CN114786189B - 一种智能超表面辅助的室内通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能超表面辅助的室内通信方法，获取AP与智能超表面的第一信道状态信息、以及智能超表面与其服务的用户之间的第二信道状态信息；以最小化AP的发射功率为目标，基于第一信道状态信息和第二信道状态信息构建室内通信模型及约束条件；采用基于惩罚的交替优化方法求解室内通信模型，得到每个用户的功率分配系数以及智能超表面的波束赋形向量；本发明在室内每个房间的附近部署智能超表面，利用以智能超表面作为无源中继，协助室内AP(接入点)与不同房间中的终端用户进行通信，可以有效降低接入点的发射功率。

Description

一种智能超表面辅助的室内通信方法

技术领域

本发明属于室内无线通信技术领域，尤其涉及一种智能超表面辅助的室内通信方法。

背景技术

据统计表明，目前4G移动网络中超过80％的业务发生于室内场景中。随着5G时代的到来，各种新型业务层出不穷，业界预测将来超过85％的移动业务将发生于室内场景中。

但是，室内墙壁和家具的信号阻挡导致存在较多的覆盖空洞和较大的穿透损耗，致使不同用户的服务需求得不到满足。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能超表面辅助的室内通信方法，以解决室内信号覆盖空洞和穿透损耗导致的室内通信质量差的问题。

本发明采用以下技术方案：一种智能超表面辅助的室内通信方法，应用于室内通信系统，室内通信系统包括AP和若干个智能超表面，AP通过智能超表面向用户发送信息；

具体包括以下步骤：

获取AP与智能超表面的第一信道状态信息、以及智能超表面与其服务的用户之间的第二信道状态信息；

以最小化AP的发射功率为目标，基于第一信道状态信息和第二信道状态信息构建室内通信模型及约束条件；

采用基于惩罚的交替优化方法求解室内通信模型，得到每个用户的功率分配系数以及智能超表面的波束赋形向量。

进一步地，室内通信模型具体为：

其中，p_n,k为房间n中用户k的功率分配系数，v_n为第n个智能超表面的反射系数向量，

为第n个智能超表面上第l个反射单元的反射相移，N为智能超表面的总数，K_n为房间n中的用户数，h_n,k为第n个智能超表面到房间n中用户k的信道矩阵，

G_n为AP到第n个智能超表面的信道矩阵，

w_n,k为房间n中用户k的波束赋形向量，

且E(|w_m|²)＝1，w_j,i为房间j中用户i的波束赋形向量，p_j,i为房间j中用户i的功率分配系数，j＝1...N且j≠n，i＝1...K_n且i≠k，

为房间n中用户k的加性高斯白噪声，γ_n,k为房间n中用户k的信干噪比约束阈值，L为智能超表面中的反射单元个数。

进一步地，采用基于惩罚的交替优化方法求解室内通信模型包括：

构造辅助变量；

基于辅助变量对室内通信模型及约束条件进行转化，且转化后的室内通信模型中具有惩罚项。

进一步地，令辅助变量X_nk,m为：

转化后的室内通信模型为：

进一步地，基于辅助变量对室内通信模型及约束条件进行转化后还包括：

以最小化转化后的室内通信模型为目标，采用交替优化方法对功率分配系数、波束赋形向量和辅助变量进行变量分离，将转化后的室内通信模型分解为三个子问题，并通过并行求解方法得到每个用户的功率分配系数以及智能反射面的波束赋形向量。

进一步地，并通过并行求解方法得到每个用户的功率分配系数以及智能反射面的波束赋形向量包括：

利用拉格朗日对偶方法进行求解。

进一步地，三个子问题分别为：

以及

其中，u＞0和a＞0均为惩罚系数。

本发明的另一种技术方案：一种智能超表面辅助的室内通信装置，应用于室内通信系统，室内通信系统包括AP和若干个智能超表面，AP通过智能超表面向用户发送信息；室内通信装置包括：

获取模块，用于获取AP与智能超表面的第一信道状态信息、以及智能超表面与其服务的用户之间的第二信道状态信息

构建模块，用于以最小化AP的发射功率为目标，基于第一信道状态信息和第二信道状态信息构建室内通信模型及约束条件；

求解模块，用于采用基于惩罚的交替优化方法求解室内通信模型，得到每个用户的功率分配系数以及智能超表面的波束赋形向量。

本发明的另一种技术方案：一种智能超表面辅助的室内通信装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的一种智能超表面辅助的室内通信方法。

