CN116074163A - 一种基于公平性的智能反射表面选择辅助传输系统用户选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于公平性的智能反射表面选择辅助传输系统用户选择方法，系统利用智能反射表面(Intelligent Reflection Surface，IRS)进行辅助通信，通过对于用户的选择，在兼顾公平性的基础上，提升系统的资源利用率。系统在运行时，根据信道状态信息、用户历史通信情况选定给定用户，然后发送端给IRS发送信号，并由IRS反射给选定用户接收。利用本发明，可以在兼顾公平性前提下提升系统容量。

Description

一种基于公平性的智能反射表面选择辅助传输系统用户选择方法
技术领域
本发明涉及一种基于智能反射表面的信号传输方法，尤其考虑基于不同用户不同的传输条件进行选择，从而提升系统的传输性能。
背景技术
智能反射表面(IRS)能够在不消耗功率前提下有效提升无线信道传输质量，被视为6G热门候选技术。它由大量的低复杂度的、低成本的无源反射元件在平面上组合而成的，是一种能够智能配置无线环境的表面，结构简单，成本低廉并且适合大规模部署。IRS采用被动反射信号的工作方式，通过控制电路调整反射单元的结构、改变反射系数，从而调控反射波束的方向和强度，该技术也被称为被动波束赋形。与传统中继相比，IRS结构简单、功耗极小且易于部署。通过反射信号进行辅助传输，IRS可以有效改善信号质量，因此能够有效解决无线通信的高速传输、广域覆盖等问题。
发明内容
本发明的目的在于给出一种IRS辅助无线通信系统中能够兼顾传输效率和公平性的用户选择方法。本发明要解决的技术问题为：在大量用户需要依赖IRS和基站进行传输的场景下，如何有效的选择传输的用户。和传统方法相比，该方法兼顾传输效率和公平性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于公平性的智能反射表面选择辅助传输系统用户选择方法，无线通信系统由一个基站BS、一个IRS和若干用户三部分组成。IRS具有N个反射单元，位于基站和用户之间，用于辅助通信。基站和用户都配有单天线，在基站距离用户较远或者有障碍的情况下，只能通过中间的IRS辅助进行传输。
用户端除了接收噪声，同时受到周围同频率小区的共道干扰，因此，第i个用户处的瞬时接收信号可以表示为
Figure BDA0004025440940000011
其中，等式右端依次代表的是期望信号，聚合干扰和高斯噪声，其中s是BS的发射信号，P是BS的平均发射功率，δ是路径衰减指数，N是IRS反射单元的个数，dSI和dID,i分别代表基站BS到IRS和IRS到第i个用户的距离，n是第i个用户处产生的均值为零功率为
Figure BDA0004025440940000024
的高斯白噪声。Φj是IRS第j个反射单元产生的可调相位，hj和gi,j分别表示BS到第j个IRS反射单元的信道和第j个IRS反射单元到第i个用户D的信道，其中|hj|＝αj，|gi,j|＝βi，各自的αi，βi表示服从独立分布的瑞利衰落信道幅度，hCCI,i是第i个用户的聚合干扰信道，sI,i表示第i个用户的聚合干扰信号。IRS反射单元的可调相位Φj设定为抵消信道hi的相位φi、信道gi的相位θi的影响，得到最优的IRS传输效果。基于用户D处的瞬时接收信号公式，可以得到在D处瞬时信干噪比(SINR)为
Figure BDA0004025440940000021
根据香农容量公式，可以得到第i个用户单独传输时的系统容量
Figure BDA0004025440940000022
为了最大化系统容量，需要对所要传输的用户进行合理的选择，具体包括以下步骤
步骤一，基站、IRS、用户三者进行协作信道估计，估计三者之间的信道情况；
步骤二，根据信道估计情况，按照
Figure BDA0004025440940000023
计算每个用户单独传输时的容量，其中P表示基站发射功率，dSI和dID,i分别表示基站到IRS的距离以及IRS到第i个用户的距离，δ表示衰落因子，αj和βi,j分别表示基站到IRS第j个反射单元的信道幅值和IRS第j个反射单元到第i个用户的信道幅值，hCCI,i表示聚合干扰信道，
Figure BDA0004025440940000031
表示第i个用户的接收噪声方差。
步骤三，根据基站、IRS、用户的位置关系以及三者之间的信道，根据
Figure BDA0004025440940000032
选择第
Figure BDA0004025440940000033
个用户进行传输，其中Ci表示第i个用户的单独传输的容量，α表示权重因子，Ti表示第i个用户等待时间；当α取值接近0时，Ci作为用户选择的主要参考依据，此时用户选择更加注重传输效率，随着α取值增大，用户等待时间逐渐成为选择用户的主要参考依据，此时用户选择更加注重公平性。
步骤四，根据第
Figure BDA0004025440940000034
个用户的信道调整IRS的反射角度，使得IRS每个单元的角度刚好等于其两端信道复平面角度的相反数；
步骤五，基站向IRS发送信号，IRS的每个单元根据设定角度对信号进行反射，第
Figure BDA0004025440940000035
个用户接收来自IRS反射的信号。
与现有技术相比，本发明在大量用户需要依赖IRS和基站进行传输的场景下，在进行用户选择时能够同时兼顾传输效率和公平性。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图。
图2为本发明方法流程图。
图3为本发明方法与传统方法的系统容量对比图。
图4为本发明方法与传统方法的用户公平性对比图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
如图1所示，一种基于公平性的智能反射表面选择辅助传输系统用户选择方法，该无线通信系统由一个基站、一个IRS和若干用户三部分组成。IRS具有N个反射单元，位于基站和用户之间，用于辅助通信。基站和用户都配有单天线，在基站距离用户较远或者有障碍的情况下，只能通过中间的IRS辅助进行传输。
用户端除了接收,噪声，同时受到周围同频率小区的共道干扰。为了最大化系统容量，需要对所要传输的用户进行合理的选择，具体包括如图2所示的步骤：
步骤一，基站、IRS、用户三者进行协作信道估计，估计三者之间的信道情况；
步骤二，根据信道估计情况，按照
Figure BDA0004025440940000041
计算每个用户单独传输时的容量，其中P表示基站发射功率，dSI和dID,i分别表示基站到IRS的距离以及IRS到第i个用户的距离，δ表示衰落因子，αj和βi,j分别表示基站到IRS第j个反射单元的信道幅值和IRS第j个反射单元到第i个用户的信道幅值，hCCI,i表示聚合干扰信道，
Figure BDA0004025440940000042
表示第i个用户的接收噪声方差。
步骤三，根据基站、IRS、用户的位置关系以及三者之间的信道，根据
Figure BDA0004025440940000043
选择第
Figure BDA0004025440940000044
个用户进行传输，其中Ci表示第i个用户的单独传输的容量，α表示权重因子，Ti表示第i个用户等待时间；
步骤四，根据第
Figure BDA0004025440940000045
个用户的信道调整IRS的反射角度，使得IRS每个单元的角度刚好等于其两端信道复平面角度的相反数；
步骤五，基站向IRS发送信号，IRS的每个单元根据设定角度对信号进行反射，第
Figure BDA0004025440940000046
个用户接收来自IRS反射的信号。
图3和图4给出了本发明所述方法与传统方法的性能对比。图3比较了本发明与传统方法的系统容量，可以看出，本发明所述方法得到的系统容量介于容量最优选择与随机选择之间。图4比较了本发明与传统方法的用户服务概率，可以看出，本发明所述方法得到的用户服务概率也是介于容量最优选择与随机选择之间。需要指出的是，通过调节权重因子大小，本发明可以实现在容量最优与完全公平之间平滑过渡，实现不同的系统需求。

