CN115002794A - 一种利用可自持智能反射面提高广播通信传输性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用可自持智能反射面提高广播通信传输性能的方法，属于通信技术领域。所述方法包括：对发射端一、二阶段波束成形向量、系统一、二阶段归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵进行优化；基于优化后的一、二阶段波束成形向量、各阶段归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵，在第一阶段，多天线发射端向接收端发射广播信号，同时IRS收集无线能量，在第二阶段，IRS利用在第一阶段收集的无线能量实现反射波束成形辅助发射端进行广播。采用本发明，能够提高广播通信传输性能，并克服现有技术在IRS能量供给机制方面的缺陷。

Description

一种利用可自持智能反射面提高广播通信传输性能的方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是指一种利用可自持智能反射面提高广播通信传输性能的方法。
背景技术
智能反射面(Intelligent Reflecting Surface，IRS)是由大量可以在反射无线信号时引入相移的微单元组成的平面，具有低能耗、低成本、易部署的特点。通过配置每个微单元反射无线信号时引入的相移，IRS能够实现精细的反射波束成形，有效改善无线信号的传播环境。研究表明，在无线通信系统中部署IRS，能够使接收端处的无线信号强度得到明显的提升。
目前，已有一部分研究考虑利用IRS辅助广播通信系统(其中信号发射端将相同的消息广播至多接收端)，通过对多天线信号发射端波束成形与IRS反射波束成形开展设计提高系统性能，“Reconfigurable Intelligent Surface Aided Power Control forPhysical-Layer Broadcasting,”【IEEE Transactions on Communications,vol.69,no.11,Nov.2021.】一文即属于此列。现有的该方面的研究基本都假设IRS实现反射波束成形所需消耗的能量由电网或电池供给，然而，一方面，利用电网供能会加大IRS的部署难度，使IRS失去部署的灵活性；另一方面，利用电池无法实现长期供能，且在某些特殊场景(如高层建筑物外立面)下为IRS更换电池十分危险。
发明内容
本发明实施例提供了一种利用可自持智能反射面提高广播通信传输性能的方法，能够提高广播通信传输性能，并克服现有技术在IRS能量供给机制方面的缺陷。所述技术方案如下：
对发射端一、二阶段波束成形向量、系统一、二阶段归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵进行优化；
基于优化后的一、二阶段波束成形向量、各阶段归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵，在第一阶段，多天线发射端向接收端发射广播信号，同时IRS收集无线能量，在第二阶段，IRS利用在第一阶段收集的无线能量实现反射波束成形辅助发射端进行广播。
进一步地，发射端一、二阶段波束成形向量we、ws，系统一、二阶段归一化工作时长te、1-te以及IRS反射波束成形对角矩阵Ψ优化包括以下步骤：
A1，令os＝0，
Figure BDA0003628521420000021
其中，os为第一循环计数变量，
Figure BDA0003628521420000022
与
Figure BDA0003628521420000023
分别为交替优化的ws和Ψ的起始点，1表示M×1维的全1向量，I表示IR×IR维的单位矩阵，M表示发射端天线的数目，IR表示IRS微单元个数；
A2，求解令目标函数γas最大化的Ws与γas：
Figure BDA0003628521420000024
记获得的相应的最优解为
Figure BDA0003628521420000025
式(1)中，Ws为对向量乘积
Figure BDA0003628521420000026
的半正定松弛，γas为接收端信噪比松弛变量，σ2表示噪声功率，tr(·)表示矩阵求迹运算，hd,k、G、hr,k分别表示发射端至第k个接收端的信道、发射端至IRS的信道以及IRS至第k个接收端的信道，α为信号反射效率，P为发射端信号发射功率限制，上标H表示共轭转置符号，
Figure BDA0003628521420000027
为用户集合，约束条件Ws≥0限定Ws为半正定矩阵；
A3，令
Figure BDA0003628521420000028
其中，
Figure BDA0003628521420000029
表示第os次交替优化循环中对ws的优化结果，maxeig(·)和maxeigvc(·)分别表示求矩阵最大特征值和最大特征值对应的单位特征向量的运算；
A4，令
Figure BDA00036285214200000210
其中，
Figure BDA00036285214200000211
ck和ak为辅助变量，T表示转置符号，函数Γs(ws,Ψ)定义为
Figure BDA00036285214200000212
A5，求解令目标函数γas最大化的Θ与γas：
Figure BDA00036285214200000213
记获得的相应的最优解为
Figure BDA00036285214200000214
式(2)中，Θ为对向量乘积θθH的半正定松弛，
Figure BDA0003628521420000031
为对
