一种基于可重构智能表面的同时同频全双工通信组网方案

1.本发明属于移动通信网络的技术领域，具体涉及一种基于可重构智能表面的同时同频全双工通信组网方案。


背景技术：

2.可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface，ris)是一种具有可编程电磁特性的二维薄层人工电磁表面结构，可以应用于从微波到可见光的各个通信频段。可重构智能表面由精心设计的电磁单元规则排列组成，这些电磁单元通常由金属、介质和可调元件构成，通过控制电磁单元中的可调元件，以可编程方式调整反射电磁波的电磁参数，例如相位和幅度，实现对反射信号的(目标信号)增强或(干扰信号)衰减，提高接收信号的信干噪比(signal to intreference plus noise ratio，sinr)及通信容量。全双工(full duplex，fd)通信因其优秀的频谱效率表现，正获得越来越多的6g通信研究人员的青睐。
3.目前，现有技术中存在基于可重构智能表面进行全双工通信的方案。这类方案通过提前获取信道状态信息，并据此调整基站端的可重构智能表面参数，使得通信双方在相同的物理资源上同时发送和接收信号。
4.但是，现有的基于可重构智能表面进行全双工通信的技术方案，仅仅包含单个小区内的设备进行全双工通信的场景，没有考虑在实际应用场景中，基站或用户将同时受到来自于邻小区基站以及小区内非目标用户的同频干扰，而这种干扰却会极大地降低通信质量，导致直到现在可重构智能表面也仅处于研究阶段未能投入商业应用。另一方面，现有技术中使用可重构智能表面进行双工通信的组网方式，仅存在单独使用同频双工、单独使用同时双工两种方案，而没有结合使用同时同频的全双工方式，无法做到真正对频谱效率的高效利用。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术存在的一个或者多个缺陷与不足，本发明目的提供一种基于可重构智能表面的同时同频全双工通信组网方案，以实现降低现有技术方案中本小区内、相邻小区之间的同频信号干扰。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案。
7.一种基于可重构智能表面的同时同频全双工通信组网方案，包括步骤如下：
8.在开启同时同频全双工模式且设有可重构智能表面ris的相邻小区场景中，获取每个小区内和小区间的信道状态信息，结合信道状态信息构建每个小区内用户、基站各自的接收信号的参数；
9.根据小区内用户、基站各自的接收信号的参数，得到所有小区总的上下行通信速率，并将总的上下行通信速率作为一个目标函数；
10.对表示所有小区总的上下行通信速率的目标函数进行运算，分别得到包含基站天
线的发射波束赋形向量的另一个目标函数、包含ris反射系数矩阵的再一个目标函数；
11.分别对基站天线的发射波束赋形向量、ris反射系数矩阵进行求解，直到表示所有小区总的上下行通信速率的目标函数收敛，此时发射波束赋形向量、ris反射系数矩阵均为最优；
12.根据得到的发射波束赋形向量，相应的基站天线进行参数调整；根据得到的ris反射系数矩阵，可重构智能表面ris的控制器对可重构智能表面ris的反射单元进行调整。
13.优选地，信道状态信息通过基于导频的信道估计法获取。
14.优选地，构建每个小区内用户、基站各自的接收信号的参数过程包括：
15.构建小区中的基站发送的下行信息、小区内上行用户发送的信息；
16.根据基站发送的下行信息、上行用户发送的信息，分别构建下行用户的接收信号、基站的接收信号。
17.进一步地，得到所有小区总的上下行通信速率的过程包括：
18.设定相邻小区中全部基站总的发射波束赋形矩阵；
19.根据基站的接收信号、下行用户的接收信号，结合全部基站总的发射波束赋形矩阵，分别得到所有小区的上行通信速率和下行通信速率；
20.将所有小区的上行通信速率和下行通信速率迭加，得到所有小区总的上下行通信速率，所有小区总的上下行通信速率如下式所示：
[0021][0022]
其中，f为全部基站总的发射波束赋形矩阵，φ为ris反射系数矩阵，r
