基于信息年龄感知的智能反射表面辅助毫米波通信方法

本发明涉及无线通信，尤其涉及一种基于信息年龄感知的智能反射表面辅助毫米波通信方法。

背景技术：

1、在6g通信系统中，诸如全息投影、智慧医疗、无人驾驶等许多应用场景依赖于及时有效的信息交换。信息一经产生，就需要及时地发送到接收端被利用，过时老化的信息会严重影响用户的感知体验。通常，信息年龄(age of information，aoi)作为刻画信息时效性的指标，代表信息的新鲜程度。考虑到每个用户的信息时效性需求，如何保障用户这一需求非常重要。

2、近年来，各种新兴应用程序涌现，导致移动数据流量急剧增长。这对通信系统容量提出了更高的需求，使得通信容量需求和紧缺的频谱资源之间的矛盾进一步加剧。irs(intelligent reflecting surface，智能反射表面)作为一项具有广阔发展前景的技术，可以根据无线通信需求重新配置无线信道，为6g通信系统的设计提供了极大的灵活性，进一步激发了通信系统的潜力。irs是由大量无源可重构反射单元组成的平面，每个反射单元可以以软件定义的方式独立控制入射信号的振幅和相位变化。通过适当的设计，irs的所有反射单元的被动反射可以相干地叠加在期望的接收机上，以增加信号功率。同时，irs创建了一条可靠的反射链路，可以有效对抗直射链路，尤其是毫米波直射链路的信号阻塞。此外，这些被动反射也可以在不期望的接收器处相消叠加，以抑制干扰。与传统的通信技术相比，irs最显著的特点是通过对所有反射单元的调控，实现了对无线电传播环境的人为控制，使不可控的无线信道变得智能。由于irs是无源器件，反射单元仅被动的反射信号，不需要射频链和放大转发装置。相比大规模天线，irs大大降低了硬件和能量成本；相比中继，irs可以工作在全双工模式下而不引入天线噪声放大和自干扰。从实施部署的角度来看，irs体积小，重量轻，非常容易部署在建筑立面、灯柱、墙面、车辆表面等位置，因此可以被集成到各类通信系统中，为不同场景下不同的通信需求提供灵活有效的解决方案。因此，irs具有极高的研究价值和广阔的应用前景。

3、在irs辅助毫米波多天线通信系统中，收发端天线处主动波束赋形和irs相移的联合优化是一个研究重点。有方案比较了室内irs辅助毫米波环境中没有视线(line-of-sight，los)路径的两种优化方案。结果表明，irs反射元件和发射机预编码的联合优化可以有效地提高信道容量。有方案考虑了具有混合波束形成结构的irs辅助下行链路毫米波系统，开发了一种基于流形优化(manifold optimization，mo)的算法，以联合优化irs的反射系数和基站处的混合波束形成，从而最大化频谱效率。有方案设计了一种基于连续干扰消除(successive interference cancelation，sic)的方法解决带宽效率最大化问题，提出了一种贪婪算法用于混合波束形成设计，并使用基于复圆流形(complex circlemanifold，ccm)的方法来更新irs单元。有方案在多用户场景中建立了一个具有信干噪比(signal-to-interference-plus-noiseratio，sinr)约束的功率最小化问题，提出了一种基于两层惩罚的算法来解耦sinr约束中的变量，并设计了三种不同的方法来优化其中的基站模拟波束赋形和irs响应矩阵。有方案研究了irs辅助的高速铁路通信场景，其中基站和高铁移动中继均采用多天线。在该场景下研究基于统计csi(channel state information，信道状态信息)的系统中断概率的最小化问题，提出了一种交替优化方法联合优化收发机波束赋形向量和irs相移。

4、由于工业物联网、自动驾驶等新兴应用场景对于信息时效性要求极高，作为能够有效刻画信息时效性的性能指标，信息年龄得到了研究者们的广泛关注。在这些时间敏感型的应用场景下，如何设计调度策略使系统的信息年龄最小化或满足用户的信息年龄需求是亟待解决的问题。有方案为无线网络中信息年龄最小化问题设计了两种调度策略，一种是将优化问题构造为整数线性规划，并采用现有优化工具求解小规模下的全局最优解，另外一种是次优但可扩展性更好的最速年龄下降算法，通过尽早调度大幅减少数据年龄的数据包来实现。有方案提出了在满足节点实时吞吐量约束的情况下，最小化网络期望加权和信息年龄的优化问题，针对该问题的求解设计了四种低复杂度的调度策略。理论分析和仿真评估的结果表明，其中的最大权重策略和漂移加惩罚策略具有更好的信息年龄和吞吐量性能。有方案将最小化信息年龄问题和最小化最大延迟问题相比较，表明后者的任一最优解都是前者的近似解，并根据该结论开发了一个框架，使用最小化最大延迟问题的近似解作为最小化信息年龄问题的近似方案，大大降低了求解难度。有方案考虑衰落信道中长期平均吞吐量最大化问题，其中将系统平均信息年龄需求和平均功率限制作为约束条件，提出了一种与信息年龄无关的平稳随机化策略对该问题求解，获得了接近最优的性能。