本发明的另一种技术方案：一种智能超表面辅助的室内通信系统，包括AP、若干个智能超表面和上述的一种智能超表面辅助的室内通信装置。

本发明的有益效果是：本发明在室内每个房间的附近部署智能超表面，利用以智能超表面作为无源中继，协助室内AP(接入点)与不同房间中的终端用户进行通信，再结合联合设计功率分配系数和无源波束赋形来减小发射功率，可以有效降低接入点的发射功率，而且随着智能超表面反射单元数的增加，性能的提高变得更加明显。

附图说明

图1为本发明实施例一种智能超表面辅助的室内通信方法的流程图；

图2为本发明实施例中的应用场景示意图；

图3为不同的方法所实现的发射功率随着智能超表面反射单元数的变化情况对比图；

图4为本发明实施例一种智能超表面辅助的室内通信装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

近两年来，可重构智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)以其独特的低成本、低能耗、可编程、易部署的特点脱颖而出，引起了移动通信领域的极大关注。可重构超表面由东南大学崔铁军院士团队在2014年首次提出并进行了实验验证。可重构智能超表面是一种具有可编程电磁特性的二维薄层人工电磁表面结构，可以应用于从微波到可见光的各种频段中。可重构智能超表面由精心设计的电磁单元规则排列组成，这些电磁单元通常由金属、介质和可调元件构成。通过控制电磁单元中的可调元件，以可编程方式更改反射电磁波的电磁参数，例如相位和幅度。这一过程提供了超表面的物理电磁世界和信息科学的数字世界之间的接口，对于移动通信应用尤其有吸引力。

本发明在室内通信中引入可重构智能超表面，通过灵活控制电磁波传输的方式，可以实现对无线传播环境的主动改善，将可重构智能超表面部署在室内环境中各类物体的表面(如天花板、墙壁、家具)，通过调控RIS的每个电磁单元的幅度或相位，可以调整波束朝着特定方向发射信号实现波束赋形，室内用户可以接收来自RIS的反射信号提高信号质量，有利于减少所需信号的发送功率，提高频谱效率、室内的信号覆盖、削弱干扰和接收信号功率的增强。

针对目前室内通信存在的问题，本发明利用智能超表面作为无源中继，协助室内接入点(Access Point，AP)与不同房间中的终端用户进行通信，通过联合设计功率分配系数和无源波束赋形可以有效地减小接入点的发射功率。

本发明公开了一种智能超表面辅助的室内通信方法，应用于室内通信系统，室内通信系统包括AP和若干个智能超表面，AP通过智能超表面向用户发送信息；如图1所示，具体包括以下步骤：步骤S110、获取AP与智能超表面的第一信道状态信息、以及智能超表面与其服务的用户之间的第二信道状态信息；步骤S120、以最小化AP的发射功率为目标，基于第一信道状态信息和第二信道状态信息构建室内通信模型及约束条件；步骤S130、采用基于惩罚的交替优化方法求解室内通信模型，得到每个用户的功率分配系数以及智能超表面的波束赋形向量。

本发明在室内每个房间的附近部署智能超表面，利用智能超表面作为无源中继，协助室内AP(接入点)与不同房间中的终端用户进行通信，再结合联合设计功率分配系数和无源波束赋形来减小发射功率，可以有效降低接入点的发射功率，而且随着智能超表面反射单元数的增加，性能的提高变得更加明显。

在具体应用环境中，考虑一个多用户多输入单输出的室内无线通信系统，如图2所示，在每个房间的附近部署一个具有L个反射单元的智能超表面，利用智能超表面作为无源中继，协助和一个配备N_AP根天线的室内接入点与不同房间中的终端用户进行通信。

假设

和

分别表示AP到RIS_n、RIS_n到房间n中用户k的信道矩阵。

为RIS_n的反射系数向量，p_n,k与

为房间n中用户k的功率分配系数和波束赋形向量且E(|w_m|²)＝1。则AP的发射信号为

s_n,k为向房间n中用户k的发送信息(E(|s_m|²)＝1)。因此房间n中的用户k接收到的信号可以表示为：

其中，

是房间n中用户k的加性高斯白噪声。

本发明利用智能超表面作为无源中继，协助室内接入点与不同房间中的终端用户进行通信，通过联合设计功率分配系数和无源波束赋形可以有效地减小发射功率。综合以上分析，提出以最小化发射功率为目标的室内通信模型(即功率分配和无源波束赋形的优化建模为如下数学问题)具体为：

