本發(fā)明屬于無線通信，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)不規(guī)則有源ris輔助通信系統(tǒng)的波束賦形設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)無線通信系統(tǒng)的需求也越來越大。然而，隨著通信技術(shù)的進(jìn)步和用戶數(shù)量的不斷增加，傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)也面臨著諸多挑戰(zhàn)。在通信過程中信號(hào)傳輸容易受到環(huán)境因素的影響，基站(base?station，bs)和用戶設(shè)備(userequipment，ue)之間的無線傳播環(huán)境通常被視為不可控制的。ris可以通過res來調(diào)整入射信號(hào)的幅度和相位來改變無線傳播環(huán)境，從而有效提高通信系統(tǒng)的性能和減少通信中斷。

2、作為一項(xiàng)新興技術(shù)，目前關(guān)于ris的研究主要在無源ris，也即只能改變信號(hào)的相位。在無源ris輔助的無線通信系統(tǒng)中，接收到的信號(hào)功率與res數(shù)量的平方成正比，通過增加res的數(shù)量可以提高通信系統(tǒng)的性能。利用梯度下降搜索和分式規(guī)劃方法可以解決多用戶情況下無源ris輔助通信系統(tǒng)的最大化能效問題。雖然無源ris能提升通信系統(tǒng)的性能，但是會(huì)不可避免的引入“乘性衰落”，因其基站-ris和ris-用戶之間的路徑損耗是相乘的，比單一的視距鏈路損耗大幾千倍，使得無源ris在許多無線環(huán)境中難以能獲得明顯的容量增益。為了克服“乘性衰落”效應(yīng)，有源ris被提出來了，與無源ris對(duì)通信系統(tǒng)的性能提升相比，有源ris能夠?qū)崿F(xiàn)更高的可達(dá)速率。

3、關(guān)于有源ris輔助通信系統(tǒng)的預(yù)編碼設(shè)計(jì)已經(jīng)得到了廣泛研究，但是以往關(guān)于有源ris的工作通?？紤]的是規(guī)則ris，即res在反射面的網(wǎng)格上以恒定的間距規(guī)則排列。當(dāng)規(guī)則有源ris的res數(shù)量較大時(shí)，現(xiàn)有的級(jí)聯(lián)信道估計(jì)方案所需的導(dǎo)頻開銷將非常大，其開銷通常與res和ue數(shù)量的乘積成正比。此外較大數(shù)量的re也會(huì)增加系統(tǒng)額外的功耗。由于上述原因，實(shí)際應(yīng)用中更傾向于選擇re數(shù)量不太多的有源ris，然而這又會(huì)限制有源ris輔助通信系統(tǒng)的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提出一種實(shí)現(xiàn)不規(guī)則有源ris輔助通信系統(tǒng)的波束賦形設(shè)計(jì)方法，具體包括以下步驟：

2、構(gòu)建不規(guī)則有源ris結(jié)構(gòu)輔助通信系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中構(gòu)建以最大化和速率為目標(biāo)的優(yōu)化問題；

3、求解最大化和速率為目標(biāo)的優(yōu)化問題時(shí)，將該問題拆分為求解有源ris拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下波束賦形的問題和求解最優(yōu)的ris拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題；

4、求解最優(yōu)的ris拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題時(shí)，利用基于基于禁忌搜索自適應(yīng)搜索算法，迭代搜索ris的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

5、利用分式規(guī)劃方法對(duì)有源ris拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下波束賦形的問題中的優(yōu)化變量進(jìn)行解耦，并對(duì)優(yōu)化變量進(jìn)行交替優(yōu)化，得到松弛變量、基站處的發(fā)送預(yù)編碼以及ris處的波束賦形矩陣。

6、進(jìn)一步地，不規(guī)則有源ris結(jié)構(gòu)輔助通信系統(tǒng)包括擁有m根天線的基站、k個(gè)具有單天線的用戶以及一個(gè)具有ns個(gè)網(wǎng)格大小的用來配置反射單元的反射面；在不規(guī)則有源ris結(jié)構(gòu)輔助通信系統(tǒng)中，包括基站與不規(guī)則有源ris之間的信道、不規(guī)則有源ris與用戶之間的信道、基站與用戶之間的信道，基站與不規(guī)則有源ris之間的信道、不規(guī)則有源ris與用戶之間的信道建模為萊斯衰落信道，基站與用戶之間的信道建模為瑞利衰落信道。