5、对于irs辅助通信系统的信息年龄优化，有方案研究了irs辅助的合作自动驾驶系统，通过优化资源块和irs的调度策略对该问题进行求解，以最小化目标节点所有数据流的平均信息年龄。有方案基于半正定松弛(semi-definite relaxation，sdr)设计了一个irs相移和调度策略联合优化算法，解决了单天线场景下irs辅助的无线网络中总信息年龄最小化问题。有方案研究了一个配备irs的无人机(unmanned aerialvehicles，uav)作为被动中继辅助物联网设备(internet-of-things device，iotd)通信的无线网络，开发了一种深度强化学习框架对uav高度、irs相移和调度策略进行联合优化，以实现最小化系统预期总信息年龄。有方案则将irs部署在iotd和uav之间以克服城市建筑物的阻碍，设计了一种深度强化学习方案对uav轨迹、irs相移和调度策略进行优化来最小化所有设备的总信息年龄。有方案采用深度强化学习算法联合优化irs相移和iotd的数据包服务时间，解决irs辅助的非正交多址接入网络(non-orthogonal multiple access，noma)中平均峰值信息年龄最小化的问题。

6、上述现有技术中的irs辅助通信系统下的信息年龄方法的缺点包括：这些方法主要关注总的信息年龄最小化。然而，对于实际的通信场景，这些方法忽略了每个用户设备对于信息新鲜度的需求。只有满足用户设备的信息新鲜度需求，发送端发送的信息才能被用户设备有效利用，信息传输才有价值。因此，通过系统的优化设计以满足用户的信息新鲜度需求对于时间敏感型应用场景而言十分关键。

7、这些方法是针对低频段通信系统，但随着移动通信的迅速发展，低频段通信无法提供足够的信道容量，难以承载各类新兴应用场景的巨大流量，不利于为用户提供良好的通信体验。采用具有较大可用带宽的毫米波频带通信是一个有效的解决方法，但显著的路径损耗和易阻塞特性会增加系统的信息年龄，不利于接收端新鲜信息的获取。因此在irs辅助的毫米波通信系统中进行信息年龄研究存在一定的挑战。

8、关于irs辅助毫米波通信的许多研究工作假设已知所有信道的完美。然而，通过信道估计获得完美的csi对于irs辅助的毫米波系统而言较为困难。一方面，irs是无源设备，没有射频链，无法接收、发送和处理信号。另一方面，系统中大规模天线阵列和大量的irs反射单元使得信道矩阵的规模非常庞大，使得信道估计的开销很大。因此，基于完美csi的系统设计面临严重挑战。为了解决该问题，现有研究利用波束训练的方法，通过波束扫描从码本中选出合适的码字用于波束赋形设计，但目前没有在时间敏感型场景下的相关研究。

技术实现思路

1、本发明的实施例提供了基于信息年龄感知的智能反射表面辅助毫米波通信方法，以实现以较低的复杂度获得用户信息时效性的保障和系统和速率性能的提升。

2、为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

3、一种基于信息年龄感知的智能反射表面辅助毫米波通信方法，包括：

4、建立信息年龄感知的智能反射表面irs辅助毫米波mimo通信系统模型，在该模型中通过调整irs每个无源反射单元的离散相移，采用时分多址每个时隙只调度一个ue与基站bs通信，每个ue都具有特定的信息年龄aoi需求；

5、为系统中的bs和每个ue生成分层码本；

6、遍历每个ue，采用块坐标下降方法交替优化bs和该ue的收发端波束赋形向量和irs相移，保存优化后的ue的收发端波束赋形向量、irs相移、接收信号信噪比和最大可达数据速率；

7、根据每个ue的收发端波束赋形向量、irs相移、接收信号信噪比和最大可达数据速率，基于启发式的调度算法确定在满足所有用户aoi约束的同时最大化系统和速率的调度策略；

8、根据所述调度策略得到每个时隙对应的被调度ue，以及每个时隙的收发端波束赋形向量和irs相移。

9、优选地，所述的建立信息年龄感知的智能反射表面irs辅助毫米波mimo通信系统模型，在该模型中通过调整irs每个反射单元的离散相移，采用时分多址每个时隙只调度一个ue与基站bs通信，每个ue都具有特定的信息年龄aoi需求，包括：

