CN116865798B - 高速铁路去蜂窝大规模mimo系统的智能超表面相移方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高速铁路去蜂窝大规模MIMO系统的智能超表面相移方法,包括以下步骤:构建RIS赋能的高速铁路去蜂窝大规模MIMO网络;计算每个接入点AP到车载移动中继MR的等效信道以及车载移动中继MR处的信噪比和系统的可达速率;当相移矩阵固定时,采用最大比传输方法获得使车载移动中继MR可达速率最大化的最优波束赋形向量;并基于PPO的RIS相移设计方案,在PPO算法模型中包含有两个神经网络:Actor网络和Critic网络,且PPO算法是通过构造Actor网络的损失函数来提高决策能力。本发明可以更低的运行时间实现高效的可达速率,实现高速铁路环境的实时决策,为高速铁路移动通信的发展提供强有力的支撑。

Description

高速铁路去蜂窝大规模MIMO系统的智能超表面相移方法
技术领域
本发明涉及一种无线移动通信方法,具体地说是一种高速铁路去蜂窝大规模MIMO系统的智能超表面相移方法。
背景技术
随着智能铁路的发展,对高速铁路网络的数据传输速率也就提出了更高的要求。然而,高速铁路网络的频繁切换现象严重制约着数据传输速率性能。在此背景下,去蜂窝大规模多输入多输出(MIMO)技术构建了以用户为中心的传输设计,使多个随机分布的接入点(AP)能够在没有小区边界的情况下联合地服务于网络中的所有用户。因此,将去蜂窝大规模MIMO应用到高速铁路场景中,可以规避网络频繁切换的问题,增加高速铁路的网络覆盖,并提高数据传输速率。
而智能超表面(RIS)由于具备调控无线电信号传播的能力,因此受到了工业界和学术界的广泛关注。RIS是由许多低成本的无源元件所组成,通过调整每个元件的幅度和/或相位,塑造无线传播环境,从而能够提高无线信号的传输质量。
去蜂窝大规模MIMO和智能超表面(RIS)是两种提高高速铁路网络数据传输速率的技术。借鉴去蜂窝大规模MIMO和RIS的优势,一些学者将去蜂窝大规模MIMO与RIS集成到无线网络中。但这种集成工作目前还都只能应用在静态或低速的场合中。此外,当前大多RIS相移设计方法依赖于假设的数学模型,但在真实的高速铁路场景中,无线电散射的快速变化,将导致真实场景与假设数学模型的严重失配,使得性能下降,并且其计算复杂度高,难以在真实的高速铁路环境中部署。因此,如何将RIS技术应用于高速铁路去蜂窝大规模MIMO,仍是一个未能加以有效解决的难题。
发明内容
本发明的目的就是提供一种高速铁路去蜂窝大规模MIMO系统的智能超表面相移方法,以能够在较低的运行时间内获得更高的可达速率,从而有助于在动态的高速铁路网络中进行实时决策。
本发明的目的是这样实现的:
一种高速铁路去蜂窝大规模MIMO系统的智能超表面相移方法,包括以下步骤:
S1、构建智能超表面(RIS)赋能的高速铁路去蜂窝大规模MIMO网络;所述网络包括:部署在铁路轨道沿线的L个配备N根天线的接入点AP,部署在每趟运行列车顶部的单天线的车载移动中继MR,以及在每个车载移动中继MR旁部署的一个具有M个元素的RIS相移。
S2、从每个接入点AP到车载移动中继MR的等效信道为:
其中,代表第l个接入点AP与车载移动中继MR之间的信道,/>代表RIS与车载移动中继MR之间的信道,/>代表第l个接入点AP与RIS之间的信道。
S3、RIS的相移矩阵Φ为:其中,θm∈[0,2π)表示第m个元素的相移。
S4、车载移动中继MR接收到的信号为:
其中,表示噪声,x表示发送到车载移动中继MR的信号,并且满足E{|x|2}=1,wl表示车载移动中继MR与第l个接入点AP的波束赋形向量,并且满足||wl||2≤Pl,max;这里,Pl,max表示第l个接入点AP的最大传输功率。
S5、车载移动中继MR处的信噪比为:
S6、系统的可达速率为:
Ra=log2(1+γ)
S7、当相移矩阵Φ固定时,采用最大比传输方法获得使车载移动中继MR可达速率最大化的最优波束赋形向量为:
S8、将可达速率最大化的优化目的转化为:
s.t.|θm|=1,m=1,…,M
S9、基于PPO的RIS相移设计,包括以下子步骤:
S9-1基于PPO的RIS相移设计方案的组成部分包括:
状态空间:当前RIS赋能的高速铁路去蜂窝大规模MIMO通信系统状态st为:
其中,γ(t-1)表示上一时间t-1的信噪比。
动作空间:智能体根据观察到的状态选择调整RIS相移的动作;定义的动作空间at为:
其中,表示t时刻的RIS相移。
