CN115801066A - 基于双ris辅助mimo系统的相移优化方法及相关装置 - Google Patents

基于双ris辅助mimo系统的相移优化方法及相关装置 Download PDF

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尚思晖
徐东阳
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Abstract

基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法及系统，其特征在于，包括以下步骤：构建双可重构智能表面的辅助MIMO系统，以最大化系统可实现速率为优化目标，设计含两个优化变量的优化模型；将含两个优化变量的优化模型中的非凸问题转化为凸问题，对两个变量的优化模型进行交替优化迭代；最终得到优化后两个可重构智能表面RIS的相移矩阵，实现多跳通信。本发明对于级联RIS辅助通信系统，目前仍缺乏综合考虑非理想因素的实用性能评价体系的问题，该方法可以解决双RIS辅助MIMO系统中RIS间的干扰问题，优化两个RIS的相移矩阵，相比于未优化的相移矩阵，可以有效提升系统性能。

Description

基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法及相关装置
技术领域
本发明属于可重构智能表面辅助通信技术领域，特别涉及基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法及相关装置。
背景技术
为应对未来移动通信中超1000倍的网络容增加和至少1000亿个设备的普遍无线连接目标，甚至更高的需求，大规模多输入输出(mMIMO)等技术得以广泛应用。但所需的高复杂度和硬件成本以及增加的能耗仍然是关键问题。将大规模MIMO从低于6GHz扩展到mmWave频带通常需要更复杂的信号处理以及更昂贵和能耗更好的硬件(如，射频链)。因此，研究如何为未来6G无线网络找到创新、频谱和节能且经济高效的解决方案势在必行。此外，信号传播本质上是随机的，很大程度上是不可控的。基于上述原因，近几年，可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface,RIS)可以为6G系统带来一种新的通信网络模式，以满足未来移动通信的需求。RIS通过在平面上集成大量低成本的无源反射单元，不同元件可以通过控制幅度或相位来独立的反射入射信号，从而协同地实现用于定向信号增强或零陷的精细三维(3D)无源波束形成，在不损失能量的情况下独立地对入射电磁波进行一定的改变，通过调节入射电磁波的反射方向，智能配置无线通信环境，增加信号可达路径数量，提高通信自由度，并且可以增强接收机处的期望信号功率，或者破坏性的消除信道干扰的不期望信号。也可以代替基站密集部署，具有可扩展的成本和低能耗。
目前RIS辅助通信系统多研究系统的信道估计、性能提升和安全通信等相关方向，已做了大量工作，但主要集中在单一RIS辅助通信的情况。对于双RIS或多RIS辅助无线通信系统的研究很少。而且大多数是针对多个单RIS辅助案例，未考虑级联RIS在辅助通信中的作用，这在实际应用中是不可避免的，比如，由于衰落或障碍物的存在、室内-室外通信以及偏远地区通信覆盖等问题，单个RIS反射链路可能无法通信；RIS与某一用户处于平行位置等特定场景。此外，对于级联RIS辅助通信系统可以解决现有单RIS辅助通信系统研究中存在的远距离覆盖和提高频谱效率的问题。
另一方面，目前仍缺乏可靠完善的传输理论基础、信道模型和系统模型，无法为RIS系统的传输方案设计提供有力的理论支撑。现有相关方案复杂度高、开销大、可行性受限。因此，首先需要一套完善可信的、综合考虑非理想因素(如RIS间的干扰问题)的实用性能评价体系。
综合来说，现有技术存在以下缺陷和不足：
1、对于单RIS辅助无线通信系统，在实际应用中往往存在不可预估的问题或者场景需求而无法成功通信；
2、对于双RIS或多RIS辅助MIMO系统中的RIS间除了传输信号外，还存在RIS间的信号干扰问题，影响了用户对信号的接收能力，使频谱效率降低。
发明内容
本发明的目的在于提供基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法及系统，以解决RIS间的信号干扰的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法，包括以下步骤：
构建双可重构智能表面的辅助MIMO系统，满足系统内基站到用户的直接信道以及单可重构智能表面RIS反射信道存在通信障碍；
以最大化系统可实现速率为优化目标，可重构智能表面RIS的相移矩阵为优化变量，发射端的发射功率以及可重构智能表面RIS相移矩阵为约束条件，设计含两个优化变量的优化模型；
将含两个优化变量的优化模型中的非凸问题转化为凸问题，对两个变量的优化模型进行交替优化迭代；
最终得到优化后两个可重构智能表面RIS的相移矩阵，实现多跳通信。
进一步的，双可重构智能表面的辅助MIMO系统具体包括基站、两个RIS以及单天线用户；基站、两个可重构智能表面RIS以及单天线用户依次连接，基站连接单天线用户。
进一步的，基站和远端单可重构智能表面RIS之间，单可重构智能表面RIS和单天线用户之间，以及基站和单天线用户之间均设置有障碍物、衰落为深衰落或通信距离远。
