CN114465645A - 一种可重构反射面辅助无线通信系统中反射系数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重构反射面辅助无线通信系统中反射系数设计方法。在可重构反射面辅助的通信系统下行链路，针对每一个用户k(k＝1，…K)，设计信噪比(SNR)最优的反射系数Φ^opt‑k；最优反射面反射系数

其中β_k∈(0，1)代表第k个用户的权重，选择使得系统和速率最大化的反射系数。输入可重构反射面与用户和基站之间的信道矩阵、基站的发射功率以及用户之间的权重即可得出优化过后的反射面反射系数。该方法与随机反射系数设计方法相比，性能显著提升。

Description

一种可重构反射面辅助无线通信系统中反射系数设计方法

技术领域

本发明涉及一种可重构反射面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)辅助无线通信系统中反射系数设计方法，能够提升系统和速率，属于无线通信技术领域。

背景技术

进入5G(The 5th Generation of Mobile Communication Systems，5G)时代以来科技发展更加迅速，人们对自动驾驶、远程医疗、虚拟现实等技术有着越来越多的需求，到2020年5G和物联网时代，网络容量增加约为1000倍，服务至少500亿台无线通信设备。从通信领域看这其实是对数据传输速率提出了更高的需求，为了达到该需求，人们提出了大规模多输入多输出(Massive Multiple Input Multiple Output，Massive MIMO)方案、毫米波(Millimeter wave，mmWave)通信、超密集网络(Ultra-Dense Network，UDN)等提升通信可靠性的方案但硬件成本和能量消耗仍是实际系统中的关键问题。比如采用大规模MIMO技术，部署具有大量天线的基站，因此需要大量的射频链，这无疑会提升成本，再比如采用毫米波技术，因为毫米波带宽大、波束窄，同时定向性强，所以信号易被遮挡，其次基站功耗高且覆盖范围小，需要部署大量的基站使得能耗和成本较高。

可重构反射面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)作为一项可以有效减少能耗且成本相对较低的技术近年来被研究人员广泛关注。可重构反射面是由大量低成本无源器件所构成，由于可重构反射面是一种没有专用功耗的无源设备，因此它被设想为提高未来蜂窝网络频谱效率和能量效率的一种绿色且具有成本效益的方案。具体来说，RIS是一个平面阵列，由大量的无源器件例如低成本的印刷偶极子组成，由与基站相连的控制器进行控制，其中可重构反射面中每个反射单元都能够独立地调整入射信号的相位从而协同改变反射信号的传播。与传统接收端和发射端不同的是，RIS有助于在不产生新信号的情况下进行信息传输，具有控制无线电传播环境的能力。基站通过控制器适当的调整RIS的反射系数，可以在信号接收端处多添加一条反射链路以增强接收到信号的功率，同时也能在非信号接收端处反向设计相位以减少同信道干扰。不仅如此可重构反射面还保留了大规模MIMO系统中的所有优点，例如能够将大量能量集中在三维空间中，为无线充电、遥感和数据传输铺平了道路，因此可重构反射面被当作广泛研究的对象。

发明内容

发明目的：关于对可重构反射面的研究大部分都是在于通过求解一系列复杂的优化问题来达到最大化系统和速率的目的，但是求解优化问题势必会增加复杂度和运算时间，因此针对这些缺点，本发明提出一种可重构反射面辅助无线通信系统中反射系数设计方法，该方法简单可行，能够有效的减少计算时间，与可重构反射面随机反射系数相比有着较为明显的提升。

技术方案：一种可重构反射面辅助无线通信系统中反射系数设计方法，包含以下步骤：

步骤1：在可重构反射面辅助的通信系统下行链路中，基站配置天线数目为M，反射面单元数为N，同时为K个单天线用户提供服务，基站通过控制器调整可重构反射面的反射系数，从而达到提高系统通信质量和提升传输速率的目的，h_IUk是反射面到第k个用户的信道矢量、H_BI是基站到反射面的信道矩阵、h_BUk是基站到第k个用户的直达路径信道矢量、基站发射功率P、第k个用户的噪声功率为

其中k＝1，2，…，K，令整数T表示计算精度；设置预编码矩阵初始值、反射面反射系数初始值参数分别为W、Φ，其中P、σ_k ²均为正数；

步骤2：针对每一个用户k(k＝1，…K)，设计信噪比(SNR)最优的反射系数Φ^opt-k；

步骤3：最优反射面反射系数

其中β_k∈(0，1)代表第k个用户的权重，选择使得系统和速率最大化的β＝[β₁，β₂，…，β_K]。

进一步，在步骤2中，第k个用户SNR最优的反射面反射系数为Φ^opt-k＝diag(v^{opt -k})，其中diag(·)代表的是以矢量v^opt-k为对角元素的对角矩阵，且