10、在单小区irs辅助毫米波mimo通信系统中，k个ue从bs获取信息，bs配备有nt个天线，每个ue配备有nr个天线，bs和ue之间的直射链路被障碍物阻挡，在系统中部署了具有m个无源反射单元的irs，通过调整irs每个反射单元的离散相移为ue提供反射链路；

11、将系统的时间划分为一系列不重叠的超帧，每个超帧由两个阶段组成：调度阶段和传输阶段，在调度阶段由位于bs的中央控制器计算调度和网络优化方案，将方案发送到irs和ue，在传输阶段，bs在遵循该方案的irs的协助下与ue通信，如果系统在传输阶段发生变化导致传输失败，ue将向bs报告传输失败，bs将重新设计方案，系统提前进入下一超帧，传输阶段被进一步平均划分为t个时隙，系统采用时分多址，每个时隙只允许调度一个ue与bs通信，每个ue都具有特定的信息年龄aoi需求。

12、优选地，所述的为系统中的bs和每个ue生成分层码本，包括：

13、为系统中的bs设计分层码本γt，为系统中的每个ue设计分层码本γr，在分层码本中，不同层中的码字具有不同的波束宽度，较低层的码字具有较宽的波束，一层内任意码字的波束完全覆盖下一层中两个相邻码字的波束，而每一层内所有码字的波束覆盖整个角度域,最后一层中的码字可用角度在[-

14、1,1]内均匀采样的阵列响应向量表示，为了生成其他层的码字，采用联合子阵列和去激活的方法来拓宽波束。

15、优选地，所述的遍历每个ue，采用块坐标下降方法交替优化bs和该ue的收发端波束赋形向量和irs相移，保存优化后的ue的收发端波束赋形向量、irs相移、接收信号信噪比和最大可达数据速率，包括：

16、遍历每个ue，采用块坐标下降方法交替优化bs和该ue的收发端波束赋形向量和irs相移，每次迭代，随机初始化bs和该ue的波束赋形向量和irs相移矩阵，固定irs相移矩阵，将bs设置为全向模式，在ue码本中执行分层搜索，根据ue的反馈寻找使得数据速率最大的接收码字，接着将ue设置为该码字对应的定向模式，在bs码本中执行分层搜索，根据ue的反馈寻找使得数据速率最大的发射码字，最后将bs和ue均设置为搜索得到的码字对应的定向模式，采用局部搜索方法，根据ue的反馈更新irs相移，如果连续两次迭代的数据速率差的比值小于某一阈值，则说明算法已收敛，当前迭代的数据速率值即为该ue最大可达数据速率值。

17、优选地，所述的遍历每个ue，采用块坐标下降方法交替优化bs和该ue的收发端波束赋形向量和irs相移，保存优化后的ue的收发端波束赋形向量、irs相移、接收信号信噪比和最大可达数据速率，包括：

18、在未知信道状态信息csi的情况下，联合优化收发端波束赋形、irs相位反射系数矩阵与调度策略设计，将保障ue的信息时效性需求的前提下系统和速率最大化问题建模为：

19、

20、

21、

22、

23、

24、

25、

26、其中u＝[u1,u2,...,ut]t代表t个时隙调度策略集合，w＝[w1,w2,...,wt]t代表t个时隙bs端波束赋形向量集合，f＝[f1,f2,...,ft]t代表t个时隙ue端波束赋形向量集合，φ＝[φ1,φ2,...,φt]t代表t个时隙irs相位反射系数矩阵集合，rt＝log2(1+γt)表示时隙t系统的可达传输速率，表示uek t个时隙的平均aoi，表示ue k的最大可容忍aoi，uk,t∈{0,1}指示ue k在时隙t是否被调度，为第m个irs反射单元在时隙t的相位反射系数，从离散相移集合中取值；

27、m为irs反射单元个数，k为系统中ue总数，t为时隙数，约束(11)表示在每个时隙中仅调度一个ue，约束(12)保证每个ue的信息时效性满足需求，约束(13)表示调度变量uk,t为0-1变量，约束(14)表示irs的相位反射系数具有离散取值，约束(15)和(16)表示收发端波束赋形从码本中获取；

28、将p1问题分解为k个单ue速率最大化问题和一个调度策略设计问题，将通过波束赋形和irs反射系数的联合优化最大化每个ue的数据速率问题表示为以下形式：

29、

30、

31、wk∈γt,      (19)

32、fk∈γr，       (20)

