【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于無線通信，具體涉及一種實現不規則有源ris輔助通信系統的波束賦形設計方法。
技術介紹
1、隨著移動通信技術的迅速發展，人們對無線通信系統的需求也越來越大。然而，隨著通信技術的進步和用戶數量的不斷增加，傳統的無線通信系統也面臨著諸多挑戰。在通信過程中信號傳輸容易受到環境因素的影響，基站(base?station，bs)和用戶設備(userequipment，ue)之間的無線傳播環境通常被視為不可控制的。ris可以通過res來調整入射信號的幅度和相位來改變無線傳播環境，從而有效提高通信系統的性能和減少通信中斷。
2、作為一項新興技術，目前關于ris的研究主要在無源ris，也即只能改變信號的相位。在無源ris輔助的無線通信系統中，接收到的信號功率與res數量的平方成正比，通過增加res的數量可以提高通信系統的性能。利用梯度下降搜索和分式規劃方法可以解決多用戶情況下無源ris輔助通信系統的最大化能效問題。雖然無源ris能提升通信系統的性能，但是會不可避免的引入“乘性衰落”，因其基站-ris和ris-用戶之間的路徑損耗是相乘的，比單一的視距鏈路損耗大幾千倍，使得無源ris在許多無線環境中難以能獲得明顯的容量增益。為了克服“乘性衰落”效應，有源ris被提出來了，與無源ris對通信系統的性能提升相比，有源ris能夠實現更高的可達速率。
3、關于有源ris輔助通信系統的預編碼設計已經得到了廣泛研究，但是以往關于有源ris的工作通常考慮的是規則ris，即res在反射面的網格上以恒定的間距規則排列。當規則有源r
技術實現思路
1、有鑒于此，本專利技術提出一種實現不規則有源ris輔助通信系統的波束賦形設計方法，具體包括以下步驟：
2、構建不規則有源ris結構輔助通信系統，在該系統中構建以最大化和速率為目標的優化問題；
3、求解最大化和速率為目標的優化問題時，將該問題拆分為求解有源ris拓撲結構下波束賦形的問題和求解最優的ris拓撲結構問題；
4、求解最優的ris拓撲結構問題時，利用基于基于禁忌搜索自適應搜索算法，迭代搜索ris的拓撲結構；
5、利用分式規劃方法對有源ris拓撲結構下波束賦形的問題中的優化變量進行解耦，并對優化變量進行交替優化，得到松弛變量、基站處的發送預編碼以及ris處的波束賦形矩陣。
6、進一步地，不規則有源ris結構輔助通信系統包括擁有m根天線的基站、k個具有單天線的用戶以及一個具有ns個網格大小的用來配置反射單元的反射面；在不規則有源ris結構輔助通信系統中，包括基站與不規則有源ris之間的信道、不規則有源ris與用戶之間的信道、基站與用戶之間的信道，基站與不規則有源ris之間的信道、不規則有源ris與用戶之間的信道建模為萊斯衰落信道，基站與用戶之間的信道建模為瑞利衰落信道。
7、進一步地，在不規則有源ris結構輔助通信系統中，以最大化和速率為目標的優化問題表示為：
8、
9、約束條件：
10、
11、
12、
13、其中，rsum(w,θ,a)為不規則有源ris結構輔助通信系統的和速率，w為基站處的波束賦形矩陣，θ為不規則有源ris的反射預編碼矩陣，a為不規則有源ris拓撲結構矩陣，本專利技術利用一個ns×ns的對角線上的元素來表示反射單元，當第i行、第i列的元素值為1時表示第i個反射單元處于開啟狀態、為0時處于關閉狀態；γk為用戶k處接收到的信干燥比，k為系統中的用戶數量；wk為基站針對用戶k的發射預編碼向量，||·||表示歐幾里得范數，為基站的最大發射功率；f為不規則有源ris與用戶之間的信道增益矩陣，||·||f表示弗羅貝尼烏斯范數；有源ris引入的熱噪聲且服從高斯分布為有源ris引入的熱噪聲的方差參數，為不規則有源ris處的最大反射功率；an表示在不規則有源ris中第n個網格的反射單元的狀態，當an＝0時表示該反射單元不使用，反之當an＝1表示該反射單元被使用；ns為網格的數量，n為反射單元的數量，且n個反射單元不規則地分布在ns個網格中，ns＞n且每個網格最多一個反射單元；ins表示ns×ns的單位矩陣；xt表示矩陣x或者向量x的轉置。
14、進一步地，利用分式規劃方法對有源ris拓撲結構下波束賦形的問題中的優化變量進行解耦的過程包括：
15、利用分式規劃方法引入第一松弛變量向量和第二松弛變量向量將求解有源ris拓撲結構下波束賦形的問題轉為：
16、
17、約束條件：
18、
19、a＝a0
20、
21、其中，f(w,θ,μ,ν)為引入松弛變量之后的有源ris拓撲結構下波束賦形的問題；μk為第一松弛變量向量中的第k個元素；νk為第二松弛變量向量中的第k個元素，|·|表示模值，為νk的共軛，wj為基站針對用戶j的發射預編碼向量，hr,k表示不規則有源ris中反射單元r與用戶k之間的信道增益，hd,k表示基站與用戶k之間的信道增益，基站處的白噪聲服從的復高斯分布，為復高斯分布的方差，a0為首次迭代時在不規則有源ris的拓撲結構矩陣；x?h表示矩陣x或者向量x的共軛轉置。
