本發(fā)明屬于通信，尤其涉及一種基于ris輔助去蜂窩mmimo系統(tǒng)的波束聯(lián)合優(yōu)化方法。

背景技術：

1、近年來，作為一種新的以用戶為中心的網(wǎng)絡架構，去蜂窩mmimo技術成為實現(xiàn)5g和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術之一。去蜂窩mmimo系統(tǒng)采用了無小區(qū)部署模式，即通過在用戶周圍部署大量接入點ap來代替蜂窩小區(qū)的中心基站，這種部署模式不僅有效解決了小區(qū)間干擾和越區(qū)切換等問題，還縮短了通信距離使得路徑損耗大幅度降低。此外，大量的ap還提供了額外的空間自由度和分集增益，從而提高了系統(tǒng)容量，這些優(yōu)點使得去蜂窩mmimo系統(tǒng)得到了廣泛研究。

2、可重構智能反射面（ris）是由多個無源反射單元組成的平面，其功能在于可以對經(jīng)過的信號施加一個相位后反射出去，因此在去蜂窩mmimo系統(tǒng)中使用ris可以實現(xiàn)信號的相干疊加，增強信號強度，同時無源特性使其不會增加額外的系統(tǒng)能耗。然而，在ris輔助的通信系統(tǒng)中，經(jīng)ris反射的信道為ap-ris信道和ris-用戶信道的乘積，這種乘性衰落使得無源ris對系統(tǒng)性能的提升極為有限，因此具有放大信號的特點的有源ris被用于代替無源ris以進一步提升性能，大量研究也表明有源ris有效提升了系統(tǒng)速率，特別是在惡劣傳播環(huán)境條件下。雖然有源ris放大了期望用戶的信號，但同時也放大了其他用戶的信號及ris的噪聲，造成更加嚴重的用戶間干擾和噪聲干擾。

技術實現(xiàn)思路

1、為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種基于ris輔助去蜂窩mmimo系統(tǒng)的波束聯(lián)合優(yōu)化方法，通過解決一個下行和速率最大化優(yōu)化問題，聯(lián)合優(yōu)化了ap處波束賦形和有源ris反射波束，使下行和速率最大化。

2、一種基于ris輔助去蜂窩mmimo系統(tǒng)的波束聯(lián)合優(yōu)化方法，包括以下步驟：

3、步驟（1）建立有源ris輔助下的去蜂窩mmimo系統(tǒng)的瑞利衰落信道模型；

4、步驟（2）基于所述瑞利衰落信道模型，給出下行數(shù)據(jù)傳輸階段用戶的接收數(shù)據(jù)表達式，由此推導出下行用戶速率表達式；

5、步驟（3）以用戶的和速率為目標函數(shù)，下行ap波束序列和有源ris反射系數(shù)為優(yōu)化變量，給出具有ap和有源ris功率約束的和速率最大化優(yōu)化問題；

6、步驟（4）提出交替優(yōu)化算法，利用原對偶次梯度方法分別求解下行ap波束賦形和有源ris反射波束。

7、進一步的，步驟（1）中瑞利衰落信道模型，其中，表示第?個ap與第個用戶之間的合成信道序列，表示第個ap與第個用戶之間的直連信道序列，表示每個ap具有的天線數(shù)，表示第個用戶與有源ris之間的信道序列，表示有源ris的縮寫詞，表示有源ris具有的反射單元數(shù)，表示第個ap與有源ris之間的信道矩陣，表示第個ap的第1根天線與有源ris之間的信道序列；表示第個ap的第根天線與有源ris之間的信道序列；表示有源ris的反射系數(shù)矩陣，表示有源ris的第1個單元的放大幅度，表示有源ris的第個單元的放大幅度，表示有源ris的第1個單元的相位，表示有源ris的第個單元的相位，表示向量對角化運算，表示底數(shù)為自然數(shù)的指數(shù)運算，表示共軛轉置運算，表示復數(shù)集合。

