CN116546531B - 一种双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法 - Google Patents

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CN116546531B CN202310823500.4A CN202310823500A CN116546531B CN 116546531 B CN116546531 B CN 116546531B CN 202310823500 A CN202310823500 A CN 202310823500A CN 116546531 B CN116546531 B CN 116546531B
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Abstract

本发明公开了一种双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法，应用于无线通信系统。该系统包括一个源节点、一个目的节点以及两个可重构智能表面。为了实现源节点到目的节点信息传输的能量效率提升，提出了双可重构智能表面辅助的源节点信号发射功率与相移反射矩阵联合优化方法。具体来说，本发明以源节点发射功率为约束，构建了源节点到目的节点信息传输的能量效率最大化问题。考虑到该优化问题的发射功率与相移反射矩阵变量相互耦合，将所构建的传输能量效率最大化问题分解为三个子问题，提出一种交替优化迭代算法求解联合优化问题。相比于传统单可重构智能表面辅助传输方案，本发明显著提高了无线通信系统的传输能量效率。

Description

一种双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法。
背景技术
为满足新一代无线网络的接入服务质量要求，无线传输逐渐使用更高频段的频谱资源，然而高频率的电磁波存在衰减大、绕射能力弱、覆盖范围小等缺点。可重构智能表面（RIS, Reconfigurable Intelligent Surface）能够通过集成在平面表面上的大量低成本无源元件重新进行无线传播环境的配置，从而显著提升无线系统传输的性能。在可重构智能表面中，每个单元可以单独控制反射信号的幅度和相位，从而形成十分细致的无源波束赋形，用于定向信号的增强或削弱。
现有的大多数可重构智能表面研究工作都集中在具有一个或多个互不干扰可重构智能表面的各种系统中的波束成形参数设计和性能优化。具体来说，在覆盖范围内每个可重构智能表面仅通过单反射链路独立地为其相关目的节点提供服务。这种情况不需要考虑多个可重构智能表面之间的信号交互或协作关系，简化了相移反射矩阵设计。然而，尤其重要的是，当部署多个可重构智能表面以增强无线传输性能时，由于可重构智能表面间信道很可能对整体传输系统性能产生极大影响，这种参数设计方法通常无法实现最优性能，使得无线传输系统的性能较低。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高无线传输系统的性能的双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法。
一种双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法，应用于无线通信系统，所述无线通信系统包括一个源节点S、一个目的节点D、靠近目的节点的可重构智能表面RIS1和靠近源节点的可重构智能表面 RIS2，其中，源节点与目的节点配备单天线，RIS i 的反射单元个数记为，/>，其特征在于，所述方法包括：
获取源节点到目的节点间的各链路的信道状态信息，得到总信道状态信息；
基于所述总信道状态信息分析源节点到目的节点的信息传输可达速率；
构建源节点发射功率受限的能量效率最大化问题；
将所述能量效率最大化问题分解为三个子问题；
对三个子问题进行交替优化，获得最终的优化结果；
根据最终的优化结果，调节可重构智能表面RIS1的相移、可重构智能表面 RIS2的相移以及调节源节点S的信号发射功率，实现无线通信系统传输能量效率最大化；
所述能量效率最大化问题表示为：
，
，
；
其中，表示RIS i 相移反射向量，/>，/>表示自然常数，/>表示虚数单位，/>表示RIS i 第/>个单元的相移反射系数，/>，表示源节点基础电路功耗，/>表示RIS电路总功耗，/>，/>表示每个反射单元的平均功耗，/>表示最大信号发射功率，/>表示源节点信号发射功率，/>表示源节点到目的节点的信息传输可达速率。