其中，p_n,k为房间n中用户k的功率分配系数，v_n为第n个智能超表面的反射系数向量，

为第n个智能超表面上第l个反射单元的反射相移，N为智能超表面的总数，K_n为房间n中的用户数，h_n,k为第n个智能超表面到房间n中用户k的信道矩阵，

G_n为AP到第n个智能超表面的信道矩阵，

w_n,k为房间n中用户k的波束赋形向量，

且E(|w_m|²)＝1，w_j,i为房间j中用户i的波束赋形向量，p_j,i为房间j中用户i的功率分配系数，j＝1...N且j≠n，i＝1...K_n且i≠k，

为房间n中用户k的加性高斯白噪声，γ_n,k为房间n中用户k的信干噪比约束阈值。

更为具体的，采用基于惩罚的交替优化方法求解室内通信模型包括：构造辅助变量；基于辅助变量对室内通信模型及约束条件进行转化，且转化后的室内通信模型中具有惩罚项。

总体来讲，基于惩罚的交替优化方法包括：

a)构造辅助变量，在最小化发射功率的目标函数中加入与等式约束有关的惩罚项，完成优化问题目标函数和约束条件的转化。

b)以辅助变量和无源波束赋形为已知值，以最小化发射功率和加入的惩罚项为目标，计算得出AP为每个用户分配的发射功率系数；

以辅助变量和功率分配系数为已知值，以最小化添加的相对应惩罚项为目标，计算得出无源波束赋形；

以功率分配系数和无源波束赋形为已知值，以最小化添加的相对应惩罚项为目标，计算得辅助变量；

c)以所述的优化方法更新辅助变量、功率分配系数和无源波束赋形返回步骤b(重复执行，直至执行次数达到最大次数或带有惩罚项的目标函数值变化减少低于阈值ε₁＞0。

d)更新惩罚因子返回步骤c重复执行，直至原始目标函数收敛(即阈值)，得到最终的功率分配系数和无源波束赋形。

下面详细来说明下求解方法。

首先，令辅助变量X_n,k,j,i为：

转化后的室内通信模型为：

新增的等式约束仍然存在功率分配系数和无源波束赋形之间的耦合，以及c3约束的非凸性，此优化问题是非凸的，难以得到最优解。

具体的，为了克服这一困难，采用基于惩罚的方法，将等式约束相关的惩罚项添加到目标函数中，得到优化问题的数学建模为：

上述的数学优化问题仍然是一个凸与非凸的混合优化问题。以最小化带有惩罚项的优化问题为目标，采用交替优化方法对发射功率、无源波束赋形和辅助变量进行变量分离，将上述的数学问题分解为子问题进行求解。

接着，基于辅助变量对室内通信模型及约束条件进行转化后还包括：

以最小化转化后的室内通信模型为目标，采用交替优化方法对功率分配系数、波束赋形向量和辅助变量进行变量分离，将转化后的室内通信模型分解为三个子问题，并通过并行求解方法得到每个用户的功率分配系数以及智能反射面的波束赋形向量。

首先，以辅助变量和无源波束赋形为已知值，功率分配系数为优化变量，建立目标优化函数及约束条件(即第一个子问题)：

目标函数对优化变量的二阶导函数大于零，可知这是一个无约束的凸优化问题，其闭合形式的最优解很容易通过目标函数对功率分配系数的一阶导数为零得到：

其次，以辅助变量和功率分配系数为已知值，所述无源波束赋形为优化变量，建立目标优化函数及约束条件(即第二个子问题)：

其中，u＞0和a＞0均为惩罚系数。

目标函数对优化变量的二阶导函数大于零，可知这是一个无约束的凸优化问题，其闭合形式的最优解很容易通过目标函数对无源波束赋形的一阶导数为零得到：

其中，

再次，以功率分配系数和无源波束赋形为已知值，所述辅助变量为优化变量，建立目标优化函数及约束条件(即第三个子问题)：

针对不同用户的辅助变量在目标函数和约束条件上都是可分离的。因此，通过并行求解每个用户的独立子问题来求解次优化问题，每个子问题只有一个SINR约束。为此，房间n集合中用户k的对应子问题：

虽然约束条件是非凸的，但满足Slater条件，所以这类非凸问题具有强对偶性。因此优化问题与其对偶问题之间的对偶差为零，这意味着利用拉格朗日对偶方法可以有效地得到最优解。