un1
(f,φ)为下行通信速率，r
bn
(f,φ)为上行通信速率，表示在发射波束赋形矩阵和ris反射系数矩阵的约束下取最大值；
[0023]
将该总的上下行通信速率设为第一目标函数。
[0024]
再进一步地，对所有小区总的上下行通信速率的目标函数进行运算的过程包括：
[0025]
利用最小均方误差与通信速率之间的关系，将上行通信速率、下行通信速率分别转换为由各自对应的最小均方误差及相应的权重系数表示的第二目标函数，第二目标函数具体如下式所示：
[0026][0027]
其中，w
bn
为基站最小均方误差对应的权重系数，e
bn
为基站的最小均方误差，w
un1
为用户最小均方误差的权重系数，e
un1
为用户的最小均方误差。
[0028]
更进一步地，得到第二目标函数后，移除第二目标函数中与发射波束赋形向量的无关项，将第二目标函数简化为第三目标函数，第三目标函数具体如下式：
[0029][0030]
其中，为求实部运算，tr(f
nhanfn
)为求迹运算，fn为基站的发射波束赋形向量，f
nh
为fn的共轭转置，μ
un1*
为用户的线性解码矩阵的共轭，为基站到用
户的总信道，an为中间项，表示在fn约束下取最小值。
[0031]
再更进一步地，得到包含发射波束赋形向量的目标函数的过程包括：
[0032]
使用拉格朗日乘子法对第三目标函数进行求解，得到第四目标函数，第四目标函数具体如下式所示：
[0033][0034]
其中，λ
bn
为基站的波束赋形向量fn的拉格朗日乘子，p
max
为基站的最大发射功率。
[0035]
更进一步地，得到包含ris反射系数矩阵的目标函数的过程包括：
[0036]
将第二目标函数中与ris反射系数矩阵的无关项移除简化，得到包含ris反射系数矩阵的第五目标函数，第五目标函数具体如下式所示：
[0037][0038]
其中，c、ξ分别为不同的中间项，φ表示ris反射系数矩阵的子集，
[0039]
优选地，通过二分搜索法从第四目标函数得到相应最优的基站的发射波束赋形向量；
[0040]
使用复流形算法求第五目标函数的最优解。
[0041]
进一步地，分别求解基站的发射波束赋形向量和ris反射系数矩阵过程中，判断第一目标函数是否收敛；
[0042]
若是，则表示此时基站的发射波束赋形向量和ris反射系数矩阵均为最优；若否，则继续求解到第一目标函数收敛。
[0043]
本发明技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0044]
(1)实现了同时同频全双工通信的方式，高效利用了可重构智能表面的物理资源以及宝贵的频谱资源；
[0045]
(2)优化配置了基站发射天线和可重构智能表面，能够实现多个基站与用户在同一时间、同一频率上发送和接收信号，极大提高通信频谱效率；
[0046]
(3)在同时同频全双工通信方式下，尽可能降低相邻小区、本小区内的其它用户产生的同频干扰；
[0047]
(4)通过调整ris各单元的反射系数，最大限度地削减同频干扰信号的影响，同时增强目标信号的强度，从而提高网络信干噪比及用户与基站的总通信速率，实现多基站与多用户之间的同时同频全双工通信，使可重构智能表面足以适应商业应用；
[0048]
(5)整个过程具有计算复杂度低、收敛速度快的效果。
附图说明
[0049]
图1为本发明的一种基于可重构智能表面的同时同频全双工通信组网方案的流程示意图；
[0050]
图2为图1中方法的组网方式原理示意图。
具体实施方式
[0051]
为了使本发明的目的、技术方案及其优点更加清楚明白，以下结合附图及其实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所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。
[0052]
实施例
[0053]