在其中一个实施例中，所述总信道状态信息的表达式为：
；
其中，表示RIS i 相移反射矩阵，/>，/>，表示对角矩阵；/>表示源节点S到可重构智能表面 RIS2链路的信道状态信息向量，/>，/>表示/>的第/>个元素，/>，/>表示RIS2的反射单元个数，/>表示共轭转置；/>表示可重构智能表面RIS1到可重构智能表面 RIS2链路的信道状态信息矩阵，/>，其中，/>为/>阶列向量，/>表示RIS1的反射单元个数；/>表示可重构智能表面RIS1到目的节点D链路的信道状态信息向量，/>，/>表示/>的第/>个元素，/>；表示源节点S到可重构智能表面RIS1链路的信道状态信息向量，，/>表示/>的第/>个元素；/>表示可重构智能表面 RIS2到目的节点D链路的信道状态信息向量，/>，/>表示/>的第个元素；/>表示源节点S到目的节点D链路的信道状态信息。
在其中一个实施例中，所述基于所述总信道状态信息分析源节点到目的节点的信息传输可达速率的表达式为：
；
其中，表示噪声功率。
在其中一个实施例中，所述将所述能量效率最大化问题分解为三个子问题，包括：
给定、/>，总信道状态信息表示为：
；
其中，表示共轭；
令，/>，构建子优化问题一，子优化问题一的表达式为：
，
；
其中，由绝对值三角不等式得，当且仅当时等号成立，则子优化问题一的RIS2相移反射向量最优解/>为；
给定、/>，总信道状态信息表示为：
；
令，/>，构建子优化问题二，子优化问题二的表达式为：
，
；
其中，由绝对值三角不等式得，当且仅当时等号成立，则子优化问题二的RIS1相移反射向量最优解/>为；
给定、/>，引入最优传输能量效率/>，最优传输能量效率/>表达式为：
；
利用Dinkelbach方法将所述能量效率最大化问题的目标函数转化为减式，构建子优化问题三，子优化问题三的表达式为：
，
其中，表示每次给定传输能量效率/>时子优化问题三的最大值；
求解子优化问题三获得源节点的信号发射功率最优解：
利用对数相减性质，将子优化问题三的目标函数转化为，得到转化后的子优化问题三，转化后的子优化问题三的表达式为：
，
；
对求一阶导数/>得：
其中，令，则驻点/>，当/>时，；当/>时，/>；
对求二阶导数/>得：
其中，点处的二阶导数/>，/>为极大值，因此，当/>时，子优化问题三的源节点的信号发射功率最优解/>；当/>时，子优化问题三的源节点的信号发射功率最优解/>。
在其中一个实施例中，以第n次迭代优化后的子优化问题三的最优解为、子优化问题二的最优解为/>和子优化问题一的最优解为/>，所述对三个子问题进行交替优化的方式为：
步骤1，根据和/>，求解子优化问题一得到第n+1次迭代优化的子优化问题一的最优解/>；
步骤2，根据和/>，求解子优化问题二得到第n+1次迭代优化的子优化问题二的最优解/>；
步骤3，根据和/>，求解子优化问题三得到第n+1次迭代优化的子优化问题三的最优解/>；
返回步骤1继续交替优化，直至所述能量效率最大化问题的变化值小于阈值，完成交替优化过程，输出最后一次迭代优化的子优化问题一的RIS2相移反射向量最优解、子优化问题二的RIS1相移反射向量最优解/>和子优化问题三的源节点的信号发射功率最优解/>作为最终的优化结果。
上述双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法，通过获取源节点到目的节点间的各链路的信道状态信息，得到总信道状态信息，基于所述总信道状态信息分析源节点到目的节点的信息传输可达速率，构建源节点发射功率受限的能量效率最大化问题，将所述能量效率最大化问题分解为三个子问题，对三个子问题进行交替优化，获得最终的优化结果，根据最终的优化结果，调节可重构智能表面RIS1的相移、可重构智能表面 RIS2的相移以及调节源节点S的信号发射功率，以实现无线通信系统传输能量效率最大化，提高了无线传输系统的性能。
附图说明
图1为一个实施例中无线通信系统结构示意图；
图2为一个实施例中双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法的流程示意图；
图3为本发明与传统的单可重构智能表面辅助传输方案以及随机相移方案仿真对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在一个实施例中，提供了一种双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法，应用于如图1所示的无线通信系统，无线通信系统包括一个源节点S、一个目的节点D、靠近目的节点的可重构智能表面RIS1和靠近源节点的可重构智能表面 RIS2，其中，源节点与目的节点配备单天线，RIS i 的反射单元个数记为，/>，如图2所示，该双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法包括以下步骤：