奖励函数:以求取系统的最大化可达速率,奖励函数rt定义为:
其中,表示t时刻RIS赋能高速铁路去蜂窝大规模MIMO系统的可达速率。
S9-2在PPO算法模型中包含有两个神经网络:Actor网络和Critic网络,并且,PPO算法是通过构造Actor网络的损失函数J(θA)来提高决策能力:
其中,表示Actor网络更新前的参数,/>代表参数更新幅度,/>为优势函数,其表示为:
其中,表示折扣因子,/>表示Critic网络更新前的参数。
S9-3 Actor网络的损失函数J(θA)由以下函数取得:
其中,ρtA)代表参数更新幅度,clip(·)函数负责将ρtA)限制于置信区间(1-ε,1+ε)内。
S9-4在PPO算法模型中,θA通过下式更新:
其中,αA表示学习速率,为在第b次转换序列中实现的JCLIPA)。
θC通过下式更新:
其中,αB代表学习速率,并且Vtar(sb)表示为:
针对高速铁路网络的高度动态性,本发明提出了一种RIS赋能的高速铁路去蜂窝大规模MIMO网络架构,制定了RIS相移优化策略;通过基于深度强化学习(DRL)的方案,即基于近端策略优化(PPO)的RIS相移设计方案,实现了高效的RIS相移控制,从而实现了最大化的可达速率。
本发明通过构建RIS赋能的高速铁路去蜂窝大规模MIMO网络,计算每个接入点AP到车载移动中继MR的等效信道以及车载移动中继MR处的信噪比和系统的可达速率;当相移矩阵Φ固定时,采用最大比传输方法获得使车载移动中继MR可达速率最大化的最优波束赋形向量;并基于PPO的RIS相移设计方案,在PPO算法模型中包含有两个神经网络:Actor网络和Critic网络,且PPO算法是通过构造Actor网络的损失函数J(θA)来提高决策能力。
本发明是一种适用于高速铁路去蜂窝大规模MIMO场景的RIS相移设计方法,可以以更低的运行时间实现高效的可达速率,实现高速铁路环境的实时决策,为高速铁路移动通信的发展提供强有力的支撑。
附图说明
图1是RIS赋能的高速铁路去蜂窝大规模MIMO网络示意图。
图2是基于近端策略优化的相移RIS设计架构图。
具体实施方式
如图1所示,在智能超表面(RIS)赋能的高速铁路去蜂窝大规模MIMO网络中,L个配备N根天线的接入点AP沿着铁路轨道部署。为了避免列车车体造成的穿透损失,在列车顶部部署了单天线的车载移动中继MR,其作为为乘客提供服务的中继。此外,在距离车载移动中继MR距离为0.6m处部署一个具有M个元素的智能超表面(RIS)相移,进一步提高数据传输速率性能。值得注意的是,因为高速铁路通信的主要性能瓶颈位于车载移动中继MR和接入点AP之间的链路,所以,关注于车载移动中继MR和接入点AP之间的链路传输,就有可能使得系统的可达速率最大化。
表示从每个接入点AP到车载移动中继MR的等效信道,其可表示为:
其中,代表第l个接入点AP与车载移动中继MR之间的信道,/>代表RIS与车载移动中继MR之间的信道,/>代表第l个接入点AP与RIS之间的信道。
RIS的相移矩阵Φ为:
其中,θm∈[0,2π)表示第m个元素的相移。
在高速铁路去蜂窝大规模MIMO系统中,车载移动中继MR接收到的信号可表示为:
其中,表示噪声,x表示发送到车载移动中继MR的信号,并且满足E{|x|2}=1,wl表示车载移动中继MR与第l个接入点AP的波束赋形向量,并且满足||wl||2≤Pl,max。这里,Pl,max表示第l个接入点AP的最大传输功率。
然后,可以获得车载移动中继MR处的信噪比,可表示为:
至此,系统的可达速率为:
Ra=log2(1+γ)
当相移矩阵Φ固定时,可以采用最大比传输方法来获得使车载移动中继MR可达速率最大化的最优波束赋形向量其表示为:
本发明旨在设计有效的相移矩阵,使得RIS赋能高速铁路去蜂窝大规模MIMO系统的可达速率最大化。因此,可达速率最大化的优化问题就可以转化为:
s.t.|θm|=1,m=1,…,M
由于RIS赋能的高速铁路去蜂窝大规模MIMO系统是高度时变的,使得基于传统优化算法难以得出高效的RIS相移设计方案。因此,本发明提出了一种基于近端策略优化(PPO)的算法来学习RIS赋能的高速铁路去蜂窝大规模MIMO环境,并做出高效的RIS相移设计决策。
基于PPO的RIS相移设计:
图2显示了PPO智能体与RIS赋能的高速铁路去蜂窝大规模MIMO环境之间的交互。在当前时间t,基于PPO的RIS相移设计方案的关键组成部分如下:
状态空间:当前RIS赋能的高速铁路去蜂窝大规模MIMO通信系统状态st为:
其中,γ(t-1)表示上一时间t-1的信噪比。