本实施例的一种基于可重构智能表面的同时同频全双工通信组网方案根据如图2所示的网络组成原理进行描述，所构成的网络由基站bs1、小区1中的用户user1与用户user2、基站bs2、小区2中的用户user1与用户user2以及一块可重构智能反射表面ris组成。可重构智能反射表面ris设置在小区1与小区2的边缘连接处，在面对更多小区时，每个相邻小区之间均同样设置可重构智能反射表面ris。bs1、bs2均采用同时同频的全双工通信模式，优选配置有多根天线以提高增益。两个小区内的user由于设备限制，均采用时分双工的工作模式，各自均分别配有单根天线。在网络中，为了使得用户以及基站都能获得最大的信干噪比，需调整可重构智能反射表面的反射系数矩阵、基站发射天线的波束赋形向量，从而削减同频干扰、增强目标信号。
[0054]
图2对各链路采取两位标记法。g或g表示与ris相关的信道，h或h表示与ris无关的信道，其中大写字母表示该链路为一矩阵，小写字母表示该链路为一列向量，下文中以斜体的h表示矩阵的共轭转置、斜体的f表示某个函数。g或g或h或h的下标，第一位表示发送单元，第二位表示接收单元，b1、b2分别代表小区1、小区2的基站，ris采用r表示，不同小区中的不同用户记为unm的形式，unm的下标第一位n表示用户位于小区n，第二位m表示该用户是位于小区n的第m个用户，例如h
b1,u21
表示从基站bs1(作为发送单元)到小区2的第一个用户user1(作为接收单元)的信道、采用user1(作为接收单元)的信道、采用表示从小区1的用户user2到基站bs1的总信道，反映为直射链路与ris反射链路的和；两个相邻的小区之间总共会出现通信链路、反射链路、干扰链路三种类型的链路，其它链路矩阵则以此类推。
[0055]
在本实施例中，使用符号nt表示基站的发射天线数目、nr表示基站的接收天线数目；设定本实施例遇到的噪声均服从复高斯分布(一般来说通信过程遭遇的噪声通常都服从高斯分布)，例如用n
b1
代表基站bs1处的噪声且满足的分布，i
nr
表示具有nr维的单位矩阵、为噪声功率、下标nr表示单位矩阵的维数，用户的噪声定义以此类推；为ris反射系数矩阵、并令θ为ris元素的反射角度、m为ris反射单元数，j为虚部；re(a)、|a|、tr(a)分别表示求矩阵a的实部、行列式、迹；(
·
)h、(
·
)
t
、(
·
)
*
、
⊙
分别为矩阵的共轭转置、转置、共轭、哈达玛乘积操作符；采用符号max表示求解函数的最大值、符号min表示求解函数的最小值、s.t.表示函数的约束条件、[a]
i,i
表示矩阵a的第(i,i)个元素。
[0056]
本实施例的一种基于可重构智能表面的同时同频全双工通信组网方案适用于多个相邻小区且开启了同时同频全双工模式的情况，不局限于图2所示只有两个相邻小区的情形，当出现多个相邻小区时，只需叠加相关项。
[0057]
如图1所示，本实施例的一种基于可重构智能表面的同时同频全双工通信组网方案，具体步骤如下：
[0058]
s1、主基站获取各信道的信道状态信息(channel state information，csi)，本步
骤中可将基站bs1视为主基站，也可将基站bs2视为主基站；本实施例优选通过基于导频的信道估计法获取各信道的信道状态信息；
[0059]
s2、将所有基站、用户发送的信号均视为比特流信息，根据比特流信息、步骤s1获取的信道状态信息，每个小区均分别构建各自基站、用户接收信号的相关参数，具体过程如下：
[0060]
s21、每个小区中各自的用户user1均分别向本小区内的基站发射上行的单比特信息，本小区内的基站向本小区各自的用户user 2发射下行单比特信息；
[0061]
由于相邻小区间干扰的存在，每个小区中各自的用户user 1也接收到相邻小区的基站发来的单比特信息干扰；
[0062]
此时，小区n(本实施例中n＝1,2)中的基站发送的信息xn如下式：
[0063]
xn＝fns
bn
[0064]
其中，s
bn
为该基站发送的单比特信息，fn为该基站的发射波束赋形向量，该基站的发射天线功率|f
nhfn
|≤p
max
，p
max
为该基站的最大发射功率；
[0065]
小区n中的用户user2发送的信息x
un2
表示如下式：
[0066][0067]
其中，s
un2