步骤S220，获取源节点到目的节点间的各链路的信道状态信息，得到总信道状态信息。
在一个实施例中，总信道状态信息的表达式为：
；
其中，表示RIS i 相移反射矩阵，/>，/>，表示对角矩阵；/>表示自然常数，/>表示虚数单位，/>表示RIS i 第/>个单元的相移反射系数，/>；/>表示源节点S到可重构智能表面 RIS2链路的信道状态信息向量，/>，/>表示/>的第/>个元素，/>，表示RIS2的反射单元个数，/>表示共轭转置；/>表示可重构智能表面RIS1到可重构智能表面 RIS2链路的信道状态信息矩阵，/>，其中，/>为阶列向量，/>表示RIS1的反射单元个数；/>表示可重构智能表面RIS1到目的节点D链路的信道状态信息向量，/>，/>表示/>的第/>个元素，；/>表示源节点S到可重构智能表面RIS1链路的信道状态信息向量，，/>表示/>的第/>个元素；/>表示可重构智能表面 RIS2到目的节点D链路的信道状态信息向量，/>，/>表示/>的第个元素；/>表示源节点S到目的节点D链路的信道状态信息。
步骤S240，基于总信道状态信息分析源节点到目的节点的信息传输可达速率。
其中，目的节点接收到的信号可以表示为：
；
其中，表示源节点信号发射功率，/>表示总信道状态信息，/>表示归一化发射信号，满足/>，/>表示数学期望，/>表示目的节点处的加性高斯白噪声，，/>表示噪声功率。
根据目的节点接收到的信号，可以得到信息传输可达速率/>。
在一个实施例中，基于总信道状态信息分析源节点到目的节点的信息传输可达速率的表达式为：
。
步骤S260，构建源节点发射功率受限的能量效率最大化问题。
其中，能量效率最大化问题表示为：
，
，
；
其中，表示RIS i 相移反射向量，/>，/>表示源节点基础电路功耗，/>表示RIS电路总功耗，/>，/>表示每个反射单元的平均功耗，/>表示最大信号发射功率。
步骤S280，将能量效率最大化问题分解为三个子问题。
其中，每次给定 、/>和/>中的两个，将优化问题分解为三个子问题，利用Dinkelbach方法可以求解信号发射功率/>的准闭式解，利用相位对齐方法可以求解相移反射矩阵/>和/>的闭式解。
在一个实施例中，将能量效率最大化问题分解为三个子问题，包括：
给定、/>，总信道状态信息表示为：
；
其中，表示共轭；
令，/>，构建子优化问题一，子优化问题一的表达式为：
，
；
其中，由绝对值三角不等式得，当且仅当时等号成立，则子优化问题一的RIS2相移反射向量最优解/>为；
给定、/>，总信道状态信息表示为：
；
令，/>，构建子优化问题二，子优化问题二的表达式为：
，
；
其中，由绝对值三角不等式得，当且仅当时等号成立，则子优化问题二的RIS1相移反射向量最优解/>为；
给定、/>，引入最优传输能量效率/>，最优传输能量效率/>表达式为：
；
利用Dinkelbach方法将所述能量效率最大化问题的目标函数转化为减式，构建子优化问题三，子优化问题三的表达式为：
，
其中，表示每次给定传输能量效率/>时子优化问题三的最大值；
求解子优化问题三获得源节点的信号发射功率最优解：
利用对数相减性质，将子优化问题三的目标函数转化为，得到转化后的子优化问题三，转化后的子优化问题三的表达式为：
，
；
对求一阶导数/>得：
其中，令，则驻点/>，当/>时，；当/>时，/>；
对求二阶导数/>得：
其中，点处的二阶导数/>，/>为极大值，因此，当/>时，子优化问题三的源节点的信号发射功率最优解/>；当/>时，子优化问题三的源节点的信号发射功率最优解/>。
步骤S300，对三个子问题进行交替优化，获得最终的优化结果。
在一个实施例中，以第n次迭代优化后的子优化问题三的最优解为、子优化问题二的最优解为/>和子优化问题一的最优解为/>，所述对三个子问题进行交替优化的方式为：
步骤1，根据和/>，求解子优化问题一得到第n+1次迭代优化的子优化问题一的最优解/>；
步骤2，根据和/>，求解子优化问题二得到第n+1次迭代优化的子优化问题二的最优解/>；
步骤3，根据和/>，求解子优化问题三得到第n+1次迭代优化的子优化问题三的最优解/>；
返回步骤1继续交替优化，直至所述能量效率最大化问题的变化值小于阈值，完成交替优化过程，输出最后一次迭代优化的子优化问题一的RIS2相移反射向量最优解、子优化问题二的RIS1相移反射向量最优解/>和子优化问题三的源节点的信号发射功率最优解/>作为最终的优化结果。
