全双工AP至单天线用户的等效信道包括AP-用户链路和AP-IRS-用户链路，MBS基站与单天线用户之间的等效信道包括MBS-用户链路和MBS-IRS-用户链路。
5.根据权利要求1所述的一种基于IRS辅助的高能效联合波束成型方法，其特征在于，S3中，通过被动波束成形向量Θr优化主动波束成形向量wk、主动波束成形向量vk的方法如下：
Figure FDA0003416087640000021
其中，EEk为第k个用户的能量效率，结合凸优化工具包CVX对上式进行求解。
6.根据权利要求1所述的一种基于IRS辅助的高能效联合波束成型方法，其特征在于，S4中，通过给定的主动波束成形向量wk、主动波束成形向量vk优化被动波束成形向量Θr的方法如下：
Figure FDA0003416087640000022
其中，
Figure FDA0003416087640000023
为AP至用户k的等效信道，
Figure FDA0003416087640000024
为hk的共轭转置，
Figure FDA0003416087640000025
为gr,k的共轭转置，
Figure FDA0003416087640000026
为Gr的共轭转置。
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