混合IRS辅助DM的低复杂度波束成形优化方法及系统

本发明涉及irs辅助方向调制系统的波束成形设计领域，特别是一种混合irs辅助dm的低复杂度波束成形优化方法及系统。

背景技术：

1、方向调制(directional modulation，dm)是无线物理层安全的关键技术之一，在民用和军事领域中均具有极大的应用前景，受到了学术界及工业界的广泛关注。dm可以在发射端将数字编码信号发射到理想的安全方向，同时扭曲在其他方向上的信号星座图，从而达到安全传输的目的。随着无线网络的快速发展，设计更低成本和能耗无线传输网络的需求变得日益迫切，由大量小型低成本可重构无源元件组成的智能反射面(intelligentreflecting surface，irs)即可满足该需求。实际上，irs作为一种无源转发设备，被认为是一种低成本、低能耗的发射中继，其通过智能地调整入射电磁波的相移来重新配置信号传输环境，从而增强所需接收信号的速率或抑制干扰信号。

2、由于经过无源irs的级联信道存在双衰落效应，可能无法获得满意的速率性能提升，而使用全有源irs会导致高成本和高功耗。为了克服无源irs和有源irs的限制，混合irs应运而生，其主要思想为：使用一部分有源irs元件来替换无源irs元件，此部分元件可以放大信号，从而有效克服双衰落效应和提高系统的可达速率，达到成本、功耗和性能的平衡。

3、因此，为了提高传统方向调制网络中系统的可达速率，实现性能、成本及功耗的平衡，改善全无源irs辅助方向调制网络的安全速率，研究一种混合irs辅助的方向调制通信系统具有重要的意义，目前尚未有相关报道。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种混合irs辅助dm的低复杂度波束成形优化方法及系统，基于最大化信噪比-等幅度反射(maximum signal-to-noise-ratio equal amplitudereflecting，max-snr-ear)算法，通过交替优化思想分别设计发射波束成形向量和混合irs相移矩阵，从而提高系统的速率性能，实现性能、成本及功耗的平衡。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种混合irs辅助dm的波束成形和相移矩阵优化方法，包括以下步骤：

3、步骤s1、对基站发射天线、混合irs配备的反射元件、用户配备的接收天线进行初始化设置；

4、步骤s2、获取基带发射信号，构建混合irs辅助方向调制的最大化信噪比优化问题模型，并通过步骤s3～步骤s5的交替优化算法求解；

5、步骤s3、固定无源irs和有源irs相移矩阵，采用连续凸近似算法优化发射波束成形向量；

6、步骤s4、固定发射波束成形向量和有源irs相移矩阵，采用连续凸近似算法优化无源irs相移矩阵；

7、步骤s5、固定发射波束成形向量和无源irs相移矩阵，采用分式规划算法优化有源irs相移矩阵。

8、一种混合irs辅助dm的波束成形和相移矩阵优化系统，该系统用于实现所述的混合irs辅助dm的波束成形和相移矩阵优化方法，该系统包括初始化模块、优化问题模型构建模块、发射波束成形向量优化模块、无源irs相移矩阵优化模块、有源irs相移矩阵优化模块，其中：

9、初始化模块，对基站发射天线、混合irs配备的反射元件、用户配备的接收天线进行初始化设置；

10、优化问题模型构建模块，获取基带发射信号，构建混合irs辅助方向调制的最大化信噪比优化问题模型，并通过发射波束成形向量优化模块、无源irs相移矩阵优化模块、有源irs相移矩阵优化模块的交替优化算法求解；

11、发射波束成形向量优化模块，固定无源irs和有源irs相移矩阵，采用连续凸近似算法优化发射波束成形向量；

12、无源irs相移矩阵优化模块，固定发射波束成形向量和有源irs相移矩阵，采用连续凸近似算法优化无源irs相移矩阵；

13、有源irs相移矩阵优化模块，固定发射波束成形向量和无源irs相移矩阵，采用分式规划算法优化有源irs相移矩阵。

14、一种移动终端，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所述的混合irs辅助dm的波束成形和相移矩阵优化方法。

15、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现所述的混合irs辅助dm的波束成形和相移矩阵优化方法中的步骤。

16、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

17、(1)基于最大化可达速率准则，提出一种max-snr-ear算法，通过交替优化思想分别设计发射波束成形向量和混合irs相移矩阵，其中波束成形向量通过最大化信泄噪比算法求解，混合irs相移矩阵则使用相位对齐和等幅度反射准则求解；

18、(2)实验结果表明，与无irs和随机相移irs的情形相比，所提max-snr-ear算法的可达速率约提高了35％，而无源irs的可达速率只提高了17％；

19、(3)提高了系统的速率性能，实现了性能、成本及功耗的平衡。

20、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。

技术特征：

1.一种混合irs辅助dm的低复杂度波束成形优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的混合irs辅助dm的低复杂度波束成形优化方法，其特征在于，所述步骤s1，具体如下：

3.根据权利要求2所述的混合irs辅助dm的低复杂度波束成形优化方法，其特征在于，所述步骤s2，具体如下：

4.根据权利要求3所述的混合irs辅助dm的低复杂度波束成形优化方法，其特征在于，所述步骤s3，具体如下：

5.根据权利要求4所述的混合irs辅助dm的低复杂度波束成形优化方法，其特征在于，所述步骤s4，具体如下：

6.一种混合irs辅助dm的低复杂度波束成形优化系统，其特征在于，该系统用于实现权利要求1～5任一项所述的混合irs辅助dm的低复杂度波束成形优化方法，该系统包括初始化模块、优化问题模型构建模块、发射波束成形向量优化模块、混合irs相移矩阵优化模块，其中：

7.一种移动终端，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，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1～5任一项所述的混合irs辅助dm的低复杂度波束成形优化方法。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1～5任一项所述的混合irs辅助dm的低复杂度波束成形优化方法中的步骤。

技术总结
本发明公开了一种混合IRS辅助DM的低复杂度波束成形优化方法及系统。该方法为：对基站发射天线、混合IRS配备的反射元件、用户配备的接收天线进行初始化设置；获取基带发射信号，构建混合IRS辅助方向调制的最大化信噪比优化问题模型，并通过交替优化算法求解；固定混合IRS相移矩阵，采用最大化信泄噪比算法优化发射波束成形向量；固定发射波束成形向量，采用相位对齐和等幅度反射准则优化混合IRS相移矩阵。该系统包括初始化、优化问题模型构建、发射波束成形向量优化、混合IRS相移矩阵优化四个模块。本发明通过交替优化分别设计发射波束成形向量和混合IRS相移矩阵，提高了系统的速率性能，实现了性能、成本及功耗的平衡。

技术研发人员：束锋,董榕恩,林叶青,谢中毅,沈重,王雪辉,张旗,王艳
受保护的技术使用者：海南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15