混合波束赋形方法、装置、电子设备及存储介质

本发明涉及无线通信，尤其涉及一种混合波束赋形方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术：

1、毫米波的波长短，便于在基站侧集成大规模天线，大规模天线产生的增益可以解决毫米波的传输损耗问题。

2、相关技术可知，关于毫米波的波束赋形可以基于单个可编程智能超表面展开，往往在基站侧采用混合预编码，并根据信道情况，通过联合基站侧的预编码矩阵和可编程智能超表面的反射矩阵来使通信系统的吞吐量达到最大。

3、对于混合波束赋形，通过采用移相器做模拟预编码，以减少射频链的个数。然而，在毫米波的大规模mimo中，移相器的规模也很大，在实际部署中会带来巨大的成本和能量损耗。

技术实现思路

1、本发明提供一种混合波束赋形方法、装置、电子设备及存储介质，用以解决现有技术中存在的高成本和高能量损耗的缺陷，实现了降低波束赋形的成本和能量损耗，以及提高毫米波通信系统的通信容量。

2、本发明提供一种混合波束赋形方法，所述混合波束赋形方法应用于毫米波通信系统，所述毫米波通信系统的基站侧设置有第一可编程智能超表面，所述毫米波通信系统的用户侧设置有第二可编程智能超表面，所述混合波束赋形方法包括：分别确定第一信道、第二信道和第三信道，其中，所述第一信道为所述基站侧到所述第一可编程智能超表面的信道，所述第二信道为所述第一可编程智能超表面到所述第二可编程智能超表面的信道，所述第三信道为所述第二可编程智能超表面到所述用户侧的信道；基于所述第一信道、所述第二信道、所述第三信道、第一反射矩阵、第二反射矩阵和所述基站侧的预编码矩阵，构建所述用户侧的信干噪比，其中，所述第一反射矩阵为所述第一可编程智能超表面的反射矩阵，所述第二反射矩阵为所述第二可编程智能超表面的反射矩阵；基于所述信干噪比，构建所述毫米波通信系统的系统容量目标函数，并以所述系统容量目标函数的最大值为目标，优化所述第一反射矩阵、所述第二反射矩阵和所述预编码矩阵，得到优化后第一反射矩阵、优化后第二反射矩阵和优化后预编码矩阵；基于所述优化后第一反射矩阵、优化后第二反射矩阵和所述优化后预编码矩阵进行混合波束赋形。

3、根据本发明提供的一种混合波束赋形方法，所述以所述系统容量目标函数的最大值为目标，优化所述第一反射矩阵、所述第二反射矩阵和所述预编码矩阵，得到优化后第一反射矩阵、优化后第二反射矩阵和优化后预编码矩阵，具体包括：在所述基站侧的基站位置、所述第一可编程智能超表面的第一位置和所述第二可编程智能超表面的第二位置固定不变的情况下，基于所述第一位置、所述第二位置和所述基站位置，确定所述第一可编程智能超表面的入射信号的到达角和离开角；基于所述到达角和所述离开角，确定所述第一可编程智能超表面的偏转相位；基于所述偏转相位，通过二维离散傅里叶变换码本确定所述第一可编程智能超表面的优化后第一反射矩阵；基于所述优化后第一反射矩阵和所述系统容量目标函数，确定简化后系统容量目标函数；利用分式规划法对所述简化后系统容量目标函数进行变换，得到变换后的简化后系统容量目标函数；基于交替优化法对所述变换后的简化后系统容量目标函数进行计算，得到所述优化后第二反射矩阵和所述优化后预编码矩阵。

4、根据本发明提供的一种混合波束赋形方法，所述以所述系统容量目标函数的最大值为目标，优化所述第一反射矩阵、所述第二反射矩阵和所述预编码矩阵，得到优化后第一反射矩阵、优化后第二反射矩阵和优化后预编码矩阵，具体包括：在所述基站侧的基站位置、所述第一可编程智能超表面的第一位置和所述第二可编程智能超表面的第二位置未固定不变的情况下，基于交替优化法对所述系统容量目标函数进行计算，得到所述优化后第一反射矩阵、所述优化后第二反射矩阵和所述优化后预编码矩阵。

5、根据本发明提供的一种混合波束赋形方法，所述基于所述第一信道、所述第二信道、所述第三信道、第一反射矩阵、第二反射矩阵和所述基站侧的预编码矩阵，构建所述用户侧的信干噪比采用以下公式实现：

6、

7、其中，γk表示所述用户侧的第k个用户的信干噪比；hk表示所述第三信道的共轭转置的第k列；φ2表示所述第二反射矩阵；hr表示所述第二信道；φ1表示所述第一反射矩阵；g表示所述第一信道；vk表示所述预编码矩阵的转置的第k列；σ表示噪声的功率；j表示所述用户侧的除第k个用户之外的其他的第j个用户；k表示所述用户侧的用户个数；vj表示所述预编码矩阵的转置的第j列。

