基于可重构智能超表面减轻双衰落辅助毫米波通信的方法与流程

本发明涉及通信，具体涉及一种基于可重构智能超表面减轻双衰落辅助毫米波通信的方法。

背景技术：

1、基于毫米波环境通信技术作为未来蜂窝网络的一项关键技术，已成为未来6g无线系统最有前途的技术之一，然而由于毫米波衰减较为严重，存在严重的路径损耗，其特有的高方向性使毫米波通信容易受到阻塞事件的影响。为了解决阻塞问题并实现室内移动毫米波网络，引入了可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface，ris)或智能反射表面(intelligence reconfigurable surface，irs)技术，以便即使在视线(los)链路被障碍物阻挡的情况下，也能为室内网络建立稳定的毫米波连接，智能反射表面通过软件控制反射来实现智能和可编程的无线传播环境。为了调查不同系统设置和假设下的问题，进行了大量研究。其中，大多数集中于单输入单输出(siso)或多输入单输出(miso)系统。对于基站和用户都配备有多个天线的mimo场景，提出了通过最大化从基站(bs)到用户的有效信道的弗罗贝尼乌斯范数来优化频谱效率。在另一个发明中，开发了一种基于交替优化(ao)的方法，通过联合优化ris的反射系数和mimo发射协方差矩阵来最大化ris辅助的点对点mimo系统的容量。

2、然而，现有的关于ris辅助毫米波通信的技术大多使用只支持信号反射的单功能ris(single functional ris，sf-ris)，由于硬件限制，只能实现半空间信号覆盖，这严重限制了它们在用户随机分布的无线网络中的部署条件，这意味着位于另一侧的用户不能被sf-ris有效地服务。为了克服这一限制，提出了双功能ris(dual-functional ris，df-ris)的概念。与sf-ris不同，df-ris是指可以同时进行信号反射和折射的可重构双功能表面，如同时折射和反射ris(simultaneous transmitting and reflecting ris，star-ris)和智能全向表面(intelligent omni-surface，ios)。然而由df-ris中继的信号需要通过级联信道，这导致严重的双重衰落问题。这个问题可能严重限制ris辅助毫米波通信的性能，会使传播中的信号受损严重，因为级联信道的质量下降，使得信道之间的差异不像预期的那样明显。

3、另外，现有的ris元件都需要通过使用外部功耗来维持工作能力，即ris元件均由电池或电网进行供电，因此对于外部电源的依赖性较大。同时对于电池供电的ris，其续航性较差，并且存在一定的环境危害性，对于其广泛部署也存在一定的限制性，手动更换ris电池成本高昂且不切实际。

技术实现思路

1、为了解决在毫米波环境下使用ris的场景约束问题，本发明提出了一种基于可重构智能超表面减轻双衰落辅助毫米波通信的方法。本发明通过构建数学模型并进行优化的方式，对于现有的毫米波通信进行模型分析，减轻了现有无源ris所面临的双重衰落问题。

2、本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

3、本发明的基于可重构智能超表面减轻双衰落辅助毫米波通信的方法，包括以下步骤：

4、步骤s1：构建mf-ris辅助的毫米波通信系统模型；

5、步骤s2：针对所构建的毫米波通信系统模型的通信进行建模；

6、步骤s3：对建模结果进行理论优化；

7、步骤s4：模拟波束形成器设计；

8、步骤s5：mf-ris的系数设计；

9、步骤s6：数字波束形成器设计。

10、进一步的，步骤s1的具体操作流程如下：

11、基站配备nt个发射天线和rt个射频链，用户配备个接收天线和个射频链，元素和用户的集合分别由和表示，r,t分别表示反射空间和透射空间中的用户；mf-ris的系数矩阵定义为：θk＝diag(uk)，其中θk表示空间中用户的波束成形矩阵，uk表示mf-ris的系数，其计算公式如下：

12、

13、其中j表示虚数单位，和分别表示系数矩阵的幅度和相移，且对系数矩阵的幅度设置了一个约束，满足βmax≥1，表示反射面的相移，表示折射面的相移。

14、进一步的，步骤s2的具体操作流程如下：

15、通过基站为用户k发送信号为的波束数据流ns，经过数字基站预编码器与模拟射频预编码器链接；基站发送的信号为：

16、x＝∑kfrffbb,ksk

17、将发射功率约束应用于混合预编码矩阵ρ表示基站的最大发射功率；bs-用户、bs-ris和ris-用户的信道分别由和表示，nr表示用户接收处的天线数量；

18、用户k接收到的处理后的信号为：

19、

20、通过级联bs-用户信道的有效信号定义为qk＝rkθkg，表示用户k的加性高斯白噪声，表示表示mf-ris的动态噪声，i表示单位矩阵，表示用户k处的加性高斯白噪声，表示每个元件的噪声功率；

