一种基于分布式RIS辅助多用户系统的联合功率分配和相移设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于分布式RIS辅助多用户系统的联合功率分配和相移设计方法，该方法包括下述步骤：建立分布式RIS辅助的多用户系统，构建级联信道模型及接收信号模型；联合功率分配、RIS相移和通信调度设计，构建可达速率最大化的目标优化问题；通过最大化遍历可达速率优化功率分配；采用最小化

【技术实现步骤摘要】
一种基于分布式RIS辅助多用户系统的联合功率分配和相移设计方法


[0001]本专利技术涉及无线通信，特别是涉及一种基于分布式RIS辅助多用户系统的联合功率分配和相移设计方法。

技术介绍

[0002]可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface，RIS)能够实现前所未有的高吞吐量和能效，自提出以来得到了广泛的研究。与传统的有源波束成形/中继技术相比，RIS的每个反射元件都可以调整入射信号的反射方向，从而有效提高通信质量。由于反射元件的硬件成本低，RIS可以灵活部署以提高多用户多输入多输出(multiple
‑
input multiple
‑
output，MIMO)系统的频谱效率。因此，研究RIS辅助系统中的资源分配方案，从而扩大通信服务范围并满足绿色通信的服务质量要求，是新一代移动通信的研究热点。
[0003]为满足无线通信中高吞吐量、高连接性及服务质量需求，将越来越多的RIS集成到微蜂窝网络具有很大意义。多个RIS可以提供更丰富的宏分集，而其中RIS在大面积上的分布可以通过从完全不相关的RIS节点向接收机发送相同的信息来改善空间分集。因此，分布式RIS的合作关系不可忽略。值得注意的是，关于多RIS辅助通信的现有工作忽略了多RIS之间的功率分配，限制了其在物联网中的应用。这些观察结果表明，分布式RIS在优化系统性能方面非常重要，特别是在对阴影衰落信道的影响提供更强的鲁棒性方面。
[0004]此外，分布式RIS提供了移动性自由度以提高无线网络的性能，每个用户可以在不同的位置用不同的传播路径从RIS接收信号。然而，每个RIS都会受到独立且不同程度的大规模衰落影响，这导致通信调度和功率分配的进一步复杂化。并且由于引入了分布式RIS，功率分配与多个RIS的相移设计耦合在一起，这使得无法直接应用现有方法。因此，缺乏对分布式RIS辅助通信调度和功率分配系统的研究。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本专利技术提供一种基于分布式RIS辅助多用户系统的联合功率分配和相移设计方法。
[0006]本专利技术的第二目的在于提供一种基于分布式RIS辅助多用户系统的联合功率分配和相移设计系统。
[0007]本专利技术的第三目的在于提供一种存储介质。
[0008]本专利技术的第四目的在于提供一种计算设备。
[0009]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]本专利技术提供一种基于分布式RIS辅助多用户系统的联合功率分配和相移设计方法，包括以下步骤：
[0011]建立分布式RIS辅助的多用户系统，构建级联信道模型及接收信号模型；
[0012]基于唤醒通信调度方法构建BS
‑
用户、BS
‑
RIS
‑
用户信道的指标变量，并构建通信
调度约束，在总发射功率约束下构建可达速率最大化的目标优化问题；
[0013]通过最大化遍历可达速率优化功率分配；
[0014]采用最小化
‑
最大化优化方法，通过使总信道增益的近似最大化确定第m个RIS中的第i个反射系数的相移，对相移进行优化；
[0015]将通信调度约束调宽，构建通信调度目标函数，通过交替优化完成多个RIS的发射功率、相移和通信调度优化。
[0016]作为优选的技术方案，构建级联信道模型，具体表示为：
[0017][0018]其中，V
k,m
表示级联的BS
‑
RIS
‑
用户信道，d
k,m
表示BS和RIS之间的小尺度衰落信道，g
k,m
表示用户和RIS之间的小尺度衰落信道，a
k,m
表示大尺度衰落系数；
[0019]将多个RIS与级联信道模型相结合，将经过M个RIS的接收导频信号表示为：
[0020][0021]其中，s
k
表示传输符号，p
k
表示BS发射到第k个用户的发射功率，h
k
表示第k个用户和BS之间的信道，φ
k,m
表示第m个RIS引入的相移，n
k
表示第k个用户处的噪声。
[0022]作为优选的技术方案，所述在总发射功率约束下构建可达速率最大化的目标优化问题，具体步骤包括：
[0023]构建BS
‑
用户、BS
‑
RIS
‑
用户信道的指标变量为ζ
a,l
和ζ
b,l
，并构建调度约束；
[0024]基于LOS和反射信道的线性将接收信号进行分解；
[0025]通过应用Jensen不等式，求解出可达速率的下界；
[0026]在总发射功率约束下，分布式RIS辅助多用户MIMO系统的可达速率优化问题表示为：
[0027][0028][0029][0030][0031][0032]其中，P
m,k
表示第m个天线到第k个用户的发射功率，P
max
表示BS处的最大功率限制，φ
k,m,i
表示RIS相移矩阵约束，β
k,m,i
和ω