Claims (1)

1.一种基于公平性的智能反射表面选择辅助传输系统用户选择方法，其特征在于，无线通信系统由一个基站、一个IRS和若干用户三部分组成，IRS具有N个反射单元，位于基站和用户之间，用于辅助通信，基站和用户都配有单天线，在基站距离用户较远或者有障碍的情况下，只能通过中间的IRS辅助进行传输；
用户端除了接收噪声，同时受到周围同频率小区的共道干扰，为了最大化系统容量，需要对所要传输的用户进行合理的选择，具体包括以下步骤：
步骤一，基站、IRS、用户三者进行协作信道估计，估计三者之间的信道情况；
步骤二，根据信道估计情况，按照
Figure FDA0004025440930000011
计算每个用户单独传输时的容量，其中P表示基站发射功率，dSI和dID,i分别表示基站到IRS的距离以及IRS到第i个用户的距离，δ表示衰落因子，αj和βi,j分别表示基站到IRS第j个反射单元的信道幅值和IRS第j个反射单元到第i个用户的信道幅值，hCCI,i表示聚合干扰信道，
Figure FDA0004025440930000012
表示第i个用户的接收噪声方差；
步骤三，根据基站、IRS、用户的位置关系以及三者之间的信道，根据
Figure FDA0004025440930000013
选择第
Figure FDA0004025440930000014
个用户进行传输，其中Ci表示第i个用户的单独传输的容量，α表示权重因子，Ti表示第i个用户等待时间；
步骤四，根据第
Figure FDA0004025440930000015
个用户的信道调整IRS的反射角度，使得IRS每个单元的角度刚好等于其两端信道复平面角度的相反数；
步骤五，基站向IRS发送信号，IRS的每个单元根据设定角度对信号进行反射，第
Figure FDA0004025440930000016
个用户接收来自IRS反射的信号。
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