33、其中wk，fk，和φk分别对应服务ue k时的bs端的波束赋形向量、ue k的波束赋形向量和irs相位反射系数矩阵，为第m个irs反射单元在服务ue k时的相位反射系数，从离散相移集合中取值，bs和ue的波束赋形码本分别表示为γt和γr，hk＝gφkhr,k表示从bs到ue k的信道矩阵，rk表示ue k的可达传输速率，pt为发射信号功率，σ2表示加性高斯白噪声功率；

34、将p1-1拆分为波束赋形优化子问题和irs反射系数优化子问题，在波束赋形优化子问题中，固定irs相移，将通过优化收发端波束赋形使得每个ue数据速率最大化的问题表示为：

35、

36、s.t.wk∈γt,      (22)

37、fk∈γr。       (23)

38、其中wk和fk分别对应服务ue k时的bs端的波束赋形向量和ue k的波束赋形向量，bs和ue的波束赋形码本分别表示为γt和γr，hk＝gφkhr,k表示从bs到ue k的信道矩阵，rk表示ue k的可达传输速率，pt为发射信号功率，σ2表示加性高斯白噪声功率；

39、在irs反射系数优化子问题中，固定收发端波束赋形，将寻找有效的irs反射系数矩阵以最大化每个用户的数据速率的问题表示为：

40、

41、

42、其中wk，fk，和φk分别对应服务ue k时的bs端的波束赋形向量、ue k的波束赋形向量和irs相位反射系数矩阵，为第m个irs反射单元在服务ue k时的相位反射系数，从离散相移集合中取值，hk＝gφkhr,k表示从bs到ue k的信道矩阵，rk表示ue k的可达传输速率，pt为发射信号功率，σ2表示加性高斯白噪声功率，m为irs反射单元个数。

43、优选地，所述的根据每个ue的收发端波束赋形向量、irs相移、接收信号信噪比和最大可达数据速率，基于启发式的调度算法确定在满足所有用户aoi约束的同时最大化系统和速率的调度策略，包括：

44、采用来表示信噪比满足约束的ue集合，表示ue对应的数据速率的集合，uek与其数据速率之间的映射由表示，kt用于表示在时隙t中调度的ue，基于启发式的调度算法确定在满足所有用户aoi约束的同时最大化系统和速率的调度策略；

45、所述调度算法的处理过程包括：按照ue数据速率从大到小的顺序，依次为满足snr约束的ue分配时隙，每个时隙调度集合中具有最高数据速率的ue，被调度的ue的数据速率被从中移除，如果是空集，则将重新初始化为以进行下一轮调度；按照数据速率由大到小的顺序遍历每个ue，对于每个ue k，需要遍历所有时隙，如果uek没有在时隙t中被调度，并且t时隙调度的ue kt的数据速率小于uek的数据速率，则将在时隙t调度的ue设置为ue k，计算ue kt的aoi并确定其是否满足aoi约束，如果满足，则保留该调整；否则，不做调整，在完成对所有ue的调整后，得到最终的调度策略。

46、优选地，所述的根据所述调度策略得到每个时隙对应的被调度ue，以及该ue的收发端波束赋形向量和irs相移，包括：

47、检查每个用户的snr是否满足可靠解调的要求，将满足要求的ue和其数据速率分别放入集合和中，将集合和作为调度算法的输入，获得调度策略u*，基于u*和块坐标下降方法获得的和获得每个时隙对应的波束赋形向量和irs相位反射系数矩阵；

48、传输阶段，在每个时隙的开始，bs对状态更新信息进行采样并发送状态更新数据包，旧的状态更新数据包将被新到达的数据包替换，uk,t∈{0,1}指示ue k在时隙t是否被调度，如果ue k被调度，uk,t＝1，则bs向ue k发送状态更新分组；否则，uk,t＝0，将在满足所有用户aoi约束的同时最大化系统和速率的时隙t的调度策略表示为：ut＝[u1,t,u2,t,...,uk,t]t；

49、如果ue k在时隙t成功获取并利用bs发送的状态更新信息，则ue k的aoi被重置为1，否则，aoi增加1，ue k的aoi的演变由下式给出：

50、

51、假设初始aoiue k在t个时隙的平均aoi表示为

52、

53、考虑到每个ue对信息时效性的需求，将ue k的最大可容忍aoi表示为每个ue的aoi应满足

54、由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例考虑时间敏感型场景下irs辅助的毫米波下行mimo通信系统，在基站发射端和用户设备接收端均部署多个天线单元，利用波束赋形技术获得天线增益以补偿毫米波信号的路径损耗；同时动态调节irs各反射单元的相位，建立可靠的反射路径以对抗直射径的阻塞。考虑到信道估计的难度，本发明在未知csi的情况下，设计收发端波束赋形、irs反射系数和调度策略的联合优化方案，以较低的复杂度获得用户信息时效性的保障和系统和速率性能的提升。

55、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。