CN115208445A - 一种智能反射面辅助通信系统下行用户调度与传输方法 - Google Patents

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CN115208445A CN202210833542.1A CN202210833542A CN115208445A CN 115208445 A CN115208445 A CN 115208445A CN 202210833542 A CN202210833542 A CN 202210833542A CN 115208445 A CN115208445 A CN 115208445A
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Abstract

本发明公开了一种智能反射面辅助通信系统下行用户调度与传输方法。该方法中，相邻两小区基站采用均匀线性天线阵，智能反射面采用均匀平面天线阵，每个小区中存在若干个单天线用户不能被该小区的基站信号覆盖，需要通过智能反射面提供服务，每小区同一时刻从这些用户中调度一个用户进行服务。具体如下：合理部署智能反射面与基站的位置，各小区基站根据各自的直射径信息设计其预编码向量，根据用户的统计信道信息调度相关性最大的用户对，智能反射面利用调度用户对的统计信道信息设计反射相移矩阵。本发明能有效减小用户间干扰，各个基站可以独立并行的设计预编码向量，而且能够以较低的计算复杂度进行用户调度并获取较高的系统吞吐量，易于实现。

Description

一种智能反射面辅助通信系统下行用户调度与传输方法
技术领域
本发明涉及一种基于统计信道状态信息(Channel State Information,CSI)的智能反射面(Intelligent Reflecting Surfaces,IRS)辅助下行通信系统的用户调度与传输方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着人们对通信系统超高数据率和能源效率、全球覆盖和连通性的需求，现有的第五代通信技术(5G)已无法完全实现。为满足未来移动通信网络大容量、低时延、绿色节能等多重需求，需要在基本传输技术以及资源利用等方面寻求新的突破。近年来兴起的智能反射面(IRS)，因其能够实现主动、智能地控制无线传播环境，且具备低成本、低能耗、高可靠等优势，受到了极大的关注。通过在无线网络中密集地部署IRS，并巧妙地协调它们的反射，发射机和接收机之间的无线信道可以灵活地重新配置，为此IRS减少了无线信道衰落损伤和干扰问题。
当瞬时CSI已知时，可以联合设计基站的预编码矩阵、IRS的反射系数矩阵以及用户的调度。然而，由于IRS的被动结构、用户的移动性以及庞大的用户数量，获取准确的瞬时CSI极具挑战性，将产生较高的信号处理复杂度和较大的训练开销。相对于瞬时CSI，信道的统计CSI在长时间是不会改变的，需要的训练开销较小，所以基于统计CSI设计基站预编码矩阵、IRS的反射系数矩阵以及用户的调度，可以降低信道估计的难度。
由于小区间干扰以及IRS相移被两小区共享，联合调度用户并设计最优的IRS相移相较于固定用户的情况更加复杂。设计合理的用户调度准则和IRS相移矩阵计算方法，可以有效地平衡用户调度的复杂度和IRS相移设计的复杂度。综上所述，针对IRS辅助的多小区通信系统，基于统计CSI设计基站的预编码矩阵，在用户相关性调度的基础上,采用调度用户对的统计CSI设计IRS相移是合适的选择。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种智能反射面辅助通信系统下行用户调度与传输方法，为基于统计CSI的IRS辅助多小区通信系统提供一种自适应传输设计方法，能够根据统计CSI设计基站的预编码矩阵、IRS的反射系数矩阵和用户调度准则，各个基站可以并行的设计各自的预编码向量，用户的调度基于用户统计信道之间的相关性，而IRS的相移设计则是基于调度用户对的统计CSI，无需进行线搜索迭代算法。
技术方案：本发明的一种智能反射面辅助通信系统下行用户调度与传输方法中：该智能反射面辅助通信系统包含两个相邻小区，一块智能反射面部署在两个小区的边缘，每小区在边缘区域有K个单天线用户不能被基站信号覆盖，需通过智能反射面对其进行信号传输；各小区基站均采用包含M个天线阵元的均匀线性天线阵，智能反射面采用包含N个反射单元的均匀平面阵，其垂直方向包括Nh行反射单元，水平方向每行Nv个反射单元；各小区基站已知其与智能反射面之间以及智能反射面与用户之间的统计信道状态信息，包括：基站k与智能反射面间视距路径的水平方向波离开角
Figure BDA0003746496720000021
基站k与智能反射面间视距路径相对于智能反射面的垂直方向波到达角
Figure BDA0003746496720000022
基站k与智能反射面间视距路径相对于智能反射面的水平方向波到达角
Figure BDA0003746496720000023
智能反射面与基站k的用户nk间视距路径相对于智能反射面的垂直方向波离开角
Figure BDA0003746496720000024
智能反射面与基站k的用户nk间视距路径相对于智能反射面的水平方向波离开角
Figure BDA0003746496720000025
k＝1,2。
下行用户调度与传输方法具体包括如下步骤：