步骤S320，根据最终的优化结果，调节可重构智能表面RIS1的相移、可重构智能表面 RIS2的相移以及调节源节点S的信号发射功率，实现无线通信系统传输能量效率最大化。
其中，根据最后一次迭代优化的子优化问题一的RIS2相移反射向量最优解调节可重构智能表面 RIS2的相移；根据最后一次迭代优化的子优化问题二的RIS1相移反射向量最优解/>调节可重构智能表面RIS1的相移，根据最后一次迭代优化的子优化问题三的源节点的信号发射功率最优解/>调节源节点S的信号发射功率。
上述双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法，通过获取源节点到目的节点间的各链路的信道状态信息，得到总信道状态信息，基于总信道状态信息分析源节点到目的节点的信息传输可达速率，构建源节点发射功率受限的能量效率最大化问题，将能量效率最大化问题分解为三个子问题，对三个子问题进行交替优化，获得最终的优化结果，根据最终的优化结果，调节可重构智能表面RIS1的相移、可重构智能表面 RIS2的相移以及调节源节点S的信号发射功率，以实现无线通信系统传输能量效率最大化，提高了无线传输系统的性能。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：
通过MATLAB仿真实现本发明的双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法，无线通信系统的模型图坐标单位为米（m），设定源节点坐标（1m, 0m），RIS2坐标（0m,0m），RIS1坐标（0m, 50m），目的节点坐标（1m, 50m），源节点到目的节点间所有信道均服从方差为1的莱斯分布，目的节点噪声功率，可重构智能表面总单元数且/>，源节点基础电路功耗为/>，每个反射单元的平均功耗为/>。
如图3所示的本发明的双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法与传统的单可重构智能表面RIS1辅助传输方案、单可重构智能表面RIS2辅助传输方案以及随机相移方案仿真对比图。当最大信号发射功率在/>范围内时，采用本发明的双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法对无线传输能量效率优化后，能量效率性能随着/>的增加而得到改善，这意味着本发明的双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法可在全发射功率条件下实现最大能量效率。然而，随着/>继续增加，能量效率趋于一个常数。这是因为当达到能量效率性能峰值后，即使给定的/>不断增大，但通信系统不会消耗更多的功率发射信号。单可重构智能表面RIS2辅助传输方案中，不存在RIS1与其相关路径，单可重构智能表面RIS1辅助传输方案中/>，不存在RIS2与其相关路径，其余对应参数均与本发明的双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法中的相同。随机相移方案在仿真中随机给定/>、/>相位，只对/>进行优化。
从图3可知，在可重构智能表面单元总数相同时，本发明的双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法所取得的能量效率高于传统的单可重构智能表面RIS1辅助传输方案、单可重构智能表面RIS2辅助传输方案以及随机相移方案，说明本发明的双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法通过有效平衡源节点与目的节点之间的单反射和双反射链路，充分利用可重构智能表面之间存在的乘法波束成形增益进一步提高了通信系统传输的能量效率。此外，从图3中可知，传统的单可重构智能表面RIS1辅助传输方案和单可重构智能表面RIS2辅助传输方案的能量效率随最大信号发射功率的变化情况，传统的单可重构智能表面RIS1辅助传输方案和单可重构智能表面RIS2辅助传输方案的两条性能曲线近乎重合，说明当只存在单个可重构智能表面时，靠近目的节点的单可重构智能表面RIS1辅助传输方案与靠近源节点的单可重构智能表面RIS2辅助传输方案对通信系统传输能量效率的提升起到的效果一致。
应该理解的是，虽然图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法，应用于无线通信系统，所述无线通信系统包括一个源节点S、一个目的节点D、靠近目的节点的可重构智能表面RIS1和靠近源节点的可重构智能表面RIS2，其中，源节点与目的节点配备单天线，RISi的反射单元个数记为Mi，i∈{1,2}，其特征在于，所述方法包括：