进一步的，优化模型具体表示为：
Figure BDA0003867639820000031
Figure BDA0003867639820000032
Figure BDA0003867639820000033
||ω||2≤Pmax
其中，SNR是系统信噪比；
Figure BDA0003867639820000034
和
Figure BDA0003867639820000035
表示两个RIS的相移矩阵；β＝1表示RIS无损反射，φmn(m＝1,2；n＝1,2,…,N)表示第m个RIS中第n个反射单元的相移，ω是预编码矩阵，Pmax表示发射端最大发射功率。
进一步的，系统信噪比：
Figure BDA0003867639820000036
其中，P为信号发射功率，
Figure BDA0003867639820000037
为下行信道信息，
Figure BDA0003867639820000038
表示RIS2与用户链路，G表示RIS1与RIS2的级联信道信息，
Figure BDA0003867639820000039
表示基站到RIS1信道。
进一步的，提出半定松弛算法松弛掉非凸约束，将非凸问题转化为凸问题，采用CVX工具求解该优化问题。
进一步的，采用半定松弛算法：引入新的变量
Figure BDA00038676398200000310
和
Figure BDA00038676398200000311
该变量的引入导致优化问题增加两个约束条件：Xm≥0,m＝1,2、rank(Xm)＝1,m＝1,2，所有X的列都是线性相关的，只有一个特征值
Figure BDA0003867639820000041
除了rank(Xm)＝1这个限制外，整个问题转变为一个凸问题，使用CVX求解。
进一步的，采用交替优化迭代算法：
1)假定已知一个优化变量为RIS1的相移矩阵变量X1，优化RIS2的相移矩阵变量X2；
2)根据1)中得到的RIS2优化后的相移矩阵变量X2，进一步优化RIS1的相移矩阵变量X1；
3)多次循坏得到相移矩阵变量X1和X2的次优解；
根据得到X1和X2的次优解，通过求解
Figure BDA0003867639820000042
m＝1,2问题求得φ1和φ2，即优化后的相移矩阵。
进一步的，基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化系统，包括：
系统构建模块，用于构建双可重构智能表面的辅助MIMO系统，满足系统内基站到用户的直接信道以及单可重构智能表面RIS反射信道存在通信障碍；
优化模型建立模块，用于以最大化系统可实现速率为优化目标，可重构智能表面RIS的相移矩阵为优化变量，发射端的发射功率以及可重构智能表面RIS相移矩阵为约束条件，设计含两个优化变量的优化模型；
优化模块，用于将含两个优化变量的优化模型中的非凸问题转化为凸问题，对两个变量的优化模型进行交替优化迭代；最终得到优化后两个可重构智能表面RIS的相移矩阵，实现多跳通信。
进一步的，一种计算机设备，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，所述处理器执行所述计算机程序时实现基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法的步骤。
进一步的，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法的步骤
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明设计的系统模型为双RIS辅助MIMO系统，在单RIS反射路径及直接链路无法完成通信时，需要借助两个RIS实现双RIS级联信道通信，由于RIS相移矩阵影响信道质量，则需要对其进行优化，有效减小了两个RIS间的干扰，提高经过两次RIS反射到达接收端传输的信号增益。针对RIS辅助通信系统在实际应用中可能存在的场景(如，直接链路或反射链路存在障碍物、基站数量少的超远距离传输覆盖或室内-室外通信等)，级联RIS多跳通信系统可以解决这一问题。
本发明对于级联RIS辅助通信系统，目前仍缺乏综合考虑非理想因素的实用性能评价体系的问题，该方法可以解决双RIS辅助MIMO系统中RIS间的干扰问题，优化两个RIS的相移矩阵，相比于未优化的相移矩阵，可以有效提升系统性能；
本发明对于含两个优化变量的优化问题难以求解的问题，采用半定松弛和交替优化算法可以有效求解；通过优化相移矩阵，用于解决多RIS辅助无线通信系统中存在多跳RIS通信时的RIS间的干扰问题，有效提升系统性能。
附图说明
图1是本发明设计的系统模型。
图2是本发明中针对优化后相移、未优化相移系统，对应反馈码本大小与系统可实现速率对比。
图3是本发明中针对优化后相移、未优化相移系统，对应系统信噪比与可实现速率对比。
图4为本发明流程图。
图5为本发明系统结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
本发明设计的系统模型为双RIS辅助MIMO系统，在单RIS反射路径及直接链路无法完成通信时，需要借助两个RIS实现双RIS级联信道通信，由于RIS相移矩阵影响信道质量，则需要对其进行优化，有效减小了两个RIS间的干扰，提高经过两次RIS反射到达接收端传输的信号增益。