Figure BDA0003628521420000032
的高维松弛映射，
Figure BDA0003628521420000033
为IRS反射波束成形向量，τ为松弛变量，
Figure BDA0003628521420000034
表示IRS上第i个微单元的反射系数，[Θ]i,i表示矩阵Θ对角线上的第i个元素，约束条件Θ≥0限定Θ为半正定矩阵；
A6，令
Figure BDA0003628521420000035
其中，
Figure BDA0003628521420000036
与
Figure BDA0003628521420000037
分别表示第os次交替优化循环中对θ与Ψ的优化结果，
Figure BDA0003628521420000038
表示共轭符号；
A7，若
Figure BDA0003628521420000039
则执行步骤A8，否则，令
Figure BDA00036285214200000310
os＝os+1并跳转至步骤A2，其中，εs为系统二阶段波束成形优化门限；
A8，令
Figure BDA00036285214200000311
计算
Figure BDA00036285214200000312
其中，
Figure BDA00036285214200000313
与Ψ+分别表示对ws与Ψ的优化结果，
Figure BDA00036285214200000314
表示与其相对应的二阶段可达广播速率；
A9，令
Figure BDA00036285214200000315
oe＝0，其中，
Figure BDA00036285214200000316
为辅助变量，oe为第二循环计数变量；
A10，求解令目标函数
Figure BDA00036285214200000317
最大化的We,te,re,p1,p2,△e：
Figure BDA00036285214200000318
记获得的相应的最优解为
Figure BDA00036285214200000319
式(3)中，u为IRS配置单微单元引入相移的能耗，η为能量收集率，We为对向量乘积
Figure BDA00036285214200000320
的半正定松弛，re,p1,p2,△e为辅助优化变量，约束条件We≥0限定We为半正定矩阵，||·||表示求向量二范数运算；
A11，令
Figure BDA00036285214200000321
其中，
Figure BDA00036285214200000322
表示第oe次优化循环中对we的优化结果；
A12，若oe＝0，则令oe＝oe+1，
Figure BDA00036285214200000323
并跳转至步骤A10；否则执行步骤A13，其中，
Figure BDA00036285214200000324
分别表示第oe-1次优化循环中对we、te的优化结果；
A13，令
Figure BDA00036285214200000325
其中，
Figure BDA00036285214200000326
与
Figure BDA00036285214200000327
分别为对应
Figure BDA00036285214200000328
与
Figure BDA00036285214200000329
的一阶段可达广播速率，函数Γe(we)定义为
Figure BDA00036285214200000330
A14，若
Figure BDA00036285214200000331
则执行步骤A15，否则，令oe＝oe+1，
Figure BDA00036285214200000332
Figure BDA00036285214200000333
并跳转至步骤A10；其中，εe表示系统一阶段波束成形优化门限；
A15，输出发射端一、二阶段波束成形向量，系统一、二阶段归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵的优化结果
Figure BDA00036285214200000334
以及Ψ+，和与之相对应的可达广播速率
Figure BDA0003628521420000041
综上，本发明实施例提供的利用可自持智能反射面提高广播通信传输性能的方法至少具有以下优点：
1)相比较于无IRS辅助的无线广播通信系统，在信号发射功率相同的情况下，使用本发明实施例提供的方法进行波束成形及时间调度优化后的自持IRS辅助无线广播通信系统的传输速率有着显著的优势；
2)本发明实施例提供的方法通过对发射端一二阶段波束成形向量、系统一二阶段归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵进行优化，能够保证IRS能量自持，从而克服了现有技术在IRS能量供给机制方面的缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明实施例提供的利用可自持智能反射面提高广播通信传输性能的方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
为克服现有技术在IRS能量供给机制方面的缺陷，本发明实施例，考虑利用可通过无线能量收集满足自身能量需求(即能量自持)的IRS辅助无线广播通信，提出一种利用可自持智能反射面提高广播通信传输性能的方法，该方法可以在以下广播通信系统中实现；该广播通信系统包括：一个多天线广播信号发射端，天线个数记作M，一个IRS，IRS微单元个数记作IR，以及K个单天线接收端(即：用户)，将用户和IRS微单元的集合分别记为
Figure BDA0003628521420000042
和
Figure BDA0003628521420000043