为用户user2发送的单比特信息，p
n2
为用户user2的发射功率；
[0068]
s22、在步骤s21的基础上，根据每个小区各自的用户user2、基站发送的比特流信息，构建本小区内的用户user1、基站的接收信号的相关参数；
[0069]
小区n中的基站的接收信号y
bn
如下式：
[0070][0071]
其中，k表示为第几个小区，当k≠n时ρ
si,k,n
＝1，当k＝n时ρ
si,k,n
＝ρ
si,n,n
，ρ
si,n,n
为当前小区基站的自干扰消除系数，ρ
si
的含义为自干扰消除；
[0072]
小区n中的用户user1的接收信号y
un1
如下式：
[0073][0074]
s3、在步骤s2的基础上，优化所有小区总的上下行通信速率，获得该小区内基站优化后的发射天线波束赋形向量fn、ris反射系数矩阵φ，具体过程如下：
[0075]
s31、设f＝(f1,f2)为两个小区的两个基站bs1和bs2总的发射波束赋形矩阵；根据步骤s2得到的基站及用户的接收信号，进一步计算小区内的基站、用户之间的上下行通信速率；
[0076]
小区n中的用户user2的上行通信速率r
bn
(f,φ)如下式：
[0077]
[0078]
小区n中的用户user1的下行通信速率r
un1
(f,φ)如下式：
[0079][0080]
所有小区总的上下行通信速率如下式：
[0081][0082]
s.t.|f
nhfn
|≤p
max
,n∈{1,2}
[0083][0084]
将上式所有小区总的上下行通信速率作为第一目标函数；
[0085]
为了获得所有小区总的最大上下行通信速率，在接下来的步骤需要本小区的基站调整发射天线波束赋形向量fn、ris反射系数矩阵φ，以获得本小区内的最优通信速率和(sum rate，sr)；
[0086]
s32、由于从步骤s31得到的第一目标函数为非凸函数，其求解复杂度较大，为了降低其求解复杂度，通过最小均方误差mmse与通信速率sr之间的关系，获得优化的第二目标函数如下式：
[0087][0088]
s.t.|f
nhfn
|≤p
max
,n∈{1,2}
[0089][0090]
其中，w
bn
、w
un1
分别为小区n内基站的最小均方误差、小区n内用户user1的最小均方误差各自对应的权重系数，s.t.后为的约束条件；最小均方误差英文全称为minimum mean square error，简写为mmse；
[0091]
设定基站的线性解码矩阵为μ
bn
(包括每根接收天线的线性解码系数)，则小区n中的基站接收信号的最小均方误差e
bn
如下式：
[0092][0093]
设定用户user1的线性解码矩阵为μ
un1
，则小区n中的用户user1接收信号的最小均方误差e
un1
如下式所示：
[0094]
[0095]
当时，w
bn
＝e
bn-1
，当时，w
un1
＝e
un1-1
；
[0096]
第二目标函数的最优解与第一目标函数的最优解一致，从而在本步骤将非凸的目标函数转为凸函数，降低了求解复杂度；
[0097]
s33、对步骤s32得到的第二目标函数，依次使用块坐标下降算法、交替优化算法进行求解，进而获得最优波束赋形向量fn、ris反射系数矩阵φ；
[0098]
首先对第二目标函数进行处理，获得最优的发射波束赋形向量；处理第二目标函数的过程具体包括：
[0099]
s331、固定权重系数w
bn
、w
un1
，固定线性解码矩阵μ
bn
、μ
un1
，固定ris反射系数矩阵φ，随后对步骤s32得到的第二目标函数进行简化，移除与发射波束赋形向量fn的无关项，获得第三目标函数如下式：
[0100][0101]
s.t.|f
nhfn
|≤p
max
,n∈{1,2}
[0102][0103]
其中，s.t.后为的约束条件，an为一中间项；
[0104]
s332、使用拉格朗日乘子法对步骤s331得到的第三目标函数进行求解，获得第四目标函数如下式：
[0105][0106]
s.t.λ
bn
(f
nhfn-p
max
)＝0,0≤λ
bn
[0107]
|f
nhfn
|≤p
max
,n∈{1,2}
