基于交替方向的智能反射面波束赋形和相移设计方法技术

本发明专利技术属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于交替方向的智能反射面波束赋形和相移设计方法。本发明专利技术的方案主要是将解决初始的波束形成和相移设计联合优化的非凸问题分解为如下两个过程：1)在固定相移条件下优化波束形成向量，2)当其他相移和波束形成向量都固定时，确定一个特定的相移，并推导出其封闭解。经过仿真验证，基于交替方向的智能反射面波束赋形和相移设计方案具有较低的复杂度和较好的误码率性能。误码率性能。误码率性能。

【技术实现步骤摘要】
基于交替方向的智能反射面波束赋形和相移设计方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种基于交替方向的智能反射面波束赋形和相移设计方法。

技术介绍

[0002]近年来，智能反射面技术被广泛讨论为未来6G网络的潜在候选对象，具有提高信号质量、能源效率和吞吐量的优点。通过其低成本元件操纵反射信号相移的独特能力，使得智能反射面成为一种优秀的无线通信技术。
[0003]目前的研究表明，RIS(Reconfigurable Intelligent Surface，智能反射面)的元件能够通过控制器改变反射系数来调节反射电磁波的相移从而提供可观的多径分集增益，而无需昂贵的硬件需求。
[0004]另一方面，常规的RIS技术方案为了解决MIMO系统中波束形成和相移设计联合优化的非凸问题，常常会产生性能损失和高复杂度。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术提出了一种交替方向(AD，Alternating Direction)方案，以最大限度地提高MIMO系统的整体接收信噪比，该方法具有优良的误码率性能。
[0006]本专利技术的技术方案为基于交替方向的智能反射面波束赋形和相移设计方法，涉及到系统模型、工作原理以及优化方案。
[0007]本专利技术采用的技术方案为基于交替方向的智能反射面波束赋形和相移设计：系统模型如图1所示，考虑一个RIS辅助MIMO发送的通信系统，发送方为BS，接收方为Receiver。其中发送方BS部署有N
t
根天线，RIS部署有N个反射单元，而Receiver部署有N
r
根天线。发送方通过RIS与接收方进行通信。RIS中的每个反射单元都可以独立地利用反射系数来调整入射信号的相移(Phase Shift，PS)。与分别表示BS
‑
RIS链路的信道、RIS
‑
Receiver链路的信道和BS
‑
Receiver链路的信道，其中表示复数域。
[0008]基于交替方向的智能反射面波束赋形和相移设计的工作原理是：定义基带发射信号为s，其功率约束满足s
H
s＝E
s
，由波束赋形矢量进行预编码，接收机整体信号可建模为
[0009][0010]其中，y为接收信号，Θ为RIS的相移矩阵，为复加性高斯白噪声，σ2表示方差，I表示单位矩阵，H＝RΘT+D为信道；
[0011]因此，这个问题可以表述为：
[0012][0013]s.t.||w||2＝1,
＝1时取得最大特征值。
[0035]根据上述推导，最优的波束赋形向量是对应H
H
H最大特征值的特征向量，即
[0036][0037]其中
[0038][V,Λ]＝eig(H
H
H)
[0039]eig为矩阵特征值分解函数，为Λ中最大特征值的索引，w
opt
为最优波束赋形向量。
[0040]对于固定的波束赋形向量w，问题可转换为：
[0041][0042]s.t.θ
i
∈[0,2π),i＝1,2,
…
,N
[0043]对于具有多个非凸变量的高耦合问题，寻找最优解十分困难，于是可以在求特定单元相移θ
n
的封闭解时其他RIS单元固定。由此可将该问题分解为N个子问题：
[0044][0045]s.t.θ
n
∈[0,2π)
[0046]其中为第n个子问题，定义其中
[0047][0048][0049]令d||(RΘT+D)w||2/dθ
n
＝0，该方程有两个根，表示为：
[0050][0051][0052]其中
[0053][0054][0055][0056][0057]然后通过判断和中哪个能使的目标函数变大来确定其解。注意到
的解析解是在其他N
‑
1个相移固定时得到的，因此，为了得到整体解，必须从θ1重复到θ
n
，直到所有元素收敛。
[0058]为说明该方案在功率性能上的优越性，下面通过仿真来验证本专利技术的有益效果。
[0059]首先将理论边界与仿真结果进行比较，通过蒙特卡罗模拟验证了理论结果的准确性。
[0060]结合蒙特卡罗仿真，图2揭示了BS天线数N
t
、接收机天线数N
r
和星座阶数Z对AD方案误码率的影响。实线和虚线分别代表计算机仿真结果和理论分析结果。从图一可以看出，随着信噪比的提高，接收机的误码率理论上限渐近逼近仿真结果，并且星座阶数越大，误码率性能越差，而接收机天线数越多，性能增益越好。具体地，在BER＝10
‑3时，Z＝4比Z＝2时的信噪比损失约为3dB，而N
r
＝4比N
r
＝2的信噪比增益约为3dB。
[0061]图3描述了单信道时目标函数随特定RIS单元θ
n
在[0,2π]变化的值。图三结果表明，以为目标函数，和中的一个达到最大值，而另一个达到最小值。证明了方案的最优性。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于交替方向的智能反射面波束赋形和相移设计方法，用于RIS辅助MIMO发送的通信系统，系统中发送方BS部署有N
t
根天线，RIS部署有N个反射单元，接收方Receiver部署有N
r
根天线，发送方通过RIS与接收方进行通信，RIS中的每个反射单元都可以独立地利用反射系数来调整入射信号的相移；定义与分别表示BS
‑
RIS链路的信道、RIS
‑
Receiver链路的信道和BS
‑
Receiver链路的信道，其中表示复数域，定义基带发射信号为s，其功率约束满足s
H
s＝E
s
，由波束赋形矢量进行预编码；接收机信号模型为：其中，y为接收信号，Θ为RIS的相移矩阵，为复加性高斯白噪声，其中σ2表示方差，I表示单位矩阵，H＝RΘT+D为信道；其特征在于，所述波束赋形和相移设计方法为，首先建立优化模型：s.t.||w||2＝1,θ
i
∈[0,2π),i＝1,2,
…
,N其中R为目标函数，θ
i
为相移矩阵Θ的第i个元素，根据接收信号的表达式，将问题的目标函数转换为：R＝log(1+γ
SNR
)其中γ
SNR
为接收信噪比，表示为：则问题可以转换为：s.t.||w||2＝1,θ
i
∈[0,2π),i＝1,2,
…
,N通过求解优化模型即可得到波束赋形w和智能表面端相移矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛鸿，蒋伟，雷霞，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：