获取源节点到目的节点间的各链路的信道状态信息，得到总信道状态信息；
基于所述总信道状态信息分析源节点到目的节点的信息传输可达速率；
构建源节点发射功率受限的能量效率最大化问题；
将所述能量效率最大化问题分解为三个子问题；
对三个子问题进行交替优化，获得最终的优化结果；
根据最终的优化结果，调节可重构智能表面RIS1的相移、可重构智能表面RIS2的相移以及调节源节点S的信号发射功率，实现无线通信系统传输能量效率最大化；
所述能量效率最大化问题表示为：
s.t.0≤P≤Pmax，
其中，θi表示RISi相移反射向量，e表示自然常数，j表示虚数单位，/>表示RISi第mi个单元的相移反射系数，mi∈{1,...,Mi}，Pb表示源节点基础电路功耗，PR表示RIS电路总功耗，/> 表示每个反射单元的平均功耗，Pmax表示最大信号发射功率，P表示源节点信号发射功率，RU表示源节点到目的节点的信息传输可达速率；
所述总信道状态信息hU的表达式为：
其中，Φi表示RISi相移反射矩阵，diag(.)表示对角矩阵；g2表示源节点S到可重构智能表面RIS2链路的信道状态信息向量， 表示g2的第m2个元素，m2∈{1,...,M2}，M2表示RIS2的反射单元个数，(.)H表示共轭转置；Hc表示可重构智能表面RIS1到可重构智能表面RIS2链路的信道状态信息矩阵，/>其中，/>为M1阶列向量，M1表示RIS1的反射单元个数；h1表示可重构智能表面RIS1到目的节点D链路的信道状态信息向量， 表示h1的第m1个元素，m1∈{1,...,M1}；g1表示源节点S到可重构智能表面RIS1链路的信道状态信息向量，/> 表示g1的第m1个元素；h2表示可重构智能表面RIS2到目的节点D链路的信道状态信息向量， 表示h2的第m2个元素；hd表示源节点S到目的节点D链路的信道状态信息；
所述基于所述总信道状态信息分析源节点到目的节点的信息传输可达速率RU的表达式为：
其中，σ2表示噪声功率；
所述将所述能量效率最大化问题分解为三个子问题，包括：
给定P、θ1，总信道状态信息表示为：
其中，表示共轭；
令构建子优化问题一，子优化问题一的表达式为：
其中，由绝对值三角不等式得当且仅当/>时等号成立，则子优化问题一的RIS2相移反射向量最优解/>为/>
给定P、θ2，总信道状态信息表示为：
令构建子优化问题二，子优化问题二的表达式为：
其中，由绝对值三角不等式得当且仅当/>时等号成立，则子优化问题二的RIS1相移反射向量最优解/>为/>
给定θ1、θ2，引入最优传输能量效率最优传输能量效率/>表达式为：
利用Dinkelbach方法将所述能量效率最大化问题的目标函数转化为减式，构建子优化问题三，子优化问题三的表达式为：
s.t.0≤P≤Pmax；
其中，f(ηEE)表示每次给定传输能量效率ηEE时子优化问题三的最大值；
求解子优化问题三获得源节点的信号发射功率最优解：
利用对数相减性质，将子优化问题三的目标函数RU-ηEE(P+Pb+PR)转化为得到转化后的子优化问题三，转化后的子优化问题三的表达式为：
s.t.0≤P≤Pmax；
对ξ(P)求一阶导数ξ'(P)得：
其中，令ξ'(P)＝0，则驻点当0≤P＜P0时，ξ'(P)＞0；当P＞P0时，ξ'(P)＜0；
对ξ(P)求二阶导数ξ”(P)得：
其中，点P0处的二阶导数ξ”(P0)＜0，ξ(P0)为极大值，因此，当P0＜Pmax时，子优化问题三的源节点的信号发射功率最优解P*＝P0；当P0＞Pmax时，子优化问题三的源节点的信号发射功率最优解P*＝Pmax。
2.根据权利要求1所述的双可重构智能表面辅助的无线传输能量效率优化方法，其特征在于，以第n次迭代优化后的子优化问题三的最优解为P(n)、子优化问题二的最优解为和子优化问题一的最优解为/>所述对三个子问题进行交替优化的方式为：
步骤1，根据P(n)和求解子优化问题一得到第n+1次迭代优化的子优化问题一的最优解/>
步骤2，根据P(n)和求解子优化问题二得到第n+1次迭代优化的子优化问题二的最优解/>
步骤3，根据和/>求解子优化问题三得到第n+1次迭代优化的子优化问题三的最优解P(n+1)；
返回步骤1继续交替优化，直至所述能量效率最大化问题的变化值小于阈值，完成交替优化过程，输出最后一次迭代优化的子优化问题一的RIS2相移反射向量最优解子优化问题二的RIS1相移反射向量最优解/>和子优化问题三的源节点的信号发射功率最优解P(k)作为最终的优化结果。
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