一种基于RIS辅助MISO蜂窝系统鲁棒波束赋形方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于RIS辅助MISO蜂窝系统鲁棒波束赋形方法，属于B5G蜂窝通信领域。本发明专利技术针对存在畸变噪声与信道不确定性问题，考虑基站最大传输功率约束、用户服务质量约束和RIS的离散相移约束，设计基于统计信道不确定性的能效最大化主被动联合波束成形算法；并利用丁克尔巴赫方法将分数规划问题转换为减法形式的等价问题；基于Bernstein型不等式、逐次凸逼近方法和半定松弛方法将原问题转化为等价的凸优化问题求解。本发明专利技术具有较好的能效和鲁棒性，适用于收发机存在诸如I/Q不均衡、放大器非线性等硬件损伤的实际通信场景。器非线性等硬件损伤的实际通信场景。器非线性等硬件损伤的实际通信场景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于RIS辅助MISO蜂窝系统鲁棒波束赋形方法


[0001]本专利技术属于B5G蜂窝通信领域，涉及一种基于RIS辅助MISO蜂窝系统鲁棒波束赋形方法。

技术介绍

[0002]随着通信技术的不断发展，无线通信网络越来越密集。然而，障碍物的遮挡和信道不确定性带来的影响也越来越突出。为此，智能超表面(Reconfigurable Intelligence Surface，RIS)是解决上述问题的关键技术，通过智能调整RIS的相移可以动态改善无线传播环境，主动重新配置端到端无线链路，从而引入额外的自由度以最大限度地提高系统性能。
[0003]由于RIS的无源特性，很难获得完美的信道状态信息，而传统的多用户多输入单输出(Multi
‑
User Multiple
‑
Input Single
‑
Output，MU
‑
MISO)通信系统波束成形设计方法，常常忽略信道不确定性对系统性能的影响。此外，由于放大器非线性和I/Q不均衡等客观因素的影响，会导致接收机的工作模式或工作状态发生变化。例如，在多天线系统中，通信设备制造商会为了降低硬件成本而使用廉价的元器件，这将增加硬件损伤的可能。然而，目前存在的一些发射机校准方案和接收机补偿方法并不能完全消除硬件损伤对系统的影响。因此，在存在信道不确定性和硬件损伤的RIS辅助MU
‑
MISO通信系统场景下进行鲁棒波束成形设计非常具有挑战性。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于RIS辅助MISO蜂窝系统鲁棒波束赋形方法，针对存在畸变噪声与信道不确定性问题，考虑用户服务质量约束、RIS的离散相移约束和每个基站最大传输功率约束，以能量效率最大化为优化目标，对带有硬件损伤的RIS辅助MU
‑
MISO通信系统建立系统模型并求解。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种基于RIS辅助MISO蜂窝系统鲁棒波束赋形方法，考虑用户服务质量约束、RIS的离散相移约束和每个基站最大传输功率约束，以能量效率最大化为优化目标，对带有硬件损伤的RIS辅助多用户多输入单输出(Multi
‑
User Multiple
‑
Input Single
‑
Output，MU
‑
MISO)通信系统建立系统模型；利用丁克尔巴赫方法将最大最小形式的分数规划问题转换为减法形式的等价问题；基于Bernstein型不等式、逐次凸逼近方法和半定松弛方法将原问题转化为等价的凸优化问题求解；其中，MU
‑
MISO表示多用户多输入单输出。
[0007]进一步，该方法具体包括以下步骤：
[0008]S1：初始化系统参数，设置迭代方法收敛精度迭代初始化；
[0009]S2：给定RIS的对角线相移矩阵，计算基站到用户k的波束成形矩阵，此时的通信系统能效η1和目标函数值F1；
[0010]S3：固定基站到用户k的波束成形矩阵，计算RIS的对角线相移矩阵，此时的通信系
统能效η2和目标函数值F2；
[0011]S4：系统能效更新，根据计算，n表示第n次迭代。；
[0012]S5：判断MU
‑
MISO通信系统能效是否收敛；若是，计算并输出基站到用户的最优波束成形矩阵、RIS的最优对角线相移矩阵和MU
‑
MISO通信系统的最优能效，然后结束；否则，进入步骤S6；
[0013]S6：判断当前迭代次数是否大于最大迭代次数；若是，输出基站到用户的最优波束成形矩阵、RIS的最优对角线相移矩阵和MU
‑
MISO通信系统的最优能效，然后结束；否则，进入下一次迭代，返回步骤S2。
[0014]进一步，步骤S1中，系统参数包括智能超表面(Reconfigurable Intelligence Surface，RIS)反射元件数L、基站天线数M、用户数K、基站到用户k的信道估计向量基站到RIS再到用户k的级联信道估计向量基站总的电路功率消耗值P
C
、基站功率放大系数ξ、基站最大发射功率门限P
max
、用户k的最小传输速率门限基站到用户k的CSI不确定性的相对量基站到RIS再到用户k的CSI不确定性的相对量基站的硬件损伤因子ρ
t