步骤一、合理部署智能反射面位置使得小区基站k,k＝1,2，与智能反射面之间视距路径的方向角满足下列条件中的任意一个：
Figure BDA0003746496720000026
Figure BDA0003746496720000027
其中
Figure BDA0003746496720000028
与
Figure BDA0003746496720000029
分别表示基站1、基站2与智能反射面间视距路径相对于智能反射面的垂直方向波到达角，
Figure BDA00037464967200000210
与
Figure BDA00037464967200000211
分别表示基站1、基站2与智能反射面间视距路径相对于智能反射面的水平方向波到达角；
Figure BDA00037464967200000212
为集合{±1,…,±(Nv-1)}中任意整数，
Figure BDA00037464967200000213
为集合{±1,…,±(Nh-1)}中的任意整数；
步骤二、利用已知的各小区基站k与智能反射面之间和智能反射面与各用户之间的统计信道状态信息进行用户调度：
步骤三、各小区基站及智能反射面利用已知的各小区基站k与智能反射面之间以及智能反射面与用户之间的统计信道信息设计下行传输方法，包括各小区基站k预编码向量wk与智能反射面反射系数矩阵Φ的设计。
所述步骤二中，各小区基站k与智能反射面之间和智能反射面与各用户之间的统计信道状态信息包括：基站k与智能反射面间视距路径的水平方向波离开角
Figure BDA00037464967200000214
基站k与智能反射面间视距路径相对于智能反射面的垂直方向波到达角
Figure BDA00037464967200000215
基站k与智能反射面间视距路径相对于智能反射面的水平方向波到达角
Figure BDA0003746496720000031
智能反射面与基站k的用户nk间视距路径相对于智能反射面的垂直方向波离开角
Figure BDA0003746496720000032
智能反射面与基站k的用户nk间视距路径相对于智能反射面的水平方向波离开角
Figure BDA0003746496720000033
所述步骤二中用户调度包括以下子步骤：
a1)计算每个小区用户nk的级联统计信道
Figure BDA0003746496720000034
其中，diag{·}代表将向量的每个元素按序放置到一个矩阵的主对角线位置，矩阵其余元素均为0，
Figure BDA0003746496720000035
Figure BDA0003746496720000036
d为智能反射面上相邻反射单元间距，λ为载波波长，上标(·)H代表共轭转置，符号
Figure BDA0003746496720000037
代表克罗内克积；
a2)计算两个小区的用户对的相关性
Figure BDA0003746496720000038
其中，|·|表示对元素进行取模运算，K为每个小区中的用户数量；
a3)调度出两个小区相关性最大的用户对，即
Figure BDA0003746496720000039
所述步骤三中，下行传输方法中各小区基站k预编码向量wk的设计方法为：
Figure BDA00037464967200000310
其中，
Figure BDA00037464967200000311
Figure BDA00037464967200000312
表示基站k与智能反射面间视距路径的水平方向波离开角，dk为基站k的天线阵列上相邻天线单元间距，λ为载波波长，上标(·)H代表共轭转置，M为各小区基站天线阵元数量；
所述步骤三中，下行传输方法中智能反射面反射系数矩阵Φ的设计包括以下子步骤：
b1)计算步骤a3)中调度用户对的级联统计信道向量
Figure BDA00037464967200000313
的相位：
Figure BDA00037464967200000314
其中，m∈{1,…Nv}，n∈{1,…Nh}，∠(·)表示计算向量中的每个元素或计算单个元素的相位，
Figure BDA0003746496720000041
b2)将智能反射面反射系数向量v设计为：
Figure BDA0003746496720000042
b3)将智能反射面反射系数矩阵设计为Φ＝diag{v}，其中，diag{·}代表将向量的每个元素按序对应的放置到一个矩阵的主对角线位置，矩阵的其余元素均为0。
有益效果：本发明为一种智能反射面辅助的多小区下行用户调度与传输方法，与现有技术相比，该方法具有如下优点：
(1)本发明适用于IRS辅助的多小区下行链路通信系统，并采用了低复杂度的用户调度算法获得了较高的系统性能；
(2)本发明涉及的算法中RIS相移的计算无需搜索迭代，比现有算法计算复杂度更低，易于实现；
(3)本发明设计算法仅需部分统计信道信息，降低了信道信息获取开销。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
本实例提供一种智能反射面辅助通信系统下行用户调度与传输方法，考虑系统包含两个相邻小区，一块智能反射面部署在两个小区的边缘，每小区在边缘区域有K＝10个单天线用户不能被基站信号覆盖，需通过智能反射面对其进行信号传输；各小区基站均采用包含M＝8个天线阵元的均匀线性天线阵，智能反射面采用包含N＝8×4个反射单元的均匀平面阵，其垂直方向包括Nh＝8行反射单元，水平方向每行Nv＝4个反射单元；各小区基站已知基站到智能反射面以及智能反射面到用户的统计信道状态信息，包括：基站k与智能反射面间视距路径的水平方向波离开角
