CN115442828A

CN115442828A - 一种基站、智能反射面和用户之间的关联匹配方法

Info

Publication number: CN115442828A
Application number: CN202211037094.0A
Authority: CN
Inventors: 刘鹏盛; 罗胜; 车越岭; 伍楷舜
Original assignee: Shenzhen University
Current assignee: Shenzhen University
Priority date: 2022-08-26
Filing date: 2022-08-26
Publication date: 2022-12-06

Abstract

本发明公开了一种基站、智能反射面和用户之间的关联匹配方法。该方法包括：针对毫米波通信系统，构建基站、智能反射面和用户之间的关联匹配问题；设置基站对智能反射面的偏好序列、智能反射面对用户的偏好序列，以及用户对基站的偏好序列；基于所设置的偏好序列求解所构建的关联匹配问题，以确定多个基站、多个智能反射面、多个用户三类节点之间的三边匹配关系。本发明实现了基站、智能反射面和用户这三类节点之间的稳定匹配，提高了无线通信网络系统的整体通信质量，并降低了时间成本。

Description

一种基站、智能反射面和用户之间的关联匹配方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体地，涉及一种基站、智能反射面和用户之间的关联匹配方法。

背景技术

随着对更高数据速率的迫切需求，毫米波通信因其提供千兆数据速率的能力而吸引了大量兴趣。与微波波段相比，毫米波信号遭受更严重的路径损耗，因此通常采用波束形成技术来提供波束形成增益。虽然波束形成可以有效地提高信号强度，但也带来了新的挑战，即具有锐利波束的通信链路更容易被阻塞。

近年来，智能反射面(IRS，Intelligent Reflecting Surfaces)被引入到毫米波通信中。智能反射面是由大量低成本无源反射元件组成的无源反射平面，通过调整输入信号的振幅/相位，可以改变反射信号的方向。因此，智能反射面可以关联基站为用户在毫米波通信下提供额外的反射路径，从而有效缓解阻塞效应，提高了无线通信网络的通信质量。

IRS辅助无线通信系统的研究多集中于研究IRS的最佳反射系数的设计。然而，现有的大多数IRS工作都集中在链路级性能优化上。在具有多个BS(BaseStation，基站)、IRS、User(用户)的通用无线网络只进行了少量研究。例如，将IRS与User的关联问题表述为匹配问题，通过考虑BS的负载平衡要求实现网络效用最大化。又如，考虑一个有多个IRS辅助多用户的多输入单输出(MISO)系统，将IRS-User关联问题建模为双边匹配问题。尽管目前给出了BS-User和IRS-User之间的关联，但没有解决BS-IRS-User的联合关联。

现有技术通过固定BS与IRS的连接或者固定IRS与User的连接，从而解决BS-IRS的连接对与User的关联匹配问题或者是BS与IRS-User连接对的关联匹配问题。但是没有考虑BS、IRS和User三者的自由匹配问题。此外，现有技术利用集中式优化方法解决BS-IRS-User三者的关联匹配问题，但是这种方法需要将所有信息集中到一个节点进行处理，当需要关联匹配的接点数量增多时，会导致信息量太大难以处理，并增加了优化时间。

由于IRS可以通过无线控制器去改变与其连接的BS，因此BS与IRS的连接可以是不固定的，这就引出了BS与IRS的关联匹配问题。而BS服务的用户也是需要选择的，因而引出了在多个BS、多个IRS服务多个User情况下的BS-IRS-User三者的关联匹配问题。由于在多个BS、多个IRS、多个User的场景下，User数量的增多会导致集中式优化方法需要处理的信息量增多，因此需要提供一种分布式匹配方式来解决BS-IRS-User三者的关联匹配问题。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基站、智能反射面和用户之间的关联匹配方法。该方法包括以下步骤：

针对毫米波通信系统，构建基站、智能反射面和用户之间的关联匹配问题；

设置基站对智能反射面的偏好序列、智能反射面对用户的偏好序列，以及用户对基站的偏好序列；

基于所设置的偏好序列求解所构建的关联匹配问题，以确定多个基站、多个智能反射面、多个用户三类节点之间的三边匹配关系。

与现有技术相比，本发明的优点在于，为了解决多个基站、多个智能反射面和多个用户之间的关联匹配问题，考虑建立BS-IRS-User关联模型，并利用分布式三边匹配方法来解决该关联问题，最终实现了基站、智能反射面和用户这三类节点之间的稳定匹配，从而提高了无线通信网络系统的整体通信质量。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明一个实施例的基站、智能反射面和用户之间的关联匹配方法的流程图；

图2是根据本发明一个实施例的毫米波通信系统的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的不同用户数情况下通信系统总速率的示意图；