8、進一步的，所述步驟（2）在下行數(shù)據(jù)傳輸階段，第個用戶接收到的數(shù)據(jù)表達式為，其中，表示所有ap與第個用戶之間的合成信道序列，表示所有ap與第個用戶之間的預編碼序列，表示第個用戶的數(shù)據(jù)符號，且；表示第個用戶的數(shù)據(jù)符號，表示用戶數(shù)量，表示所有ap與第個用戶之間的預編碼序列，表示有源ris的噪聲序列，其元素服從獨立同分布，表示有源ris的噪聲功率，表示第個用戶的噪聲，其服從分布，表示用戶的噪聲功率，表示求期望運算，表示共軛運算，表示循環(huán)對稱復高斯分布，表示復數(shù)集合。

9、進一步的，根據(jù)步驟（2）得到的用戶數(shù)據(jù)表達式，推導出第個用戶的下行速率為，其表達式為，其中，表示底數(shù)為2的對數(shù)運算，表示第個用戶的信干噪比，其表達式為，其中，表示歐幾里得范數(shù);根據(jù)步驟（2）中每個用戶速率表達式，步驟（3）中用戶的和速率表達式為，考慮ap和有源ris處的功率約束，下行和速率最大化優(yōu)化問題p1表示為

10、其中，表示第個ap與第個用戶之間的預編碼序列，表示ap的最大發(fā)射功率，表示所有ap與有源ris之間的信道矩陣，表示第1個ap與有源ris之間的信道矩陣，表示第個ap與有源ris之間的信道矩陣，表示有源ris的最大放大功率，表示有源ris的第個元件的放大系數(shù)幅度，表示有源ris放大系數(shù)最大幅度，表示復數(shù)集合。

11、進一步的，步驟（4）中提出的交替優(yōu)化算法包括以下步驟：

12、步驟（4.1）引入輔助變量和，，利用拉格朗日對偶轉換和二次變換定理，將p1的目標函數(shù)重寫為：

13、其中，表示取實部運算；

14、步驟（4.2）在給定的條件下，優(yōu)化；省略目標函數(shù)中與無關的項，p1可等效于其中，表示克羅內(nèi)克積，，，表示維度為的單位矩陣，，，，，，表示維單位矩陣的第列，表示維度為的單位矩陣，表示復數(shù)集合；

15、在此基礎上，問題p2的拉格朗日增廣函數(shù)表示為，其中，和表示輔助變量，，，；對于給定的第次迭代的可行解為，利用原對偶次梯度方法，得到第次的可行解為，，，為步長，表示取正值運算；

16、步驟（4.3）在給定的條件下，優(yōu)化；省略目標函數(shù)中與無關的項，p1等效于

17、，其中，，，表示向量化運算；，表示維度為的單位矩陣，，表示的第列；同樣地，問題p3的拉格朗日增廣函數(shù)表示為，其中，和表示輔助變量，，，，；同樣地，對于給定的第次迭代的可行解為，利用原對偶次梯度方法，得到第次的可行解為，，，；步驟（4.4）重復步驟（4.1）-（4.3），當目標函數(shù)收斂時終止循環(huán)，得到最優(yōu)解。

18、本發(fā)明所達到的有益效果：

19、1、通過聯(lián)合優(yōu)化ap波束和有源ris反射波束，實現(xiàn)了信號的相干疊加，增強了期望信號的功率，同時降低了由于有源ris放大信號造成的嚴重用戶間干擾和ris噪聲干擾，有效提升了下行和速率；

20、2、有源ris的反射單元配置了有源負載，使得其反射系數(shù)幅度可以大于1，從而有源ris具有放大信號的能力，但同時也放大了有源負載電路產(chǎn)生的噪聲使其不可被忽略，進而導致與使用無源ris時不同的下行速率表達式。

21、3、本發(fā)明方法提出的交替優(yōu)化算法避免了矩陣求逆運算，較于常用的傳統(tǒng)交替方向乘子法具有更低的計算復雜度，因而在面對大規(guī)模系統(tǒng)時，本發(fā)明方法具有更高的可擴展性。此外，在收斂性方面，仿真顯示本發(fā)明方法僅需迭代4次左右即可收斂，具有較高的可實施性。

22、4、本發(fā)明是建立在去蜂窩大規(guī)模mimo系統(tǒng)上的，與傳統(tǒng)蜂窩mimo系統(tǒng)的不同點在于后者不再劃分小區(qū)并移除了中心基站，大量分散的接入點利用同一時頻資源同時服務區(qū)域內(nèi)所有用戶，因此場景較于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡更為復雜，優(yōu)化能力更強。