7、進(jìn)一步地，在不規(guī)則有源ris結(jié)構(gòu)輔助通信系統(tǒng)中，以最大化和速率為目標(biāo)的優(yōu)化問題表示為：

8、

9、約束條件：

10、

11、

12、

13、其中，rsum(w,θ,a)為不規(guī)則有源ris結(jié)構(gòu)輔助通信系統(tǒng)的和速率，w為基站處的波束賦形矩陣，θ為不規(guī)則有源ris的反射預(yù)編碼矩陣，a為不規(guī)則有源ris拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)矩陣，本發(fā)明利用一個(gè)ns×ns的對(duì)角線上的元素來表示反射單元，當(dāng)?shù)趇行、第i列的元素值為1時(shí)表示第i個(gè)反射單元處于開啟狀態(tài)、為0時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)；γk為用戶k處接收到的信干燥比，k為系統(tǒng)中的用戶數(shù)量；wk為基站針對(duì)用戶k的發(fā)射預(yù)編碼向量，||·||表示歐幾里得范數(shù)，為基站的最大發(fā)射功率；f為不規(guī)則有源ris與用戶之間的信道增益矩陣，||·||f表示弗羅貝尼烏斯范數(shù)；有源ris引入的熱噪聲且服從高斯分布為有源ris引入的熱噪聲的方差參數(shù)，為不規(guī)則有源ris處的最大反射功率；an表示在不規(guī)則有源ris中第n個(gè)網(wǎng)格的反射單元的狀態(tài)，當(dāng)an＝0時(shí)表示該反射單元不使用，反之當(dāng)an＝1表示該反射單元被使用；ns為網(wǎng)格的數(shù)量，n為反射單元的數(shù)量，且n個(gè)反射單元不規(guī)則地分布在ns個(gè)網(wǎng)格中，ns＞n且每個(gè)網(wǎng)格最多一個(gè)反射單元；ins表示ns×ns的單位矩陣；xt表示矩陣x或者向量x的轉(zhuǎn)置。

14、進(jìn)一步地，利用分式規(guī)劃方法對(duì)有源ris拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下波束賦形的問題中的優(yōu)化變量進(jìn)行解耦的過程包括：

15、利用分式規(guī)劃方法引入第一松弛變量向量和第二松弛變量向量將求解有源ris拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下波束賦形的問題轉(zhuǎn)為：

16、

17、約束條件：

18、

19、a＝a0

20、

21、其中，f(w,θ,μ,ν)為引入松弛變量之后的有源ris拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下波束賦形的問題；μk為第一松弛變量向量中的第k個(gè)元素；νk為第二松弛變量向量中的第k個(gè)元素，|·|表示模值，為νk的共軛，wj為基站針對(duì)用戶j的發(fā)射預(yù)編碼向量，hr,k表示不規(guī)則有源ris中反射單元r與用戶k之間的信道增益，hd,k表示基站與用戶k之間的信道增益，基站處的白噪聲服從的復(fù)高斯分布，為復(fù)高斯分布的方差，a0為首次迭代時(shí)在不規(guī)則有源ris的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)矩陣；x?h表示矩陣x或者向量x的共軛轉(zhuǎn)置。

22、進(jìn)一步地，利用分式規(guī)劃方法對(duì)有源ris拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下波束賦形的問題中的優(yōu)化變量進(jìn)行解耦后，對(duì)優(yōu)化變量進(jìn)行交替優(yōu)化，優(yōu)化過程包括：

23、固定基站處的波束賦形矩陣w、不規(guī)則有源ris的反射預(yù)編碼矩陣θ和第二松弛變量向量ν后，令求解得到此時(shí)第一松弛變量向量和第二松弛變量向量種最優(yōu)的第k個(gè)元素

24、根據(jù)最優(yōu)的固定優(yōu)化變量μk、νk，并固定不規(guī)則有源ris的反射預(yù)編碼矩陣θ，將固定的參數(shù)代入解耦后的有源ris拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下波束賦形的問題中，并利用cvx工具箱求解得到基站處的波束賦形矩陣w；

25、將求解得到的基站處的波束賦形矩陣w以及最優(yōu)的參數(shù)代入解耦后的有源ris拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下波束賦形的問題中，并利用cvx工具箱求解得到不規(guī)則有源ris的反射預(yù)編碼矩陣θ。