图4是根据本发明一个实施例的不同基站传输功率下通信系统总速率的示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明研究一个具有多个BS和User的多IRS辅助无线通信系统。假设每个BS只能服务一个User，每个IRS只能辅助一个BS的通信，每个User只能由一个BS服务，这就导致了一对一对一的三边匹配问题。本发明所研究的匹配模型不同于以往通过固定BS和IRS之间的匹配关系来解决BS和User之间关联的研究模式。在本文中，BS和IRS之间的匹配关系并不固定。IRS可以通过无线控制器与BS连接，从而改变BS与IRS的匹配关系。本发明将BS、IRS和User的关联问题表述为匹配问题。与解决BS-IRS-User关联问题的集中优化方法不同，分布式匹配不需要将所有信息集中在一个节点中进行处理，而是每个节点根据当前状态进行匹配选择。基于毫米波通信的特点和不同类节点(BS、IRS和User)的特点，定义了每个节点的偏好，并提出了一种面向BS的匹配方法。

简言之，本发明提供一种三边匹配的方法，用于解决毫米波通信中多个基站、多个智能反射面、多个用户三者的关联匹配问题。首先，将基站、智能反射面、用户三者的联合关联问题表述为三边匹配。然后，为了获得稳定的匹配结果，为每个节点建立偏好，并提出一种面向基站的匹配方法。

具体地，参见图1所示，所提供的基站、智能反射面和用户之间的关联匹配方法包括以下步骤。

步骤S110，针对毫米波通信系统，建立基站、智能反射面和用户之间的通信模型。

如图2所示，考虑一个具有J个IRS辅助K个BS服务I个User的毫米波通信系统。假设用户和基站之间没有直达路径，例如用户由于建筑物的阻塞而位于基站的盲区。因此，存在J个IRS被放置在BS周围区域以建立反射路径从而帮助通信，即在任何BS-IRS对和IRS-User对之间创建一条直射路径(LoS，LineofSight)。为清楚起见，将BS、IRS和User的集合表示为

和

不失一般性，假设K＝J≤I，其中K表示基站数量，J表示智能反射面数量，I表示用户数量。

对于毫米波通信，阻塞和路径损耗显著影响系统性能，而小规模衰落没有太大影响。因此，在本发明中，忽略小尺度衰落，只考虑路径损耗。不失一般性，将第k个BS和第j个IRS之间的路径损耗(PathLoss)表示为L_k,j。类似地，将第i个用户和第j个IRS之间的路径损耗表示为G_j,i。在毫米波通信中，通常会形成铅笔状的尖锐波束进行信号传输，可以有效降低不同信号之间的干扰，即当一个基站将其波束对准一个IRS时，剩余的IRS无法接收到它的信号。同理，当一个IRS将其波束对准一个User时，剩余的User无法接收到它的信号。因此，假设BS和IRS都可以形成尖锐的波束，并且忽略不同BS-IRS-User链路之间的干扰。

步骤S120，构建基站、智能反射面和用户之间的关联匹配问题，并构建各类节点间的偏好序列。

1)问题描述

假设每个BS只能连接一个IRS辅助通信，每个IRS只能服务一个User，每个用户只能由一个BS服务。因此，BS联合IRS和User的关联问题变成了一对一对一的三边匹配问题。下面，将三边匹配表示为

其中

和

分别是BS的元素项集合、IRS的元素项集合和User元素项集合。BS-IRS-User的匹配表示为

中的三元组(b_k,s_j,u_i)。为了说明三边匹配的稳定性，首先给出三元阻塞块的定义。

三边稳定匹配中的阻塞三元组定义如下：对于一个三边匹配

匹配

是匹配

的一组三元组。如果一个三元组

但是

每个b_k，s_j和u_i都更偏向于选择三元组(b_k,s_j,u_i)而不是

中当前匹配的至少一个成员，则将(b_k,s_j,u_i)称为阻塞三元组。

基于上述阻塞三元组的定义，可以承认阻塞三元组中的每个成员都更喜欢相互匹配，而不是当前匹配的成员。因此，在三边匹配中，如果三边匹配

中存在阻塞三元组，则说明当前的三边匹配

不稳定。因此，只有在三边匹配中没有阻塞三元组时，才可以说三边匹配是稳定的。

下面，使用E{(b_k,s_j,u_i)}来表示(b_k,s_j,u_i)是否是

中的阻塞三元组，即如果E{(b_k,s_j,u_i)}＝1，则说明(b_k,s_j,u_i)是

的阻塞三元组，若E{(b_k,s_j,u_i)}＝0，则说明说明(b_k,s_j,u_i)不是

的阻塞三元组。基于这个定义，设计基站、智能反射面和用户之间的关联匹配问题，旨在找到一个稳定匹配

使得最大三元匹配数量

最大，表示为：

其中，

和

分别表示当前匹配

下第k个BS匹配IRS的数量、第j个IRS匹配User的数量和第i个用户匹配到BS的数量。第一个约束条件是保证每个BS至多只能匹配一个IRS，第二个约束是保证每个IRS至多只能匹配一个用户，第三个约束是保证每个用户至多只能被一个BS服务。最后一个约束保证匹配