动作空间:PPO智能体根据观察到的状态选择调整RIS相移的动作。定义的动作空间at为:
其中,表示t时刻的RIS相移。
奖励函数:以求取系统的最大化可达速率。因此,奖励函数rt定义为:
其中,表示t时刻RIS赋能高速铁路去蜂窝大规模MIMO系统的可达速率。
在PPO算法模型中包含有两个神经网络:Actor网络和Critic网络,并且,PPO算法主要通过构造Actor网络的损失函数J(θA)来提高决策能力:
其中,表示Actor网络更新前的参数,/>代表参数更新幅度,/>为优势函数,其表示为:
其中,表示折扣因子,/>表示Critic网络更新前的参数。
Actor网络的损失函数J(θA)可由以下函数取得:
其中,ρtA)代表参数更新幅度,clip(·)函数负责将ρtA)限制于置信区间(1-ε,1+ε)内。
在PPO算法模型中,θA通过下式更新:
其中,αA表示学习速率,为在第b次转换序列中实现的JCLIPA)。
θC通过下式更新:
其中,αB代表学习速率,并且Vtar(sb)表示为:
本发明可以以更低的运行时间实现高效的可达速率,有利于实现高速铁路环境的实时决策,为高速铁路移动通信的发展提供强有力的支撑。
如图2所示,分别对Actor网络和Critic网络参数等进行初始化;然后,采集RIS赋能的高速铁路去蜂窝大规模MIMO通信系统的初始状态。之后,选择动作,决策出RIS相移设计方案。在执行所设计的RIS相移之后,获得的相应奖励。随后,RIS赋能的高速铁路去蜂窝大规模MIMO系统的状态演变为下一状态。PPO智能体将转换序列保存到经验池中。之后,将随机采样B个转换序列,用于训练PPO模型。
基于PPO的智能超表面相移设计伪代码如下表所示:

Claims (1)

1.一种高速铁路去蜂窝大规模MIMO系统的智能超表面相移方法,其特征是,包括以下步骤:
S1、构建智能超表面(RIS)赋能的高速铁路去蜂窝大规模MIMO网络;所述网络包括:部署在铁路轨道沿线的L个配备N根天线的接入点AP,部署在每趟运行列车顶部的单天线的车载移动中继MR,以及在每个车载移动中继MR旁部署的一个具有M个元素的RIS相移;
S2、从每个接入点AP到车载移动中继MR的等效信道为:
其中,代表第l个接入点AP与车载移动中继MR之间的信道,/>代表RIS与车载移动中继MR之间的信道,/>代表第l个接入点AP与RIS之间的信道;
S3、RIS的相移矩阵Φ为:其中,θm∈[0,2π)表示第m个元素的相移;
S4、车载移动中继MR接收到的信号为:
其中,表示噪声,x表示发送到车载移动中继MR的信号,并且满足E{|x|2}=1,wl表示车载移动中继MR与第l个接入点AP的波束赋形向量,并且满足||wl||2≤Pl,max;这里,Pl,max表示第l个接入点AP的最大传输功率;
S5、车载移动中继MR处的信噪比为:
S6、系统的可达速率为:
Ra=log2(1+γ)
S7、当相移矩阵Φ固定时,采用最大比传输方法获得使车载移动中继MR可达速率最大化的最优波束赋形向量为:
S8、将可达速率最大化的优化目的转化为:
s.t.|θm|=1,m=1,…,M
S9、基于PPO的RIS相移设计,包括以下子步骤:
S9-1基于PPO的RIS相移设计方案的组成部分包括:
状态空间:当前RIS赋能的高速铁路去蜂窝大规模MIMO通信系统状态st为:
其中,γ(t-1)表示上一时间t-1的信噪比;
动作空间:智能体根据观察到的状态选择调整RIS相移的动作;定义的动作空间at为:
其中,表示t时刻的RIS相移;
奖励函数:以求取系统的最大化可达速率,奖励函数rt定义为:
其中,表示t时刻RIS赋能高速铁路去蜂窝大规模MIMO系统的可达速率;
S9-2在PPO算法模型中包含有两个神经网络:Actor网络和Critic网络,并且,PPO算法是通过构造Actor网络的损失函数J(θA)来提高决策能力:
其中,表示Actor网络更新前的参数,/>代表参数更新幅度,/>为优势函数,其表示为:
其中,表示折扣因子,/>表示Critic网络更新前的参数;
S9-3Actor网络的损失函数J(θA)由以下函数取得:
其中,ρtA)代表参数更新幅度,clip(·)函数负责将ρtA)限制于置信区间(1-ε,1+ε)内;
S9-4在PPO算法模型中,θA通过下式更新:
其中,αA表示学习速率,为在第b次转换序列中实现的JCLIPA);
θC通过下式更新:
其中,αB代表学习速率,并且Vtar(sb)表示为:
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