IRS微单元能够反射信号或收集无限能量，记信号反射效率为α(α≤1)，能量收集率为η(η≤1)，IRS配置单微单元引入相移的能耗为u，系统工作于两个阶段，在第一阶段，多天线发射端向接收端发射广播信号，同时IRS收集无线能量，在第二阶段，IRS利用在第一阶段收集的无线能量实现反射波束成形辅助发射端进行广播，记系统一阶段归一化工作时长为te(te≤1)，则二阶段归一化工作时长为1-te，记发射端一阶段波束成形向量为we，其中we为包含M个复数元素的列向量，即
Figure BDA0003628521420000051
表示M×1维的复矩阵的集合，发射端二阶段波束成形向量为
Figure BDA0003628521420000052
IRS反射波束成形对角矩阵为
Figure BDA00036285214200000513
其中，
Figure BDA0003628521420000053
表示IRS上第i个微单元的反射系数，
Figure BDA0003628521420000054
表示IRS上第i个微单元引入的相移，整个系统的信道是准静态的，平坦衰落的无记忆信道，将发射端至第k个接收端的信道、发射端至IRS的信道以及IRS至第k个接收端的信道分别记作
Figure BDA0003628521420000055
Figure BDA0003628521420000056
接收端处的噪声是平稳的高斯白噪声，噪声功率为σ2；本实施例中，通过对发射端一二阶段波束成形向量、系统一二阶段归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵进行优化，可以维持IRS能量自持并提高广播通信系统传输性能。
如图1所示，本发明实施例提供了一种利用可自持智能反射面提高广播通信传输性能的方法，具体可以包括以下步骤：
S101，对发射端一、二阶段波束成形向量、系统一、二阶段归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵进行优化，具体包括以下步骤：
1)估计u，α和η的值，并利用信道估计，估计出hd,k、G、hr,k以及σ2的值，设定发射端信号发射功率限制P，一、二阶段波束成形优化门限εe、εs，门限值与优化精度相关；
2)对发射端二阶段波束成形向量ws，IRS反射波束成形对角矩阵Ψ进行交替优化，令os＝0，
Figure BDA0003628521420000057
其中os为第一循环计数变量，
Figure BDA0003628521420000058
与
Figure BDA0003628521420000059
分别为交替优化的ws和Ψ的起始点，1表示M×1维的全1向量，I表示IR×IR维的单位矩阵；
3)求解优化问题(1)，作为优化发射端二阶段波束成形向量的基础：
Figure BDA00036285214200000510
记获得的相应的最优解为
Figure BDA00036285214200000511
式(1)表示在约束式(s.t.:后的部分)对优化变量Ws,γas进行限制的条件下，求解能令目标函数(max后的部分)最大化的Ws与γas，式(1)中，Ws为对向量乘积
Figure BDA00036285214200000512
的半正定松弛，γas为接收端信噪比松弛变量，tr(·)代表矩阵求迹运算，α为信号反射效率，P为发射端信号发射功率限制，上标H表示共轭转置符号，
Figure BDA0003628521420000061
为用户集合，约束条件Ws≥0限定Ws为半正定矩阵；优化问题(1)是标准的凸优化问题，可以通过内点法进行求解；
4)令
Figure BDA0003628521420000062
其中，
Figure BDA0003628521420000063
表示第os次交替优化循环中对ws的优化结果，maxeig(·)和maxeigvc(·)分别表示求矩阵最大特征值和最大特征值对应的单位特征向量的运算，
5)令
Figure BDA0003628521420000064
其中，
Figure BDA0003628521420000065
ck和ak都为辅助变量，T表示转置符号，函数Γs(ws,Ψ)的定义为
Figure BDA0003628521420000066
6)求解凸优化问题(2)，作为优化IRS反射波束成形对角矩阵的基础：
Figure BDA0003628521420000067
记获得的相应的最优解为
Figure BDA0003628521420000068
式(2)中，γs为接收端信噪比松弛变量，Θ为对向量乘积θθH的半正定松弛，
Figure BDA0003628521420000069
为对
Figure BDA00036285214200000610
的高维松弛映射，
Figure BDA00036285214200000611
为IRS反射波束成形向量，τ为松弛变量，[Θ]i,i表示矩阵Θ对角线上的第i个元素，约束条件Θ≥0限定Θ为半正定矩阵；
7)令
Figure BDA00036285214200000612
其中，
Figure BDA00036285214200000613
与
Figure BDA00036285214200000614
表示第os次交替优化循环中对θ与Ψ的优化结果，
Figure BDA00036285214200000615
表示共轭符号；
8)若
Figure BDA00036285214200000616
则继续执行步骤9)，否则，令
Figure BDA00036285214200000617
os＝os+1并跳转至步骤3)。
9)令
Figure BDA00036285214200000618
计算