是一个尽可能满足每个节点偏好的稳定匹配。

2)偏好序列的构建

上述关联匹配问题(即公式(1))的解决方案(稳定匹配)的存在取决于如何定义每个节点的偏好。对于具有一般偏好结构的三边匹配问题，即一种节点(例如，BS)对其余两种节点(例如，User和IRS)具有偏好，不存在稳定匹配。下文，首先提出一种路径损耗获取方法，并构建BS、User和IRS的偏好。基于偏好定义，提出了一种面向BS的匹配算法，其中

的每个三元组(b_k,s_j,u_i)由BS确定。所提出的面向BS的匹配算法可以保证稳定的匹配。

人们普遍认为，毫米波通信应该由低频段(6GHz以下)通信。因此，假设每个节点都集成了一个sub-6GHz通信模块，BS通过sub-6GHz信道控制分配的IRS，这可以支持BS和IRS之间的灵活分配。在建立毫米波通信链路之前，每个用户通过sub-6GHz信道广播一些指示信息(例如，用户ID)以请求通信服务。IRS接收这些信息并估计IRS-User链路的路径损耗。由于每个IRS-User链路之间存在一条直视路径，因此假设IRS可以准确估计路径损耗值G_j,i。类似地，BS广播它们的标识以显示它们的存在，IRS使用这些信号来估计BS-IRS链路的路径损耗L_k,j。请注意，虽然BS和User可以接收到这些sub-6GHz的指示信息，但由于阻塞，他们无法正确估计毫米波频段的路径损耗。在每个IRS分别获得User-IRS和BS-IRS链路的路径损耗G_j,i和L_k,j后，它将这些信息反馈给每个BS。值得一提的是，IRS通常由BS控制，即可以视为特殊的sub-6GHz用户，通常不支持IRS与User的直接通信。

在一些现有工作中，User的关联是在实现波束对齐后进行的。然而，对于所考虑的场景，应为每个User-IRS和BS-IRS链路实现波束对齐，这将导致沉重的波束扫描开销。因此，使用估计的路径损耗来执行联合User和IRS匹配，并且在完成BS-IRS-User匹配后，只需要对每个匹配的BS-IRS-User链路执行波束扫描过程。

由于BS和User之间没有直接的联系，BS对User没有偏好，每个BS只对IRS有偏好。因此，使用BS-IRS链路的路径损耗作为BS对每个IRS的偏好，即第k个BS对第j个IRS的偏好由下式给出：

其中第k个BS对第j个IRS的路径损耗将表示为：

其中λ为工作波长，d_k,j为第k个BS到第j个IRS的距离。

在IRS辅助无线通信中，IRS是一种被动设备，由BS控制。因此，定义每个IRS对BS没有偏好，只对用户有偏好。同样，使用从IRS到用户的路径损耗作为IRS对每个用户的偏好。因此，第j个IRS对第i个User的偏好由下式给出：

其中第j个IRS对第i个User的路径损耗将表示为：

其中λ为工作波长，d′_j,i为第j个IRS到第i个User的距离。

由于每个User都没有关于IRS的路径损耗的信息，假设用户对IRS没有偏好。在一个实施例中，为了将问题(1)转换为每个节点应该有其偏好的标准三边匹配问题，定义每个User对BS具有相同的偏好。因此，第i个用户对第k个BS的偏好由下式给出：