22、進一步地，利用分式規劃方法對有源ris拓撲結構下波束賦形的問題中的優化變量進行解耦后，對優化變量進行交替優化，優化過程包括：
23、固定基站處的波束賦形矩陣w、不規則有源ris的反射預編碼矩陣θ和第二松弛變量向量ν后，令求解得到此時第一松弛變量向量和第二松弛變量向量種最優的第k個元素
24、根據最優的固定優化變量μk、νk，并固定不規則有源ris的反射預編碼矩陣θ，將固定的參數代入解耦后的有源ris拓撲結構下波束賦形的問題中，并利用cvx工具箱求解得到基站處的波束賦形矩陣w；
25、將求解得到的基站處的波束賦形矩陣w以及最優的參數代入解耦后的有源ris拓撲結構下波束賦形的問題中，并利用cvx工具箱求解得到不規則有源ris的反射預編碼矩陣θ。
26、進一步地，令求解得到此時最優的表示為：
27、
28、其中，ηk為一個中間參數，表示為表示求復數的實部。
29、進一步地，根據最優的固定優化變量μk、νk，并固定不規則有源ris的反射預編碼矩陣θ，將固定的參數代入解耦后的有源ris拓撲結構下波束賦形的問題中，代入后的優化問題表示為：
30、
31、約束條件：
32、
33、其中，為一個中間變量，該變量中第k個元素zk的共軛轉置表示為：t為一個中間變量，表示為ik表示k×k的本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種實現不規則有源RIS輔助通信系統的波束賦形設計方法，其特征在于，具體包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種實現不規則有源RIS輔助通信系統的波束賦形設計方法，其特征在于，不規則有源RIS結構輔助通信系統包括擁有M根天線的基站、K個具有單天線的用戶以及一個具有Ns個網格大小的用來配置反射單元的反射面；在不規則有源RIS結構輔助通信系統中，包括基站與不規則有源RIS之間的信道、不規則有源RIS與用戶之間的信道、基站與用戶之間的信道，基站與不規則有源RIS之間的信道、不規則有源RIS與用戶之間的信道建模為萊斯衰落信道，基站與用戶之間的信道建模為瑞利衰落信道。
3.根據權利要求1或2所述的一種實現不規則有源RIS輔助通信系統的波束賦形設計方法，其特征在于，在不規則有源RIS結構輔助通信系統中，以最大化和速率為目標的優化問題表示為：
4.根據權利要求3所述的一種實現不規則有源RIS輔助通信系統的波束賦形設計方法，其特征在于，利用分式規劃方法對有源RIS拓撲結構下波束賦形的問題中的優化變量進行解耦的過程包括：
5.根據權利要求4所
6.根據權利要求5所述的一種實現不規則有源RIS輔助通信系統的波束賦形設計方法，令求解得到此時最優的表示為：
7.根據權利要求5所述的一種實現不規則有源RIS輔助通信系統的波束賦形設計方法，根據最優的固定優化變量μk、νk，并固定不規則有源RIS的反射預編碼矩陣θ，將固定的參數代入解耦后的有源RIS拓撲結構下波束賦形的問題中，代入后的優化問題表示為：
8.根據權利要求5所述的一種實現不規則有源RIS輔助通信系統的波束賦形設計方法，將求解得到的基站處的波束賦形矩陣W以及最優的參數代入解耦后的有源RIS拓撲結構下波束賦形的問題中，代入后的優化問題表示為：
9.根據權利要求1或3所述的一種實現不規則有源RIS輔助通信系統的波束賦形設計方法，其特征在于，求解最優的RIS拓撲結構問題的過程包括：
...【技術特征摘要】
1.一種實現不規則有源ris輔助通信系統的波束賦形設計方法，其特征在于，具體包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種實現不規則有源ris輔助通信系統的波束賦形設計方法，其特征在于，不規則有源ris結構輔助通信系統包括擁有m根天線的基站、k個具有單天線的用戶以及一個具有ns個網格大小的用來配置反射單元的反射面；在不規則有源ris結構輔助通信系統中，包括基站與不規則有源ris之間的信道、不規則有源ris與用戶之間的信道、基站與用戶之間的信道，基站與不規則有源ris之間的信道、不規則有源ris與用戶之間的信道建模為萊斯衰落信道，基站與用戶之間的信道建模為瑞利衰落信道。
3.根據權利要求1或2所述的一種實現不規則有源ris輔助通信系統的波束賦形設計方法，其特征在于，在不規則有源ris結構輔助通信系統中，以最大化和速率為目標的優化問題表示為：
4.根據權利要求3所述的一種實現不規則有源ris輔助通信系統的波束賦形設計方法，其特征在于，利用分式規劃方法對有源ris拓撲結構下波束賦形的問題中的優化變量進行解耦的過程包括：<...
【專利技術屬性】
技術研發人員：雷芳，劉祚，陳發堂，王丹，王華華，
申請(專利權)人：重慶郵電大學，
類型：發明
國別省市：
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