Figure BDA00036285214200000619
其中，
Figure BDA00036285214200000620
与Ψ+分别表示对ws与Ψ的优化结果，
Figure BDA00036285214200000621
表示与其相对应的二阶段可达广播速率；
10)令
Figure BDA00036285214200000622
oe＝0，其中，
Figure BDA00036285214200000623
为辅助变量，oe为第二循环计数变量。
11)求解凸优化问题(3)，作为优化发射端一阶段波束成形向量以及系统一二阶段归一化工作时长的基础：
Figure BDA00036285214200000624
记获得的相应的最优解为
Figure BDA0003628521420000071
式(3)中，u为IRS配置单微单元引入相移的能耗，η为能量收集率，We为对向量乘积
Figure BDA0003628521420000072
的半正定松弛，re,p1,p2,△e为辅助优化变量，约束条件We≥0限定We为半正定矩阵，||·||表示求向量二范数运算；
12)令
Figure BDA0003628521420000073
其中，
Figure BDA0003628521420000074
表示第oe次优化循环中对we的优化结果；
13)若oe＝0，则令oe＝oe+1，
Figure BDA0003628521420000075
并跳转至步骤11)；否则继续执行步骤14)，其中，
Figure BDA0003628521420000076
表示第oe-1次优化循环中对we、te的优化结果；
14)令
Figure BDA0003628521420000077
其中，
Figure BDA0003628521420000078
与
Figure BDA0003628521420000079
分别为对应
Figure BDA00036285214200000710
与
Figure BDA00036285214200000711
的一阶段可达广播速率，函数Γe(we)定义为
Figure BDA00036285214200000712
15)若
Figure BDA00036285214200000713
则继续执行步骤16)，否则，令oe＝oe+1，
Figure BDA00036285214200000714
并跳转至步骤11)；
16)输出发射端一、二阶段波束成形向量，系统一、二阶段归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵的优化结果
Figure BDA00036285214200000715
以及Ψ+，和与之相对应的可达广播速率
Figure BDA00036285214200000716
S102，基于优化后的波束成形向量、归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵，在第一阶段，多天线发射端向接收端发射广播信号，同时IRS收集无线能量，在第二阶段，IRS利用在第一阶段收集的无线能量实现反射波束成形辅助发射端进行广播。
综上，本发明实施例提供的利用可自持智能反射面提高广播通信传输性能的方法至少具有以下优点：
1)相比较于无IRS辅助的无线广播通信系统，在信号发射功率相同的情况下，使用本发明实施例提供的方法进行波束成形及时间调度优化后的自持IRS辅助无线广播通信系统的传输速率有着显著的优势；
2)本发明实施例提供的方法通过对发射端一二阶段波束成形向量、系统一二阶段归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵进行优化，能够保证IRS能量自持，从而克服了现有技术在IRS能量供给机制方面的缺陷。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种利用可自持智能反射面提高广播通信传输性能的方法，其特征在于，包括：
对发射端一、二阶段波束成形向量、系统一、二阶段归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵进行优化；
基于优化后的一、二阶段波束成形向量、各阶段归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵，在第一阶段，多天线发射端向接收端发射广播信号，同时IRS收集无线能量，在第二阶段，IRS利用在第一阶段收集的无线能量实现反射波束成形辅助发射端进行广播。
2.根据权利要求1所述的利用可自持智能反射面提高广播通信传输性能的方法，其特征在于，发射端一、二阶段波束成形向量we、ws，系统一、二阶段归一化工作时长te、1-te以及IRS反射波束成形对角矩阵Ψ优化包括以下步骤：
A1，令os＝0，
Figure FDA0003628521410000011
其中，os为第一循环计数变量，
Figure FDA0003628521410000012
与
Figure FDA0003628521410000013
分别为交替优化的ws和Ψ的起始点，1表示M×1维的全1向量，I表示IR×IR维的单位矩阵，M表示发射端天线的数目，IR表示IRS微单元个数；
A2，求解令目标函数γas最大化的Ws与γas：
Figure FDA0003628521410000014
记获得的相应的最优解为
Figure FDA0003628521410000015
式(1)中，Ws为对向量乘积
Figure FDA0003628521410000016