k,m,i
分别表示第m个RIS的反射振幅和相位移动；
[0033]将目标函数表示为：
[0034][0035][0036]其中，PI
m,k
表示第k个用户的干扰功率，表示方差的系数，V
m,k
表示级联的BS
‑
RIS
‑
用户信道，β0表示振幅初值，χ
m,k
表示阴影衰落的系数，φ
k,m
表示第m个RIS到第k个用户的相移，表示NLOS的噪声。
[0037]作为优选的技术方案，通过最大化遍历可达速率优化功率分配，具体步骤包括：
[0038]将可达速率最大化的目标优化问题调整为：
[0039][0040][0041][0042][0043][0044][0045][0046][0047][0048]其中，P
m,k
表示第m个天线到第k个用户的发射功率，PI
m,k
表示第k个用户的干扰功率，P
max
表示BS处的最大功率限制，X
k
表示第k个用户的LOS变量，e
‑
Xk
表示第k个用户的LOS指数变量，e
‑
Yk
表示第k个用户的NLOS指数变量，V
m,k
表示级联的BS
‑
RIS
‑
用户信道，β0表示振幅初值，χ
m,k
表示阴影衰落的系数，φ
m,k
表示第m个RIS到第k个用户的相移，和分别表示LOS和NOS的噪声；
[0049]采本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分布式RIS辅助多用户系统的联合功率分配和相移设计方法，其特征在于，包括以下步骤：建立分布式RIS辅助的多用户系统，构建级联信道模型及接收信号模型；基于唤醒通信调度方法构建BS
‑
用户、BS
‑
RIS
‑
用户信道的指标变量，并构建通信调度约束，在总发射功率约束下构建可达速率最大化的目标优化问题；通过最大化遍历可达速率优化功率分配；采用最小化
‑
最大化优化方法，通过使总信道增益的近似最大化确定第m个RIS中的第i个反射系数的相移，对相移进行优化；将通信调度约束调宽，构建通信调度目标函数，通过交替优化完成多个RIS的发射功率、相移和通信调度优化。2.根据权利要求1所述的基于分布式RIS辅助多用户系统的联合功率分配和相移设计方法，其特征在于，构建级联信道模型，具体表示为：其中，V
k,m
表示级联的BS
‑
RIS
‑
用户信道，d
k,m
表示BS和RIS之间的小尺度衰落信道，g
k,m
表示用户和RIS之间的小尺度衰落信道，a
k,m
表示大尺度衰落系数；将多个RIS与级联信道模型相结合，将经过M个RIS的接收导频信号表示为：其中，s
k
表示传输符号，p
k
表示BS发射到第k个用户的发射功率，h
k
表示第k个用户和BS之间的信道，φ
k,m
表示第m个RIS引入的相移，n
k
表示第k个用户处的噪声。3.根据权利要求1所述的基于分布式RIS辅助多用户系统的联合功率分配和相移设计方法，其特征在于，所述在总发射功率约束下构建可达速率最大化的目标优化问题，具体步骤包括：构建BS
‑
用户、BS
‑
RIS
‑
用户信道的指标变量为ζ
a,l
和ζ
b,l
，并构建调度约束；基于LOS和反射信道的线性将接收信号进行分解；通过应用Jensen不等式，求解出可达速率的下界；在总发射功率约束下，分布式RIS辅助多用户MIMO系统的可达速率优化问题表示为：P0:P0:P0:P0:P0:其中，P
m,k
表示第m个天线到第k个用户的发射功率，P
max
表示BS处的最大功率限制，
φ
k,m,i
表示RIS相移矩阵约束，β
k,m,i
和ω
k,m,i
分别表示第m个RIS的反射振幅和相位移动；将目标函数表示为：将目标函数表示为：其中，PI
m,k
表示第k个用户的干扰功率，表示方差的系数，V
m,k
表示级联的BS
‑
RIS
‑
用户信道，β0表示振幅初值，χ
m,k
表示阴影衰落的系数，φ
k,m
表示第m个RIS到第k个用户的相移，表示NLOS的噪声。4.根据权利要求1所述的基于分布式RIS辅助多用户系统的联合功率分配和相移设计方法，其特征在于，通过最大化遍历可达速率优化功率分配，具体步骤包括：将可达速率最大化的目标优化问题调整为：P1.2:P1.2:P1.2:P1.2:P1.2:P1.2:P1.2:P1.2:P1.2:其中，P
m,k
表示第m个天线到第k个用户的发射功率，PI
m,k
表示第k个用户的干扰功率，P
max
表示BS处的最大功率限制，X
k
表示第k个用户的LOS变量，e
‑
Xk
表示第k个用户的LOS指数
变量，e
‑
Yk
表示第k个用户的NLOS指数变量，V
m,k
表示级联的BS
‑
RIS
‑
用户信道，β0表示振幅初值，χ
m,k
表示阴影衰落的系数，φ
m,k
表示第m个RIS到第k个用户的相移，和分别表示LOS和NOS的噪声；采用基于和速率最大化的交替迭代处理非凸函数，转化为：采用基于和速率最大化的交替迭代处理非凸函数，转化为：其中，为的指数变量，表示LOS任意变量，Y
k
表示任意变量，表示Y
k
的二阶泰勒展开点，为的指数变量；优化问题在第t次迭代时的凸近似表示为：P1.3:P1.3:P1.3:P1.3:P...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱小群，杨裕，关景新，陈真，苏泓楷，李釜霖，马维旻，
申请(专利权)人：珠海城市职业技术学院，
类型：发明
国别省市：