如图1所示，包括一个基站、两个RIS、一个单天线的用户，基站和远端单可重构智能表面RIS之间，单可重构智能表面RIS和单天线用户之间，以及基站和单天线用户之间均设置有障碍物、衰落为深衰落或通信距离远。
在单RIS反射路径及直接链路无法完成通信时，如传输距离远时，即接收端接收到的信号无法达到接收阈值导致无法通信成功，这与信道的衰落系数以及接收阈值有关，此时需要借助两个RIS实现双RIS级联信道通信。
系统噪声服从复高斯分布
Figure BDA0003867639820000067
的加性高斯白噪声，不考虑直接信道以及单RIS反射信道，只考虑双RIS级联信道。以FDD系统为例，下行传输的信道状态信息通过用户通过码本反馈获得。据此，通过优化RIS相移矩阵解决双RIS辅助MIMO系统中RIS间的干扰问题。提出优化问题：以最大化系统可实现速率为优化目标，RIS的相移矩阵为优化变量，发射端的发射功率以及RIS相移矩阵为约束条件，设计含两个优化变量的优化问题。
Figure BDA0003867639820000061
Figure BDA0003867639820000062
Figure BDA0003867639820000063
||ω||2≤Pmax
其中，SNR是系统信噪比，
Figure BDA0003867639820000064
和
Figure BDA0003867639820000065
Figure BDA0003867639820000066
表示两个RIS的相移矩阵，β＝1表示RIS无损反射，φmn(m＝1,2；n＝1,2,…,N)表示第m个RIS中第n个反射单元的相移，ω是预编码矩阵，Pmax表示发射端最大发射功率。
Figure BDA0003867639820000071
其中，P为信号发射功率，
Figure BDA0003867639820000072
为下行信道信息，
Figure BDA0003867639820000073
表示RIS2与用户链路，G表示RIS1与RIS2的级联信道信息，
Figure BDA0003867639820000074
表示基站到RIS1信道。
解决上述含两个优化变量的非凸优化问题：
采用半定松弛算法；引入新的变量
Figure BDA0003867639820000075
和
Figure BDA0003867639820000076
该变量的引入导致优化问题增加两个约束条件：Xm≥0,m＝1,2、rank(Xm)＝1,m＝1,2(所有X的列都是线性相关的，只有一个特征值
Figure BDA0003867639820000077
)。除了rank(Xm)＝1这个限制外，整个问题转变为一个凸问题(可以使用CVX求解)；
采用交替优化算法：1)假定已知一个优化变量为RIS1的相移矩阵变量X1，优化RIS2的相移矩阵变量X2；2)根据1)中得到的RIS2优化后的相移矩阵变量X2，进一步优化RIS1的相移矩阵变量X1；3)多次循坏得到相移矩阵变量X1和X2的次优解；
根据上述两步得到X1和X2的次优解，通过求解
Figure BDA0003867639820000078
m＝1,2问题求得φ1和φ2，即优化后的相移矩阵。如图4所示。
图2通过仿真对比优化前后的相移矩阵，对应的反馈码本大小与系统可实现速率变化(以FDD系统为例)；
图3通过仿真对比优化前后的相移矩阵，系统对应的信噪比与系统可实现速率变化。从图中可以看出，对双RIS辅助MIMO系统，提出的相移优化方法对应的系统可实现速率高于未优化的相移情况。并且随着交替优化算法次数的增加以及信噪比的增大，系统可实现速率进一步增加。验证了本发明提出的相移优化方法的有效性。
本发明再一实施例中，提供一种基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化系统，能够用于实现上述的基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化的方法，具体的，如图5所示，该系统包括：
系统构建模块，用于构建双可重构智能表面的辅助MIMO系统，满足系统内基站到用户的直接信道以及单可重构智能表面RIS反射信道存在通信障碍；
优化模型建立模块，用于以最大化系统可实现速率为优化目标，可重构智能表面RIS的相移矩阵为优化变量，发射端的发射功率以及可重构智能表面RIS相移矩阵为约束条件，设计含两个优化变量的优化模型；
优化模块，用于将含两个优化变量的优化模型中的非凸问题转化为凸问题，对两个变量的优化模型进行交替优化迭代；最终得到优化后两个可重构智能表面RIS的相移矩阵，实现多跳通信。
本发明实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理器中，也可以是单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
本发明再一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，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，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法的操作。
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法的相应步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建双可重构智能表面RIS的辅助MIMO系统，满足系统内基站到用户的直接信道以及单可重构智能表面RIS反射信道存在通信障碍；