其中，j为虚数单位，{·}⁺代表的是求伪逆，angle(·)代表的是取复数的相位。

进一步，在步骤3中选择使得系统和速率最大化的β，具体步骤为：

步骤301：令γ＝1/T，且β_k取值范围为(0，γ，2γ，…，1)，引入权重因子β_i∈(0，1)，计算满足

的可行解集合B；

步骤302：对于所有在集合B中的β，计算系统的和速率；

步骤303：输出使得系统和速率最大的β。

进一步，步骤301中，β的可行解集合B的生成方法如下：

步骤30101：令q＝0，L^(q)←K，代表将用户数目K的值赋给L^(q)，L^(q)代表第q次迭代下变量L的值，记

b^(q)代表由变量

组成的可行解，变量

为在L^(q)下的可行解，c^(q)＝1，c^(q)代表第q次迭代下的值，满足

的所有可行解集合即为B；

步骤30102：若L^(q)＝1，则返回可行解

并结束当前循环；若变量L^(q)＝2，则返回可行解

并结束当前循环；否则，令t←0；

步骤30103：令

计算

的全部可行解，具体方法为：令q←q+1，L^(q)＝L^(q-1)-1，

代表从变量

到变量

所组成的可行解，

跳转至步骤30102；

步骤30104：若t＝T，则终止当前循环，否则令t←t+1，并返回步骤30103。

进一步，步骤302中，根据下式计算系统的和速率：

其中，SINR_k表示第k个用户的信干噪比，计算公式为：

其中，Φ^opt是优化过可重构反射面的反射系数，令h_k＝h_IUkΦ^optH_BI+h_BUk表示第k个用户的的等效信道，w_k表示第k个用户的波束赋形矢量，w_j表示第j个用户的波束赋形矢量，

其中(·)^H代表共轭转置。

有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的一种可重构反射面辅助无线通信系统中反射系数设计方法，具有如下优点：

(1)应用范围广泛。本发明所提出方案可以灵活地应用于可重构反射面辅助传输的系统中，既可以应用于用户数较少的场景，也可以应用于用户数较多的场景。

(2)系统的和速率提升明显。本发明所提出的方案用时短、计算结果精确、方案简单易行。与可重构反射面随机反射系数方案相比，能够以较低的实现复杂度获得良好的性能提升。

附图说明

图1为一种可重构反射面辅助无线通信系统中反射系数设计方法流程图；

图2为本发明中一种可重构反射面辅助无线通信系统中反射系数设计方法的仿真场景图；其中仿真参数为：用户数K＝2，基站到反射面的信道矩阵H_BI、反射面到第k个用户的信道矢量h_IUk是服从瑞利衰落，基站到用户k的直达信道h_BUk是服从莱斯衰落。

图3为本发明中一种可重构反射面辅助无线通信系统中反射系数设计方法的性能仿真图。随着基站天线数目不断增加，优化过后的方案和随机反射系数方案的性能进行对比。

图4为本发明中一种可重构反射面辅助无线通信系统中反射系数设计方法的性能仿真图。随着可重构反射面反射单元数目不断增加，优化过后的方案和随机反射系数方案的性能对比。

具体实施方式

表1为本发明实施系统和速率仿真参数表。在仿真参数中用户数量为2、信噪比为10dB、基站发射功率为15dBm、莱斯因子为0.7。基站天线数目从50到300，可重构反射面反射单元从8到64。

表1

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种可重构反射面辅助无线通信系统中反射系数设计方法，假设小区内用户数目为K，基站具有M根天线，每个用户仅配备1根收发天线，反射面具有N个反射单元。第k个用户接收到的信号来源于两个方向，一个是来自于基站的直达信号，另一个是来自于反射面的反射信号，因此用户k接收到的信号表达式写为：

y_k＝(h_IUkΦH_BI+h_BUk)x+n_k

其中，

s_i代表的是基站发送给用户的信号流，满足

代表的是统计期望，I为单位阵，为了不失一般性，接收端接收到的噪声

是服从均值为0，方差为

的循环对称复高斯分布，Φ为可重构反射面的反射系数，表达式为：

如图1所示，本发明的具体实施步骤主要包含以下八个步骤：

第一步：输入算法所需要的各种参数和信息。这一步需要输入所有的信道，h_IUk是反射面到第K个用户的信道矢量，H_BI是基站到反射面的信道矩阵，h_BUk是基站到第k个用户的直达路径信道矢量。然后设置预编码矩阵初始值、反射面反射系数初始值、基站发射功率分别为W、Φ、P、σ_k ²(P、σ_k ²均为正数)。