Figure BDA0003746496720000043
基站k与智能反射面间视距路径相对于智能反射面的垂直方向波到达角
Figure BDA0003746496720000044
基站k与智能反射面间视距路径相对于智能反射面的水平方向波到达角
Figure BDA0003746496720000045
智能反射面与基站k的用户nk间视距路径相对于智能反射面的垂直方向波离开角
Figure BDA0003746496720000046
智能反射面与基站k的用户nk间视距路径相对于智能反射面的水平方向波离开角
Figure BDA0003746496720000047
k＝1,2；
具体用户调度与传输方法包括如下步骤：
步骤一、合理部署智能反射面位置使得基站k,k＝1,2与智能反射面之间视距路径的方向角满足下列条件中的任意一个：
Figure BDA0003746496720000051
Figure BDA0003746496720000052
其中
Figure BDA0003746496720000053
与
Figure BDA0003746496720000054
分别表示基站1、基站2与智能反射面间视距路径相对于智能反射面的垂直方向波到达角，
Figure BDA0003746496720000055
与
Figure BDA0003746496720000056
分别表示基站1、基站2与智能反射面间视距路径相对于智能反射面的水平方向波到达角，可选择令上述条件中
Figure BDA0003746496720000057
且
Figure BDA0003746496720000058
步骤二、利用已知的各小区基站k与智能反射面之间和智能反射面与各用户之间的统计信道状态信息进行用户调度：具体包括以下子步骤：
a1)计算每个小区用户nk的级联统计信道
Figure BDA0003746496720000059
其中，diag{·}代表将向量的每个元素按序放置到一个矩阵的主对角线位置，矩阵其余元素均为0，
Figure BDA00037464967200000510
Figure BDA00037464967200000511
d为智能反射面上相邻反射单元间距，λ为载波波长，可取d为载波半波长，即
Figure BDA00037464967200000512
上标(·)H代表共轭转置，符号
Figure BDA00037464967200000513
代表克罗内克积；
a2)计算两个小区的用户对n1和n2的相关性
Figure BDA00037464967200000514
其中，|·|表示对元素进行取模运算；
a3)调度出两个小区相关性最大的用户对
Figure BDA00037464967200000515
和
Figure BDA00037464967200000516
即
Figure BDA00037464967200000517
步骤三、利用已知的各小区基站k与智能反射面之间以及智能反射面与用户之间的统计信道信息设计下行传输方法，包括各小区基站k预编码向量wk,k＝1,2与智能反射面反射系数矩阵Φ的设计：
所述各小区基站k预编码向量的设计方法为：
Figure BDA00037464967200000518
其中，
Figure BDA0003746496720000061
dk为基站k的天线阵列上相邻天线单元间距，λ为载波波长，可取dk为载波半波长，即
Figure BDA0003746496720000062
上标(·)H代表共轭转置，M为各小区基站天线阵元数量；
所述智能反射面反射系数矩阵Φ的设计包括以下子步骤：
b1)计算步骤a3)中调度用户对的级联统计信道向量
Figure BDA0003746496720000063
的相位：
Figure BDA0003746496720000064
其中，m∈{1,…Nv}，n∈{1,…Nh}，∠(·)表示计算向量中的每个元素或计算单个元素的相位，
Figure BDA0003746496720000065
b2)将智能反射面反射系数向量v设计为：
Figure BDA0003746496720000066
b3)将智能反射面反射系数矩阵设计为Φ＝diag{v}，其中，diag{·}代表将向量的每个元素按序对应的放置到一个矩阵的主对角线位置，矩阵的其余元素均为0。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种智能反射面辅助通信系统下行用户调度与传输方法，其特征在于：该智能反射面辅助通信系统包含两个相邻小区，一块智能反射面部署在两个小区的边缘，每小区在边缘区域有K个单天线用户不能被基站信号覆盖，需通过智能反射面对其进行信号传输；各小区基站均采用包含M个天线阵元的均匀线性天线阵，智能反射面采用包含N个反射单元的均匀平面阵，其垂直方向包括Nh行反射单元，水平方向每行Nv个反射单元；各小区基站已知其与智能反射面之间以及智能反射面与用户之间的统计信道状态信息，包括：基站k与智能反射面间视距路径的水平方向波离开角
Figure FDA0003746496710000011
基站k与智能反射面间视距路径相对于智能反射面的垂直方向波到达角
Figure FDA0003746496710000012
基站k与智能反射面间视距路径相对于智能反射面的水平方向波到达角
Figure FDA0003746496710000013