[0108]
其中，s.t.后为的约束条件，λ
bn
为对小区n内基站波束赋形向量fn的拉格朗日乘子；
[0109]
求解第四目标函数获得小区n内基站的最优发射波束赋形向量fn如下式：
[0110][0111]
s333、通过二分搜索法求出小区n内基站的最优发射波束赋形向量fn的拉格朗日乘子，用f
bn
(λ
bn
)表示该过程；由于基站功率约束的限制，二分搜索法求解最优发射波束赋形向量的过程可以用下式表示：
[0112]
[0113]
其中，zn为一中间项，λn为an通过特征值分解获得的对角阵；
[0114]zn
计算公式如下：
[0115][0116]qn
为对an进行特征值分解获得的特征向量矩阵，两者的关系如下式：
[0117]an
＝qnλ
nqnh
[0118]qnqnh
＝q
nhqn
＝i
nt
；
[0119]
s334、在已知权重系数w
bn
、w
un1
，固定线性解码矩阵μ
bn
、μ
un1
、最优发射波束赋形向量fn的基础上，通过将第二目标函数中与ris反射系数矩阵的无关项移除进一步化简目标函数，得到ris反射系数矩阵的优化函数，随后通过复流形(complex circle manifold，ccm)算法对ris反射系数矩阵的优化函数求得最优解；具体过程如下：
[0120]
将第二目标函数进行简化得到第五目标函数如下式：
[0121][0122][0123]
在第五目标函数中，上式的中间项c、ξ由以下关系获得：
[0124][0125][0126]
c＝[[c]
1,1
,
…
,[c]
m,m
]
t
[0127]
通过复流形算法(ccm)对第五目标函数进行求解，得到最优ris反射系数矩阵，ccm算法依次如下：
[0128]
计算第五目标函数的欧几里得梯度η
t
：
[0129][0130]
其中，上角标t表示第t次迭代；将欧几里得梯度映射到黎曼空间，获得相应的黎曼梯度
[0131][0132]
根据阿米霍线性搜索(armijo line search)的准则计算搜索步长β
t
，并确定黎曼空间中的下一个点
[0133][0134]
将黎曼空间中的点压缩回欧几里得空间，获得更新的ris元素的相位φ
t+1
，计算公式如下：
[0135][0136]
当时，结束计算，否则返回ccm算法开头计算第五目标函数的欧几里得梯度η
t
直至第五目标函数收敛；
[0137]
s34、判断步骤s33执行完成后第一目标函数是否收敛；若没有收敛，则返回执行步骤s33交替优化发射波束赋形向量和ris反射系数矩阵；若收敛，获得原先第一目标函数的最优发射波束赋形向量和ris反射系数矩阵；
[0138]
s4、小区n的基站在获得最优发射波束赋形向量、ris反射系数矩阵后，将发射波束赋形向量的参数发送到相邻小区的基站，让相邻小区的基站调整各自的发射天线参数，并把ris反射系数矩阵的参数发送到ris的控制器，让ris控制器调整各反射元素的反射角度，从而在多小区之间实现同时同频全双工组网。
[0139]
在上述步骤中，用户user1与用户user2之间所表示的具体发送、接收信号的身份可以互换。
[0140]
本实施例的基于可重构智能表面的同时同频全双工通信组网方案与现有技术相比，其有益效果在于：
[0141]
在实现同时同频全双工通信的基础上，高效利用了可重构智能表面的物理资源以及宝贵的频谱资源；优化配置了基站发射天线和可重构智能表面，能够实现多个基站与用户在同一时间、同一频率上发送和接收信号，极大提高通信频谱效率；在同时同频全双工通信方式下，将邻小区、本小区内的其它用户产生的同频干扰尽可能的进行衰弱，从而提升通信质量；通过调整ris各单元的反射系数，最大限度地削减同频干扰信号的影响，同时增强目标信号的强度，从而提高网络信干噪比及用户与基站的总通信速率，实现多基站与多用户之间的同时同频全双工通信，使可重构智能表面足以适应商业应用；发射波束赋形向量、ris反射系数矩阵两者的优化过程具有计算复杂度低、收敛速度快的效果。
[0142]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。