以最大化双RIS辅助MIMO系统可实现速率为优化目标，可重构智能表面RIS的相移矩阵为优化变量，双RIS辅助MIMO系统发射端的发射功率以及可重构智能表面RIS相移矩阵为约束条件，设计含两个优化变量的优化模型；
将含两个优化变量的优化模型中的非凸问题转化为凸问题，对两个变量的优化模型进行交替优化迭代；
最终得到优化后两个可重构智能表面RIS的相移矩阵，实现双RIS级联信道通信。
2.根据权利要求1所述的基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法，其特征在于，双可重构智能表面的辅助MIMO系统具体包括基站、两个RIS以及单天线用户；基站、两个可重构智能表面RIS以及单天线用户依次连接，基站连接单天线用户。
3.根据权利要求2所述的基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法，其特征在于，基站和远端单可重构智能表面RIS之间，单可重构智能表面RIS和单天线用户之间，以及基站和单天线用户之间均设置有障碍物、衰落为深衰落或通信距离远，距离远定义为：接收端接收到的信号无法达到接收阈值导致无法通信成功。
4.根据权利要求1所述的基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法，其特征在于，优化模型具体表示为：
Figure FDA0003867639810000011
Figure FDA0003867639810000012
Figure FDA0003867639810000013
||ω||2≤Pmax
其中，SNR是系统信噪比；
Figure FDA0003867639810000021
和
Figure FDA0003867639810000022
表示两个RIS的相移矩阵；β＝1表示RIS无损反射，φmn(m＝1,2；n＝1,2,…,N)表示第m个RIS中第n个反射单元的相移，ω是预编码矩阵，Pmax表示发射端最大发射功率。
5.根据权利要求4所述的基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法，其特征在于，系统信噪比：
Figure FDA0003867639810000023
其中，P为信号发射功率，
Figure FDA0003867639810000024
为下行信道信息，
Figure FDA0003867639810000025
表示RIS2与用户链路，G表示RIS1与RIS2的级联信道信息，
Figure FDA0003867639810000026
表示基站到RIS1信道。
6.根据权利要求1所述的基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法，其特征在于，提出半定松弛算法松弛掉非凸约束，将非凸问题转化为凸问题，采用CVX工具求解该优化问题；
采用半定松弛算法：引入新的变量
Figure FDA0003867639810000027
和
Figure FDA0003867639810000028
该变量的引入导致优化问题增加两个约束条件：Xm≥0,m＝1,2、rank(Xm)＝1,m＝1,2，所有X的列都是线性相关的，只有一个特征值
Figure FDA0003867639810000029
除了rank(Xm)＝1这个限制外，整个问题转变为一个凸问题，使用CVX求解。
7.根据权利要求1所述的基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法，其特征在于，采用交替优化迭代算法：
1)假定已知一个优化变量为RIS1的相移矩阵变量X1，优化RIS2的相移矩阵变量X2；
2)根据1)中得到的RIS2优化后的相移矩阵变量X2，进一步优化RIS1的相移矩阵变量X1；
3)多次循坏得到相移矩阵变量X1和X2的次优解；
根据得到X1和X2的次优解，通过求解
Figure FDA00038676398100000210
问题求得φ1和φ2，即优化后的相移矩阵。
8.基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化系统，其特征在于，包括：
系统构建模块，用于构建双可重构智能表面的辅助MIMO系统，满足系统内基站到用户的直接信道以及单可重构智能表面RIS反射信道存在通信障碍；
优化模型建立模块，用于以最大化系统可实现速率为优化目标，可重构智能表面RIS的相移矩阵为优化变量，发射端的发射功率以及可重构智能表面RIS相移矩阵为约束条件，设计含两个优化变量的优化模型；
优化模块，用于将含两个优化变量的优化模型中的非凸问题转化为凸问题，对两个变量的优化模型进行交替优化迭代；最终得到优化后两个可重构智能表面RIS的相移矩阵，实现多跳通信。
9.一种计算机设备，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至7任一项所述基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法的步骤。
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