步骤S130，基于所获得的偏好序列求解基站、智能反射面和用户之间的关联匹配问题。

根据上述定义的偏好，在该步骤S130中，提出了一种面向BS的匹配算法来得到稳定匹配。

首先，为匹配

的实例定义了以下操作。使用

表示第k个BS匹配到了第j个IRS，使用

表示第j个IRS匹配到了第i个User，使用

表示第i个User匹配到了第k个BS，并使用

表示第k个BS偏向于选择第j个IRS，而不是其当前匹配的

对于给定的匹配

定义了以下操作：

表示找到第k个BS比其当前匹配对象

选择优先度更高的所有IRS的集合。

表示找到第j个IRS比其当前匹配对象

选择优先度更高的所有User的集合。

表示找到仍然有能力接受第k个BS的所有User的集合。

表示找到部分IRS的集合，其中的IRS存在比当前匹配的用户

选择优先度更高的的User，并且该User仍然有能力接受BSb_k。

基于这些操作的定义，提供了一种可以找到面向BS稳定匹配的匹配算法。该算法从空匹配

开始，并针对BS的集合

IRS的集

和用户的集合

迭代执行以确定稳定的匹配。具体来说，在每次迭代中，将遍历每个BS以找到可用的IRS集合

如果

不为空集，则从

中为BSb_k选择出最佳IRS s_j(具有最高偏好的IRS)。在确定最佳IRS后，再找出可用User集合

并在该集合

中为确定的BS和IRS选择最符合条件的User。

具体地，面向BS稳定匹配的匹配方法包括以下步骤：

步骤S1，根据BS、IRS和User，输入BS的集合

IRS的集合

User的集合

BS对IRS的偏好序列PL_b，IRS对User的偏好序列PL_s和User对BS的偏好序列PL_u。

步骤S2，初始化一个空集合

和一个标记号flag为1。

步骤S3，当flag为1时，循环执行步骤S4至S10，否则执行S11。

步骤S4，设置flag为0。

步骤S5，遍历每个BS。利用

选择出适合当前BSb_k的IRS的集合

步骤S6，如果集合

不为空，则执行S7，否则执行S8。

步骤S7，在集合

中选择对当前BS b_k优先度最高的IRS s_j。根据所选的IRS s_j和当前的BS b_k，利用

选择出可以匹配的User集合

再从该集合

中选择出优先度最高的User u_i。

步骤S8，如果当前的BS b_k已经匹配有IRS，则释放当前BS的匹配，并将flag设置为1，否则跳过操作。

步骤S9，如果当前选择出的IRS s_j已经匹配有User了，则释放当前IRS的匹配，并将flag设置为1，否则跳过操作。

步骤S10，将选择出来的IRS s_j，User u_i与当前的BS b_k加入到匹配中，即

步骤S11，输出最终的匹配

利用上述算法输出的匹配结果是稳定的。证明如下：

假设输出的匹配

是不稳定的，那么一定有一个阻塞三元组(b_k,s_j,u_i)使得：

和

基于这个结果，有

和

然后，可以得知

和

在这种情况下，该算法无法结束并输出结果，这导致了矛盾。所以可以证明输出匹配必须是稳定的。

需要说明的是，除了基于路径损耗构建偏好序列之外，也可以采用接收信号质量等其他信息。

为了进一步验证本发明的效果，进行了实验仿真。不失一般性，假设BS的数量K，IRS的数量J和User的数量I，三者相等，即K＝J＝I。并且所有BS以相同的功率P传输。假设BS均匀分布在20米长的线路上，IRS和User随机分布在20米和40米外的线路上。所有仿真结果均通过对50多个通信系统进行统计平均得到，其中系统工作频率为6Ghz，系统噪声功率为-137dBm。

为了分析对比，将本发明所提出的面向BS的三边匹配算法的性能与三种基准方案进行了比较，即穷举搜索算法、解耦匹配算法和随机匹配算法。对于穷举搜索算法，评估所有可能的BS-IRS-User关联案例以找到最大化系统速率的案例。在解耦匹配算法中，将BS和User捆绑成BS-User结构对，从而将原来的三边匹配问题转化为双边匹配问题，然后使用Gale-Shapley算法匹配这些BS-User结构对与IRS，从而实现稳定的双边匹配。

图3展示的是系统总速率在不同用户数下的情况，其中BS的传输功率为-10dBm。可以看出，随着用户数的增加，四种算法的系统总速率增加，面向基站的匹配算法的性能优于解耦匹配和随机匹配算法。图4展示的是在不同的BS传输功率下系统总速率的情况，其中设置K＝J＝I＝5。图4展示了所提出的面向BS的三边匹配算法的系统总速率优于解耦匹配和随机匹配算法，而与穷举搜索算法性能相近。

综上所述，本发明具有以下技术效果：

1)现有的技术方案没有考虑基站、智能反射面、用户三者的关联匹配，仅考虑到了基站与智能反射面的关联或者是智能反射面与用户的关联。本发明提出了一种解决基站、智能反射面、用户三者关联匹配的分布式三边匹配方法，提高了通信系统的整体速率，同时满足每个节点的偏好选择所匹配的目标，降低了基站、智能反射面、用户三者关联匹配需要的时间。

2)通过分布式匹配方法实现了基站、智能反射面、用户三者的关联匹配，降低了系统优化的时间成本。与采用集中式优化的现有方案相比，在本发明的方案中，节点需要处理的信息更少，时间更短。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本发明操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++、Python等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。

这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。

也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。对于本领域技术人员来说公知的是，通过硬件方式实现、通过软件方式实现以及通过软件和硬件结合的方式实现都是等价的。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。