21、通过模拟射频组合器和数字基站组合器组合后，用户k处的输出信号表示为：

22、

23、其中上角标h表示表示矩阵的共轭转置。

24、模拟射频预编码器使用移相器实现，在波束形成器设计阶段需满足恒模条件：

25、

26、其中pk表示干扰加噪声协方差矩阵，其计算公式如下：

27、

28、进一步的，步骤s3中，通过联合设计混合预编码矩阵、优化基站处的发射波束成形矩阵和mf-ris的系数矩阵来最大化频谱效率：

29、

30、

31、

32、

33、

34、其中ρ和po分别表示基站的最大发射功率和mf-ris的最大放大功率；上述约束2用于确保基站的发射功率不超过最大发射功率；上述约束3表示波束形成器中的恒定模数；上述约束4用于确保mf-ris系数矩阵的幅度和相移满足要求；上述约束5用于确保mf-ris的功率消耗不超过一个定值。

35、进一步的，步骤s3中，在高信噪比的假设下，频谱效率近似为：

36、

37、最优波束形成器具有近似正交性，其满足以下条件：

38、

39、

40、

41、

42、其中，表示单位矩阵，a2和b2均为归一化因子，其中c2＝a2b2；因此频谱效率被简化为：

43、

44、其中，ak和bk的计算公式为：

45、

46、

47、因此，原始目标函数被写成以下形式：

48、

49、

50、

51、

52、

53、由于变量wrf，k、frf和θk的耦合，原始目标函数仍是非凹函数。

54、进一步的，步骤s4的具体操作流程如下：

55、在空间中用户的波束成形矩阵θk固定的情况下设计模拟射频预编码器frf和模拟射频组合器wrf，k；原始目标函数的大小只取决于其第一项的大小；采用全数字预编码器和全数字组合器进行计算，通过级联bs-用户信道的有效信号qk的奇异值分解表示为qk＝u∑vh，其中

56、当射频链的数量有限时，允许保留级联bs-用户信道的有效信号qk中接收信号的最强部分这导致级联bs-用户信道的有效信号的更可靠的近似；在这种情况下，f＝v1和wk＝u1的值分别代表最佳的全数字预编码器和全数字组合器；

57、在满足恒模条件和一个d比特量化相位的约束下，模拟射频预编码器可表示为：其中，m1表示任意值，n1表示任意值，θm1,n1表示frf的相位取值，同时实现接近全数字预编码器的性能。对于这种每条目优化问题，迭代地优化模拟射频预编码器frf的第m行和第n列中的元素的相位θm,n，其相位优化结果表示为：

58、

59、其中，表示f(m1,n1)的角度，表示角度分辨率，[y]返回y的最近整数；以此类推，模拟射频组合器wrf,k定义为：

60、

61、则模拟射频组合器wrf,k的最佳相位为：其中φm1,n1表示wk(m1,n1)的角度；为了获得最佳的模拟射频预编码器frf和模拟射频组合器wrf,k，分别对元素的每一行和每一列重复上述步骤。

62、进一步的，步骤s5中，在获得模拟波束形成器之后，研究mf-ris系数的优化方法，简化原问题后，原问题改写为：

63、

64、增加一个辅助变量那么优化问题表示为：

65、

66、

67、

68、此时，由于涉及两个优化变量相乘的平方根形式，约束是非凸的，其中τk表示简化后的总噪声功率。

69、进一步的，步骤s5中，采用序列凸逼近算法解决约束是非凸的问题，通过用凸上界逼近平方根来迭代优化引入的辅助变量；定义γk(t)和τk(t)为第t步迭代后的迭代优化变量，对于γk(t)和τk(t)的第t次迭代，使用一阶泰勒多项式展开来逼近原始约束并获得它们的凸上界，即：

70、

71、基于这些变换将上式重写为：

72、

73、此时该优化问题是凸的，用内点法解决，同时为了满足简单约束，提出一个初始解γk(0)和τk(0)，这两个优化变量的初始表达式如下：

74、

75、

76、在获得上述两个优化变量的初始表达式后，迭代求解优化问题并得到mf-ris系数直到实现参数收敛；然后通过mf-ris系数的奇异值分解获得mf-ris的幅度和相移。

77、进一步的，步骤s6的具体操作流程如下：

78、有效基带通道heff定义为：有效基带通道heff的奇异值分解为heff＝u∑vh，其中，和∑均为奇异值的对角矩阵；为最大化频谱效率，定义数字基站预编码器fbb，k＝v(:,1:ns)和数字基站组合器wbb，k＝u(:,1:ns)。

79、进一步的，考虑发射功率约束和mf-ris的放大功率约束，假设和的解同时取等号时，归一化的数字基站预编码器是

80、本发明的有益效果是：

81、本发明针对现有ris普遍存在的双重衰落现象，创造性的提出了一种基于可重构智能超表面减轻双衰落辅助毫米波通信的方法，利用可重构多功能智能超表面(multi-functional reconfigurable intelligence surface，mf-ris)本身存在的表面等效电阻抗和磁阻抗的特性，实现了入射信号的反射和折射，利用负电阻元件实现了信号的放大，不仅实现了单功能ris和双功能ris的特有功能，同时也对于二者存在的缺陷加以改进，实现了全空间覆盖并且解决了双重衰落问题，具有一定的前瞻性和创新性。

82、本发明的一种基于可重构智能超表面减轻双衰落辅助毫米波通信的方法，不仅可以基于场等效原理将入射信号分为折射和反射两部分，还可以借助有源负载放大输入信号，因此能够大大降低毫米波的路径损耗，实现全空间覆盖并克服双重衰落问题，提高毫米波网络部署的灵活性和有效性。