、用户k处的硬件损伤因子ρ
r,k
、通信系统的总能效η、用户k处的噪声功率最大迭代次数N
max
。
[0015]进一步，步骤S2中，基站到用户k的波束成形矩阵，此时的通信系统能效η1和目标函数值F1根据以下公式计算：
[0016][0017][0018][0019][0020][0021][0022][0023]C8:V
k
≥0,
[0024]C9:Rank(V
k
)＝1
[0025]其中，v
k
基站到用户k的波束成形矩阵，t为辅助变量；基站到用户k的波束成形矩阵，t为辅助变量；a、b、α
k
和β
k
为松弛变量；为基站到用户
k信道误差模型的方差，表示该信道的CSI不确定性相对量；为基站到RIS再到用户k道误差模型的方差，表示该信道的CSI不确定性相对量；Tr(
·
)为矩阵的迹，)为矩阵的迹，为用户k的最小传输速率门限，ρ
t
为基站的硬件损伤因子，ρ
r,k
为用户k处的硬件损伤因子；τ
k
为用户k的中断概率；中断概率；为用户k处的噪声功率，θ是RIS相移矩阵的对角元素组成的向量；I为单位矩阵，X≥0表示矩阵X为半正定矩阵，0为全零矩阵，n
t
表示基站硬件损伤引起的畸变噪声，均值为零方差为Φ，Φ＝ρ
t
diag(q1,q2,...,q
M
)，基站发射协方差矩阵对角线元素为(q1,q2,...,q
M
)，r
k
为用户k的可实现速率，P
total
为基站总功耗，总功耗，为基站到用户k的信道估计向量，为基站到RIS再到用户k的级联信道估计向量，vec(X)表示对矩阵X进行向量化操作，将矩阵X每一列取出来组成一个列向量，diag(
·
)为对角化，(
·
)
H
为矩阵的共轭转置，|
·
|为绝对值，||
·
||为向量的欧几里得准则，Rank(
·
)为矩阵的秩。
[0026]进一步，步骤S3中，RIS的对角线相移矩阵，此时的通信系统能效η2和目标函数值F2根据以下公式计算：
[0027][0028][0029][0030][0031][0032]其中，是RIS相移矩阵的对角元素组成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于RIS辅助MISO蜂窝系统鲁棒波束赋形方法，其特征在于，考虑用户服务质量约束、RIS的离散相移约束和每个基站最大传输功率约束，以能量效率最大化为优化目标，对带有硬件损伤的RIS辅助MU
‑
MISO通信系统建立系统模型；利用丁克尔巴赫方法将最大最小形式的分数规划问题转换为减法形式的等价问题；基于Bernstein型不等式、逐次凸逼近方法和半定松弛方法将原问题转化为等价的凸优化问题求解；其中，MU
‑
MISO表示多用户多输入单输出。2.根据权利要求1所述的基于RIS辅助MISO蜂窝系统鲁棒波束赋形方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：S1：初始化系统参数，设置迭代方法收敛精度迭代初始化；S2：给定RIS的对角线相移矩阵，计算基站到用户k的波束成形矩阵，此时的通信系统能效η1和目标函数值F1；S3：固定基站到用户k的波束成形矩阵，计算RIS的对角线相移矩阵，此时的通信系统能效η2和目标函数值F2；S4：系统能效更新，根据计算，n表示第n次迭代；S5：判断MU
‑
MISO通信系统能效是否收敛；若是，计算并输出基站到用户的最优波束成形矩阵、RIS的最优对角线相移矩阵和MU
‑
MISO通信系统的最优能效，然后结束；否则，进入步骤S6；S6：判断当前迭代次数是否大于最大迭代次数；若是，输出基站到用户的最优波束成形矩阵、RIS的最优对角线相移矩阵和MU
‑
MISO通信系统的最优能效，然后结束；否则，进入下一次迭代，返回步骤S2。3.根据权利要求2所述的基于RIS辅助MISO蜂窝系统鲁棒波束赋形方法，其特征在于，步骤S1中，系统参数包括RIS反射元件数L、基站天线数M、用户数K、基站到用户k的信道估计向量基站到RIS再到用户k的级联信道估计向量基站总的电路功率消耗值P
C
、基站功率放大系数ξ、基站最大发射功率门限P
max
、用户k的最小传输速率门限基站到用户k的CSI不确定性的相对量基站到RIS再到用户k的CSI不确定性的相对量基站的硬件损伤因子ρ
t
、用户k处的硬件损伤因子ρ
r,k
、通信系统的总能效η、用户k处的噪声功率最大迭代次数N
max
。4.根据权利要求3所述的基于RIS辅助MISO蜂窝系统鲁棒波束赋形方法，其特征在于，步骤S2中，基站到用户k的波束成形矩阵，此时的通信系统能效η1和目标函数值F1根据以下公式计算：公式计算：公式计算：
C9:Rank(V
k
)＝1其中，v
k
基站到用户k的波束成形矩阵，t为辅助变量；基站到用户k的波束成形矩阵，t为辅助变量；a、b、α
k
和β
k
为松弛变量；为基站到用户k信道误差模型的方差...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘乃彬，徐勇军，余翔，粟欣，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：