8、根据本发明提供的一种混合波束赋形方法，所述基于所述信干噪比，构建所述毫米波通信系统的系统容量目标函数采用以下公式确定：

9、

10、其中，f1(v,φ1,φ2)表示所述毫米波通信系统的系统容量目标函数；wk表示第k个用户的权重。

11、本发明还提供一种混合波束赋形装置，所述混合波束赋形装置应用于毫米波通信系统，所述毫米波通信系统的基站侧设置有第一可编程智能超表面，所述毫米波通信系统的用户侧设置有第二可编程智能超表面，所述混合波束赋形装置包括：第一模块，用于分别确定第一信道、第二信道和第三信道，其中，所述第一信道为所述基站侧到所述第一可编程智能超表面的信道，所述第二信道为所述第一可编程智能超表面到所述第二可编程智能超表面的信道，所述第三信道为所述第二可编程智能超表面到所述用户侧的信道；第二模块，用于基于所述第一信道、所述第二信道、所述第三信道、第一反射矩阵、第二反射矩阵和所述基站侧的预编码矩阵，构建所述用户侧的信干噪比，其中，所述第一反射矩阵为所述第一可编程智能超表面的反射矩阵，所述第二反射矩阵为所述第二可编程智能超表面的反射矩阵；第三模块，用于基于所述信干噪比，构建所述毫米波通信系统的系统容量目标函数，并以所述系统容量目标函数的最大值为目标，优化所述第一反射矩阵、所述第二反射矩阵和所述预编码矩阵，得到优化后第一反射矩阵、优化后第二反射矩阵和优化后预编码矩阵；第四模块，用于基于所述优化后第一反射矩阵、优化后第二反射矩阵和所述优化后预编码矩阵进行混合波束赋形。

12、根据本发明提供的一种混合波束赋形装置，所述第三模块采用以下方式以所述系统容量目标函数的最大值为目标，优化所述第一反射矩阵、所述第二反射矩阵和所述预编码矩阵，得到优化后第一反射矩阵、优化后第二反射矩阵和优化后预编码矩阵：在所述基站侧的基站位置、所述第一可编程智能超表面的第一位置和所述第二可编程智能超表面的第二位置固定不变的情况下，基于所述第一位置、所述第二位置和所述基站位置，确定所述第一可编程智能超表面的入射信号的到达角和离开角；基于所述到达角和所述离开角，确定所述第一可编程智能超表面的偏转相位；基于所述偏转相位，通过二维离散傅里叶变换码本确定所述第一可编程智能超表面的优化后第一反射矩阵；基于所述优化后第一反射矩阵和所述系统容量目标函数，确定简化后系统容量目标函数；利用分式规划法对所述简化后系统容量目标函数进行变换，得到变换后的简化后系统容量目标函数；基于交替优化法对所述变换后的简化后系统容量目标函数进行计算，得到所述优化后第二反射矩阵和所述优化后预编码矩阵。

13、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述的混合波束赋形方法。

14、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的混合波束赋形方法。

15、本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的混合波束赋形方法。

16、本发明提供的混合波束赋形方法、装置、电子设备及存储介质，应用于毫米波通信系统，其中，毫米波通信系统的基站侧设置有第一可编程智能超表面，毫米波通信系统的用户侧设置有第二可编程智能超表面。通过第一可编程智能超表面代替移相器进行模拟波束赋形，可以降低波束赋形的成本，并且基于第一信道、第二信道、第三信道、第一反射矩阵、第二反射矩阵和基站侧的预编码矩阵，构建用户侧的信干噪比，再基于信干噪比，构建毫米波通信系统的系统容量目标函数，并以系统容量目标函数的最大值为目标，优化第一反射矩阵、第二反射矩阵和所述预编码矩阵，以使基于优化后第一反射矩阵、优化后第二反射矩阵和优化后预编码矩阵进行混合波束赋形能够降低波束赋形的成本和能量损耗，以及提高毫米波通信系统的通信容量。

17、附图说明

18、为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

19、图1是本发明提供的混合波束赋形方法的流程示意图；

20、图2是本发明提供的毫米波通信系统的应用场景示意图；

21、图3是本发明提供的以系统容量目标函数的最大值为目标，优化第一反射矩阵、第二反射矩阵和预编码矩阵，得到优化后第一反射矩阵、优化后第二反射矩阵和优化后预编码矩阵的流程示意图；

22、图4是本发明提供的混合波束赋形装置的结构示意图；

23、图5是本发明提供的电子设备的结构示意图。