的半正定松弛，γas为接收端信噪比松弛变量，σ2表示噪声功率，tr(·)表示矩阵求迹运算，hd,k、G、hr,k分别表示发射端至第k个接收端的信道、发射端至IRS的信道以及IRS至第k个接收端的信道，α为信号反射效率，P为发射端信号发射功率限制，上标H表示共轭转置符号，
Figure FDA0003628521410000017
为用户集合，约束条件
Figure FDA00036285214100000110
限定Ws为半正定矩阵；
A3，令
Figure FDA0003628521410000018
其中，
Figure FDA0003628521410000019
表示第os次交替优化循环中对ws的优化结果，maxeig(·)和maxeigvc(·)分别表示求矩阵最大特征值和最大特征值对应的单位特征向量的运算；
A4，令
Figure FDA0003628521410000021
其中，
Figure FDA0003628521410000022
ck和ak为辅助变量，T表示转置符号，函数Γs(ws,Ψ)定义为
Figure FDA0003628521410000023
A5，求解令目标函数γas最大化的Θ与γas：
Figure FDA0003628521410000024
记获得的相应的最优解为
Figure FDA0003628521410000025
式(2)中，Θ为对向量乘积θθH的半正定松弛，
Figure FDA0003628521410000026
为对
Figure FDA0003628521410000027
的高维松弛映射，
Figure FDA0003628521410000028
为IRS反射波束成形向量，τ为松弛变量，
Figure FDA0003628521410000029
表示IRS上第i个微单元的反射系数，[Θ]i,i表示矩阵Θ对角线上的第i个元素，约束条件
Figure FDA00036285214100000210
限定Θ为半正定矩阵；
A6，令
Figure FDA00036285214100000211
其中，
Figure FDA00036285214100000212
与
Figure FDA00036285214100000213
分别表示第os次交替优化循环中对θ与Ψ的优化结果，
Figure FDA00036285214100000214
表示共轭符号；
A7，若
Figure FDA00036285214100000215
则执行步骤A8，否则，令
Figure FDA00036285214100000216
os＝os+1并跳转至步骤A2，其中，εs为系统二阶段波束成形优化门限；
A8，令
Figure FDA00036285214100000217
计算
Figure FDA00036285214100000218
其中，
Figure FDA00036285214100000219
与Ψ+分别表示对ws与Ψ的优化结果，
Figure FDA00036285214100000220
表示与其相对应的二阶段可达广播速率；
A9，令
Figure FDA00036285214100000221
oe＝0，其中，
Figure FDA00036285214100000222
为辅助变量，oe为第二循环计数变量；
A10，求解令目标函数
Figure FDA00036285214100000223
最大化的We,te,re,p1,p2,△e：
Figure FDA00036285214100000224
记获得的相应的最优解为
Figure FDA00036285214100000225
式(3)中，u为IRS配置单微单元引入相移的能耗，η为能量收集率，We为对向量乘积
Figure FDA00036285214100000226
的半正定松弛，re,p1,p2,△e为辅助优化变量，约束条件
Figure FDA00036285214100000227
限定We为半正定矩阵，||·||表示求向量二范数运算；
A11，令
Figure FDA0003628521410000031
其中，
Figure FDA0003628521410000032
表示第oe次优化循环中对we的优化结果；
A12，若oe＝0，则令oe＝oe+1，
Figure FDA0003628521410000033
并跳转至步骤A10；否则执行步骤A13，其中，
Figure FDA0003628521410000034
分别表示第oe-1次优化循环中对we、te的优化结果；
A13，令
Figure FDA0003628521410000035
其中，
Figure FDA0003628521410000036
与
Figure FDA0003628521410000037
分别为对应
Figure FDA0003628521410000038
与
Figure FDA0003628521410000039
的一阶段可达广播速率，函数Γe(we)定义为
Figure FDA00036285214100000310
A14，若
Figure FDA00036285214100000311
则执行步骤A15，否则，令oe＝oe+1，
Figure FDA00036285214100000312
并跳转至步骤A10；其中，εe表示系统一阶段波束成形优化门限；
A15，输出发射端一、二阶段波束成形向量，系统一、二阶段归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵的优化结果
Figure FDA00036285214100000313
以及Ψ+，和与之相对应的可达广播速率
Figure FDA00036285214100000314
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