第二步：引入参数v＝[v₁，v₂，...，v_N]^H。对用户的信噪比表达式转换为：

其中

为了使得用户k的信噪比最大化，根据三角不等式，反射路径的相位应该与直达路径的相位相同。即满足表达式

可知

所以可以求出矢量v^opt-k中每一个元素的相位，又因为Φ^opt-k＝diag(v^opt-k)，所以能得到使得用户k信噪比最大化反射系数。

第三步：假设γ为任意实数，则第k个用户β_k权重的取值范围为(0，γ，2γ，…，1)。

步骤301：引入权重因子β_i∈(0，1)，令γ＝1/T，且β_k取值范围为(0，γ，2γ，…，1)，计算满足

的可行解集合B；

步骤302：对于所有在集合B中的β，计算系统的和速率；

步骤303：输出使得系统和速率最大的β。

步骤30101：令q＝0，L^(q)←K，记

c^(q)＝1，满足

的所有可行解集合即为B；

步骤30102：若L^(q)＝1，则返回可行解

并结束当前循环；若L^(q)＝2，则返回可行解

并结束当前循环；否则，令t←0；

步骤30103：令

计算

的全部可行解，具体方法为：令q←q+1，L^(q)＝L^(q-1)-1，

跳转至步骤30102；

步骤30104：若t＝T，则终止当前循环，否则令t←t+1，并返回步骤30103。

综上，一种可重构反射面辅助无线通信系统中反射系数设计方法，包含以下步骤：步骤1：在可重构反射面辅助的通信系统下行链路中，基站配置天线数目为M，反射面单元数为N，同时为K个单天线用户提供服务，基站通过控制器调整可重构反射面的反射系数，从而达到提高系统通信质量和提升传输速率的目的，h_IUk是反射面到第k个用户的信道矢量、H_BI是基站到反射面的信道矩阵、h_BUk是基站到第k个用户的直达路径信道矢量、基站发射功率P、第k个用户的噪声功率为

其中k＝1，2，…，K，令整数T表示计算精度；设置预编码矩阵初始值、反射面反射系数初始值参数分别为W、Φ，其中P、σ_k ²均为正数；步骤2：针对每一个用户k(k＝1，…K)，设计信噪比(SNR)最优的反射系数Φ^opt-k；步骤3：最优反射面反射系数

其中β_k∈(0，1)代表第k个用户的权重，选择使得系统和速率最大化的β＝[β₁，β₂，…，β_K]。

Claims (5)

1.一种可重构反射面辅助无线通信系统中反射系数设计方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1：在可重构反射面辅助的通信系统下行链路中，基站配置天线数目为M，反射面单元数为N，同时为K个单天线用户提供服务，基站通过控制器调整可重构反射面的反射系数，从而达到提高系统通信质量和提升传输速率的目的，h_IUk是反射面到第k个用户的信道矢量、H_BI是基站到反射面的信道矩阵、h_BUk是基站到第k个用户的直达路径信道矢量、基站发射功率P、第k个用户的噪声功率为

其中k＝1，2，…，K，令整数T表示计算精度；设置预编码矩阵初始值、反射面反射系数初始值参数分别为W、Φ，其中P、σ_k ²均为正数；

步骤2：针对每一个用户k(k＝1，…K)，设计信噪比(SNR)最优的反射系数Φ^opt-k；

步骤3：最优反射面反射系数

其中β_k∈(0，1)代表第k个用户的权重，选择使得系统和速率最大化的β＝[β₁，β₂，…，β_K]。

2.如权利要求1所述的一种可重构反射面辅助无线通信系统中反射系数设计方法，其特征在于：在步骤2中，第k个用户SNR最优的反射面反射系数为Φ^opt-k＝diag(v^opt-k)，其中diag(·)代表的是以矢量v^opt-k为对角元素的对角矩阵，且

其中，j为虚数单位，{·}⁺代表的是求伪逆，angle(·)代表的是取复数的相位。

3.如权利要求1所述的一种可重构反射面辅助无线通信系统中反射系数设计方法，其特征在于：在步骤3中选择使得系统和速率最大化的β，具体步骤为：

步骤301：令γ＝1/T，且β_k取值范围为(0，γ，2γ，…，1)，引入权重因子β_i∈(0，1)，计算满足

的可行解集合B；

步骤302：对于所有在集合B中的β，计算系统的和速率；

步骤303：输出使得系统和速率最大的β。

4.如权利要求3所述的一种可重构反射面辅助无线通信系统中反射系数设计方法，其特征在于：步骤301中，β的可行解集合B的生成方法如下：

步骤30101：令q＝0，L^(q)←K，代表将用户数目K的值赋给L^(q)，L^(q)代表第q次迭代下变量L的值，记

b^(q)代表由变量

组成的可行解，变量

为在L^(q)下的可行解，c^(q)＝1，c^(q)代表第q次迭代下的值，满足

的所有可行解集合即为B；

步骤30102：若L^(q)＝1，则返回可行解

并结束当前循环；若变量L^(q)＝2，则返回可行解

并结束当前循环；否则，令t←0；

步骤30103：令

计算

的全部可行解，具体方法为：令q←q+1，L^(q)＝L^(q-1)-1，

代表从变量

到变量

所组成的可行解，

跳转至步骤30102；

步骤30104：若t＝T，则终止当前循环，否则令t←t+1，并返回步骤30103。

5.如权利要求1所述的一种可重构反射面辅助无线通信系统中反射系数设计方法，其特征在于：步骤302中，根据下式计算系统的和速率：

其中，SINR_k表示第k个用户的信干噪比，计算公式为：

其中，Φ^opt是优化过后的可重构反射面的反射系数，令h_k＝h_IUkΦ^optH_BI+h_BUk表示第k个用户的的等效信道，w_k表示第k个用户的波束赋形矢量，w_j表示第j个用户的波束赋形矢量，

其中(·)^H代表共轭转置。

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