智能反射面与基站k的用户nk间视距路径相对于智能反射面的垂直方向波离开角
Figure FDA0003746496710000014
智能反射面与基站k的用户nk间视距路径相对于智能反射面的水平方向波离开角
Figure FDA0003746496710000015
k＝1,2。
2.根据权利要求1所述的一种智能反射面辅助通信系统下行用户调度与传输方法，其特征在于：所述下行用户调度与传输方法具体包括如下步骤：
步骤一、合理部署智能反射面位置使得小区基站k,k＝1,2，与智能反射面之间视距路径的方向角满足下列条件中的任意一个：
Figure FDA0003746496710000016
Figure FDA0003746496710000017
其中
Figure FDA0003746496710000018
与
Figure FDA0003746496710000019
分别表示基站1、基站2与智能反射面间视距路径相对于智能反射面的垂直方向波到达角，
Figure FDA00037464967100000110
与
Figure FDA00037464967100000111
分别表示基站1、基站2与智能反射面间视距路径相对于智能反射面的水平方向波到达角；
Figure FDA00037464967100000112
为集合{±1,…,±(Nv-1)}中任意整数，
Figure FDA00037464967100000113
为集合{±1,…,±(Nh-1)}中的任意整数；
步骤二、利用已知的各小区基站k与智能反射面之间和智能反射面与各用户之间的统计信道状态信息进行用户调度：
步骤三、各小区基站及智能反射面利用已知的各小区基站k与智能反射面之间以及智能反射面与用户之间的统计信道信息设计下行传输方法，包括各小区基站k预编码向量wk与智能反射面反射系数矩阵Φ的设计。
3.根据权利要求2所述的一种智能反射面辅助通信系统下行用户调度与传输方法，其特征在于：所述步骤二中，各小区基站k与智能反射面之间和智能反射面与各用户之间的统计信道状态信息包括：基站k与智能反射面间视距路径的水平方向波离开角
Figure FDA0003746496710000021
基站k与智能反射面间视距路径相对于智能反射面的垂直方向波到达角
Figure FDA0003746496710000022
基站k与智能反射面间视距路径相对于智能反射面的水平方向波到达角
Figure FDA0003746496710000023
智能反射面与基站k的用户nk间视距路径相对于智能反射面的垂直方向波离开角
Figure FDA0003746496710000024
智能反射面与基站k的用户nk间视距路径相对于智能反射面的水平方向波离开角
Figure FDA0003746496710000025
。
4.根据权利要求2所述的一种智能反射面辅助通信系统下行用户调度与传输方法，其特征在于：所述步骤二中用户调度包括以下子步骤：
a1)计算每个小区用户nk的级联统计信道
Figure FDA0003746496710000026
其中，diag{·}代表将向量的每个元素按序放置到一个矩阵的主对角线位置，矩阵其余元素均为0，
Figure FDA0003746496710000027
Figure FDA0003746496710000028
d为智能反射面上相邻反射单元间距，λ为载波波长，上标(·)H代表共轭转置，符号
Figure FDA0003746496710000029
代表克罗内克积；
a2)计算两个小区的用户对的相关性
Figure FDA00037464967100000210
其中，|·|表示对元素进行取模运算，K为每个小区中的用户数量；
a3)调度出两个小区相关性最大的用户对，即
Figure FDA00037464967100000211
。
5.根据权利要求2所述的一种智能反射面辅助通信系统下行用户调度与传输方法，其特征在于：所述步骤三中，下行传输方法中各小区基站k预编码向量wk的设计方法为：
Figure FDA00037464967100000212
其中，
Figure FDA00037464967100000213
Figure FDA00037464967100000214
表示基站k与智能反射面间视距路径的水平方向波离开角，dk为基站k的天线阵列上相邻天线单元间距，λ为载波波长，上标(·)H代表共轭转置，M为各小区基站天线阵元数量。
6.根据权利要求2所述的一种智能反射面辅助通信系统下行用户调度与传输方法，其特征在于：所述步骤三中，下行传输方法中智能反射面反射系数矩阵Φ的设计包括以下子步骤：
b1)计算步骤a3)中调度用户对的级联统计信道向量
Figure FDA0003746496710000031
的相位：
Figure FDA0003746496710000032
其中，m∈{1,…Nv}，n∈{1,…Nh}，∠(·)表示计算向量中的每个元素或计算单个元素的相位，
Figure FDA0003746496710000033
b2)将智能反射面反射系数向量v设计为：
Figure FDA0003746496710000034
b3)将智能反射面反射系数矩阵设计为Φ＝diag{v}，其中，diag{·}代表将向量的每个元素按序对应的放置到一个矩阵的主对角线位置，矩阵的其余元素均为0。
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