因此，本实施例中利用拉格朗日对偶方法进行求解。首先，构造拉格朗日对偶函数为：

利用一阶最优性条件，求出辅助变量的最优解：

其中，λ_n,k为对偶变量且1≥λ_n,k≥0，将所求解带入约束条件，通过二分法搜索λ_n,k。

如此经过上述的迭代计算，即可以得到每个用户的功率分配系数以及智能反射面的波束赋形向量。

本发明通过MATLAB仿真验证了所述功率分配系数和无源波束赋形优化方案的有效性。考虑一个工作在29GHz载波频率上的系统，室内环境中存在多个房间，对信干噪比有需求的用户随机分散在室内的每个房间中，AP采用最大传输比(MRT)波束赋形。然后，将本发明实施例方法与固定相位方法(假设每个反射元素的相位都是由[-π，π]均匀而独立地生成的，不优化被动波束赋形只需要优化发射功率分配系数。)进行比较。

如图3所示，智能超表面的反射单元数对发射功率的影响，模拟参数设置如下：AP天线数N_AP＝8；用户天线数N_MS＝1；房间数N＝3；每个房间内的用户数：3。从图3可以看出联合优化AP处的功率分配系数和RIS处的无源波束赋形可以有效降低AP的发射功率，而且随着反射单元数L的增加，性能的提高变得相当明显。

这主要归因于两个原因。首先，增加L可以增强RIS接收到的信号功率，从而获得更高的阵列增益。另一方面，通过适当的相移设计，用户接收到的反射信号功率随着L的增大而增大。因此，本发明实施例提出的RIS辅助室内通信系统不仅可以利用阵列增益，还可以利用RIS辅助系统的反射波束形成增益。

本发明在智能超表面辅助的室内通信场景下，利用智能超表面作为无源中继，协助室内接入点与不同房间中的终端用户进行通信，采用基于惩罚的交替优化方法优化功率分配系数、无源波束赋形。通过联合设计功率分配系数和无源波束赋形减小接入点的发射功率，从而提高功率效率。仿真结果显示，本发明可以有效降低接入点的发射功率，而且随着智能超表面反射单元数的增加，性能的提高变得更加明显。

更重要的是，RIS是一种无源的反射装置，因此安装更多的无源反射元件既节能又经济，因为RIS不像传统发射机那样需要主动射频链和功率放大器。这些结果表明，在无线通信中引入智能超表面可以提高系统的性能，是一种很有前途的技术。

本发明还公开了一种智能超表面辅助的室内通信装置，应用于室内通信系统，室内通信系统包括AP和若干个智能超表面，AP通过智能超表面向用户发送信息；如图4所示，室内通信装置包括：获取模块210，用于获取AP与智能超表面的第一信道状态信息、以及智能超表面与其服务的用户之间的第二信道状态信息；构建模块220，用于以最小化AP的发射功率为目标，基于第一信道状态信息和第二信道状态信息构建室内通信模型及约束条件；求解模块230，用于采用基于惩罚的交替优化方法求解室内通信模型，得到每个用户的功率分配系数以及智能反射面的波束赋形向量。

需要说明的是，上述装置的具体内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本发明还公开了一种智能超表面辅助的室内通信装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的一种智能超表面辅助的室内通信方法。

装置可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。该装置可包括但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，该装置可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如还可以包括输入输出设备、网络接入设备等。

处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器在一些实施例中可以是所述装置的内部存储单元，例如装置的硬盘或内存。所述存储器在另一些实施例中也可以是所述装置的外部存储设备，例如所述装置上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器还可以既包括所述装置的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器用于存储操作系统、应用程序、引导装载程序(BootLoader)、数据以及其他程序等，例如所述计算机程序的程序代码等。所述存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

本发明还公开了一种智能超表面辅助的室内通信系统，包括AP、若干个智能超表面和上述的一种智能超表面辅助的室内通信装置。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。本领域普通技术人员可以意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的各示例的模块及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

Claims (9)

1.一种智能超表面辅助的室内通信方法，其特征在于，应用于室内通信系统，所述室内通信系统包括AP和若干个智能超表面，所述AP通过所述智能超表面向用户发送信息；

具体包括以下步骤：

获取所述AP与智能超表面的第一信道状态信息、以及所述智能超表面与其服务的用户之间的第二信道状态信息；

以最小化AP的发射功率为目标，基于所述第一信道状态信息和第二信道状态信息构建室内通信模型及约束条件；所述室内通信模型具体为：

s.t.c1:

c2:

其中，p_n,k为房间n中用户k的功率分配系数，v_n为第n个智能超表面的反射系数向量，

为第n个智能超表面上第l个反射单元的反射相移，N为智能超表面的总数，K_n为房间n中的用户数，h_n,k为第n个智能超表面到房间n中用户k的信道矩阵，

G_n为AP到第n个智能超表面的信道矩阵，

w_n,k为房间n中用户k的波束赋形向量，

且E(w_m ²)＝1，w_j,i为房间j中用户i的波束赋形向量，p_j,i为房间j中用户i的功率分配系数，j＝1...N且j≠n，i＝1...K_n且i≠k，

为房间n中用户k的加性高斯白噪声，γ_n,k为房间n中用户k的信干噪比约束阈值，L为智能超表面中的反射单元个数；

采用基于惩罚的交替优化方法求解所述室内通信模型，得到每个所述用户的功率分配系数以及所述智能超表面的波束赋形向量。

2.如权利要求1所述的一种智能超表面辅助的室内通信方法，其特征在于，采用基于惩罚的交替优化方法求解所述室内通信模型包括：

构造辅助变量；

基于所述辅助变量对所述室内通信模型及约束条件进行转化，且转化后的室内通信模型中具有惩罚项。

3.如权利要求2所述的一种智能超表面辅助的室内通信方法，其特征在于，令所述辅助变量X_n,k,j,i为：

转化后的室内通信模型为：

s.t.c3:

c4:

c2:

。

4.如权利要求3所述的一种智能超表面辅助的室内通信方法，其特征在于，基于所述辅助变量对所述室内通信模型及约束条件进行转化后还包括：

以最小化转化后的室内通信模型为目标，采用交替优化方法对功率分配系数、波束赋形向量和辅助变量进行变量分离，将转化后的室内通信模型分解为三个子问题，并通过并行求解方法得到每个所述用户的功率分配系数以及所述智能超表面 的波束赋形向量。

5.如权利要求4所述的一种智能超表面辅助的室内通信方法，其特征在于，通过并行求解方法得到每个所述用户的功率分配系数以及所述智能反射面的波束赋形向量包括：

利用拉格朗日对偶方法进行求解。

6.如权利要求4所述的一种智能超表面辅助的室内通信方法，其特征在于，所述三个子问题分别为：

以及

其中，u＞0和a＞0均为惩罚系数。

7.一种智能超表面辅助的室内通信装置，其特征在于，应用于室内通信系统，所述室内通信系统包括AP和若干个智能超表面，所述AP通过所述智能超表面向用户发送信息；所述室内通信装置包括：

获取模块，用于获取所述AP与智能超表面的第一信道状态信息、以及所述智能超表面与其服务的用户之间的第二信道状态信息；

构建模块，用于以最小化AP的发射功率为目标，基于所述第一信道状态信息和第二信道状态信息构建室内通信模型及约束条件；所述室内通信模型具体为：

s.t.c1:

c2:

其中，p_n,k为房间n中用户k的功率分配系数，v_n为第n个智能超表面的反射系数向量，

为第n个智能超表面上第l个反射单元的反射相移，N为智能超表面的总数，K_n为房间n中的用户数，h_n,k为第n个智能超表面到房间n中用户k的信道矩阵，

G_n为AP到第n个智能超表面的信道矩阵，

w_n,k为房间n中用户k的波束赋形向量，

且E(w_m ²)＝1，w_j,i为房间j中用户i的波束赋形向量，p_j,i为房间j中用户i的功率分配系数，j＝1...N且j≠n，i＝1...K_n且i≠k，

为房间n中用户k的加性高斯白噪声，γ_n,k为房间n中用户k的信干噪比约束阈值，L为智能超表面中的反射单元个数；

求解模块，用于采用基于惩罚的交替优化方法求解所述室内通信模型，得到每个所述用户的功率分配系数以及所述智能超表面的波束赋形向量。

8.一种智能超表面辅助的室内通信装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6任一项所述的一种智能超表面辅助的室内通信方法。

9.一种智能超表面辅助的室内通信系统，其特征在于，包括AP、若干个智能超表面和权利要求7或8所述的一种智能超表面辅助的室内通信装置。

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