技術特征：

1.一種基于ris輔助去蜂窩mmimo系統(tǒng)的波束聯(lián)合優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于ris輔助去蜂窩mmimo系統(tǒng)的波束聯(lián)合優(yōu)化方法，其特征在于，步驟（1）中瑞利衰落信道模型，其中，表示第?個ap與第個用戶之間的合成信道序列，表示第個ap與第個用戶之間的直連信道序列，表示每個ap具有的天線數(shù)，表示第個用戶與有源ris之間的信道序列，表示有源ris的縮寫詞，表示有源ris具有的反射單元數(shù)，表示第個ap與有源ris之間的信道矩陣，表示第個ap的第1根天線與有源ris之間的信道序列；表示第個ap的第根天線與有源ris之間的信道序列；表示有源ris的反射系數(shù)矩陣，表示有源ris的第1個單元的放大幅度，表示有源ris的第個單元的放大幅度，表示有源ris的第1個單元的相位，表示有源ris的第個單元的相位，表示向量對角化運算，表示底數(shù)為自然數(shù)的指數(shù)運算，表示共軛轉置運算，表示復數(shù)集合。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于ris輔助去蜂窩mmimo系統(tǒng)的波束聯(lián)合優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟（2）在下行數(shù)據(jù)傳輸階段，第個用戶接收到的數(shù)據(jù)表達式為，其中表示所有ap與第個用戶之間的合成信道序列，表示所有ap與第個用戶之間的預編碼序列，表示第個用戶的數(shù)據(jù)符號，且；表示第個用戶的數(shù)據(jù)符號，表示用戶數(shù)量，表示所有ap與第個用戶之間的預編碼序列，表示有源ris的噪聲序列，其元素服從獨立同分布，表示有源ris的噪聲功率，表示第個用戶的噪聲，其服從分布，表示用戶的噪聲功率，表示求期望運算，表示共軛運算，表示循環(huán)對稱復高斯分布，表示復數(shù)集合。

4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于ris輔助去蜂窩mmimo系統(tǒng)的波束聯(lián)合優(yōu)化方法，其特征在于，根據(jù)步驟（2）得到的用戶數(shù)據(jù)表達式，推導出第個用戶的下行速率為，其表達式為，其中，表示底數(shù)為2的對數(shù)運算，表示第個用戶的信干噪比，其表達式為，其中，表示歐幾里得范數(shù);根據(jù)步驟（2）中每個用戶速率表達式，步驟（3）中用戶的和速率表達式為，考慮ap和有源ris處的功率約束，下行和速率最大化優(yōu)化問題p1表示為其中，表示第個ap與第個用戶之間的預編碼序列，表示ap的最大發(fā)射功率，表示所有ap與有源ris之間的信道矩陣，表示第1個ap與有源ris之間的信道矩陣，表示第個ap與有源ris之間的信道矩陣，表示有源ris的最大放大功率，表示有源ris的第個元件的放大系數(shù)幅度，表示有源ris放大系數(shù)最大幅度，表示復數(shù)集合。

5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于ris輔助去蜂窩mmimo系統(tǒng)的波束聯(lián)合優(yōu)化方法，其特征在于，

技術總結
本發(fā)明公開了一種基于RIS輔助去蜂窩mMIMO系統(tǒng)的波束聯(lián)合優(yōu)化方法，基于有源RIS具有放大信號的特點，本發(fā)明使用了有源RIS輔助下行去蜂窩mMIMO系統(tǒng)以增強信號強度?；谙滦杏脩艚邮盏臄?shù)據(jù)表達式，給出了有源RIS輔助去蜂窩mMIMO系統(tǒng)的下行速率表達式；然后，考慮接入點和有源RIS存在最大功率限制，設計了一種交替求解算法，包括使用二次變換技術和對偶梯度法，解決了下行和速率最大化優(yōu)化問題，聯(lián)合優(yōu)化了下行接入點波束賦形序列和有源RIS反射波束。本發(fā)明降低了乘性衰落對RIS輔助信道的影響，有效解決了使用有源RIS導致的用戶間干擾和噪聲干擾放大的問題，提升了系統(tǒng)性能。

技術研發(fā)人員：楊龍祥,宋英鵬
受保護的技術使用者：南京郵電大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/23