26、進(jìn)一步地，令求解得到此時(shí)最優(yōu)的表示為：

27、

28、其中，ηk為一個(gè)中間參數(shù)，表示為表示求復(fù)數(shù)的實(shí)部。

29、進(jìn)一步地，根據(jù)最優(yōu)的固定優(yōu)化變量μk、νk，并固定不規(guī)則有源ris的反射預(yù)編碼矩陣θ，將固定的參數(shù)代入解耦后的有源ris拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下波束賦形的問題中，代入后的優(yōu)化問題表示為：

30、

31、約束條件：

32、

33、其中，為一個(gè)中間變量，該變量中第k個(gè)元素zk的共軛轉(zhuǎn)置表示為：t為一個(gè)中間變量，表示為ik表示k×k的單位矩陣，表示克羅內(nèi)克積；為一個(gè)中間變量，表示為

34、進(jìn)一步地，將求解得到的基站處的波束賦形矩陣w以及最優(yōu)的參數(shù)代入解耦后的有源ris拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下波束賦形的問題中，代入后的優(yōu)化問題表示為：

35、

36、約束條件：

37、其中，令θ＝diag(φh)，表示反射單元的幅度增益，表示反射單元的相移系數(shù)，diag()表示對(duì)角化操作；χ、q和λ為中間變量，表示為：

38、

39、進(jìn)一步地，求解最優(yōu)的ris拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題的過程包括：

40、101、在不規(guī)則有源ris的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)矩陣a中隨機(jī)選擇n個(gè)位置初始化為1、和ns-n個(gè)位置初始化為0得到初始化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)a1，令i＝1；

41、102、從ai的對(duì)角元素中隨機(jī)的選擇p個(gè)值為1的位置與值為0的位置交換元素值，得到一個(gè)ai新生成的鄰域，執(zhí)行q次交換，得到q個(gè)ai的鄰域構(gòu)成作為ai新生成的q個(gè)鄰域集表示對(duì)矩陣ai進(jìn)行的第q次對(duì)角線上隨機(jī)選擇p個(gè)值為1的位置與該矩陣對(duì)角線上值為0的位置進(jìn)行交換后得到的鄰域矩陣；

42、103、在禁忌列表h中檢查已搜索的領(lǐng)域，并將102中q個(gè)鄰域集中屬于禁忌列表h中中的鄰域刪除，將剩下的鄰域作為候選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

43、104、利用交替優(yōu)化和分?jǐn)?shù)規(guī)劃聯(lián)合優(yōu)化基站的發(fā)送波束賦形和不規(guī)則有源ris處的反射預(yù)編碼，求解集中每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的用戶和速率，表示第i次迭代過程中，從鄰域距離為p的鄰域集合中去除n個(gè)重復(fù)的鄰域后得到的鄰域集；

44、105、選擇鄰域集中和速率最大的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為ai+1，并減小p的值，判斷是否達(dá)到最大迭代次數(shù)或者和速率收斂，若是則結(jié)束迭代并輸出和速率最大的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；否則令i＝i+1并返回步驟102。

45、有源可重構(gòu)智能表面(reconfigurable?intelligent?surface，ris)因其能同時(shí)調(diào)整入射信號(hào)的幅度和相位，可以進(jìn)一步提升無線通信系統(tǒng)的容量和范圍；然而隨著反射單元(reflecting?elements，res)數(shù)的增加，部署和維護(hù)大量的res會(huì)消耗大量的能量。本發(fā)明針對(duì)上述問題提出一種實(shí)現(xiàn)不規(guī)則有源ris輔助通信系統(tǒng)的波束賦形設(shè)計(jì)方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

46、1、本發(fā)明通過在反射表面上不規(guī)則的排布數(shù)量有限的res來提供額外的空間自由度，以此來提高接收信號(hào)功率；

47、2、針對(duì)不規(guī)則有源ris輔助多用戶通信系統(tǒng)中和速率最大化問題，本發(fā)明采用了一種基于禁忌搜索(tabu?search?algorithm，tsa)的自適應(yīng)搜索算法，利用交替優(yōu)化和分式規(guī)劃方法解決了原始具有挑戰(zhàn)性的非凸問題；

48、綜上所述，本發(fā)明提出的不規(guī)則有源ris輔助通信系統(tǒng)的波束賦形設(shè)計(jì)能顯著的提升通信系統(tǒng)的性能。