一种智能反射表面辅助多小区预编码联合设计方法

1.本发明涉及一种基于统计信道信息(channel state information,csi)的智能反射表面(intelligent reflecting surfaces,irs)辅助多小区系统传输方法，属于无线通信技术领域。


背景技术：

2.在蜂窝网系统中，基站可以为分布在小区中心的用户提供高的传输速率和低的传输时延。然而，当用户位于小区边缘时，用户与为其提供服务的基站的距离较远，传输信号的路径损耗增大；并且边缘用户与干扰基站之间的距离减小，用户受到的干扰增加。因此，在蜂窝网中，提升边缘用户的性能一直是一大挑战。irs作为一种新兴的技术，近年来得到国内外许多研究者的广泛关注。irs是由大量可调节反射相位的反射单元组成的无源反射板，irs可以智能的改变无线信道的传输环境。通过将irs部署在小区边缘用户的附近，人为的额外提供一条基站与边缘用户的传输信道，从而增强用户的接收信号增益，同时降低用户间的干扰，以此达到提升边缘用户性能的目的。
3.当基站和irs能够获得准确的瞬时信道状态信息时，采用交替优化算法联合设计出的预编码矩阵和irs的反射系数矩阵能够使得系统取得较好的性能。然而，irs的反射单元数量较多，而且各个反射单元均为无源反射元件，因此在相干时间内获取准确的csi十分困难，而通常情况下，统计csi在较长时间内保持不变，并且与瞬时csi中需要估计完整的信道矩阵不同，统计csi中只需要估计直射径的波到达角等有限的信道信息。为了降低irs辅助通信系统信道估计的难度，使irs更加便利的应用到实际系统中，可以基于统计csi联合设计基站的预编码矩阵和irs的反射系数矩阵。
4.同时，统计csi相比于瞬时csi，需要反馈的信道比特数大大减少，降低了信道的反馈开销。综上所述，针对irs辅助的通信系统，采用基于统计csi联合设计基站预编码矩阵和irs反射系数矩阵的传输方案是合适的选择。


技术实现要素：

5.技术问题：本发明的目的是在irs辅助的多小区通信系统中提供一种智能反射表面辅助多小区预编码联合设计方法，能够根据系统的统计csi联合设计基站的预编码矩阵和irs的反射系数矩阵，使得系统用户的遍历和速率最大化；首先固定irs的反射系数矩阵，设计各个基站的预编码矩阵；然后固定各个基站的预编码矩阵，设计irs的反射系数矩阵；通过交替优化预编码矩阵和反射系数矩阵，直到系统的遍历和速率收敛到最优值。
6.技术方案：本发明是一种智能反射表面辅助多小区预编码联合设计方法，所述多小区中总共有l个小区，每个小区中存在k个单天线用户不能被该小区基站信号覆盖，需要通过智能反射表面提供服务；各小区的基站均采用包含m个天线阵元的均匀线性天线阵；智能反射表面采用均匀平面天线阵，共有n个反射单元，其中垂直方向t行反射单元，水平方向每行p个反射单元，该方法具体包括以下步骤：
7.步骤一.设定收敛门限ε，初始化迭代次数t＝1，设置基站i,i＝1,
…
,l对其小区内第k个用户k＝1,
…
,k的预编码向量的迭代初始值其中1
m
×1表示所有元素均为1的m
×
1维向量，随机初始化反射系数矩阵的迭代初始值满足φ
(0)
为对角元素模值均为1的对角阵；
8.步骤二.基站利用已知的统计信道状态信息，计算基站i对其小区内第k个用户的预编码向量第t次迭代值
9.步骤三.计算智能反射表面反射系数矩阵的第t次迭代值φ
(t)
；
10.步骤四、判断下式是否成立：
[0011][0012]
其中及分别利用下式计算
[0013][0014][0015]
若不成立则令t＝t+1并进入步骤二；否则算法结束，输出和φ
(t)
作为基站i对其小区内第k个用户的预编码向量以及智能反射表面的反射系数矩阵。
[0016]
其中，
[0017]
所述步骤二中统计信道状态信息包括：基站i与irs之间的信道的直射径分量莱斯因子k
i
以及大尺度衰落因子β
i
；irs与第i个小区的第k个用户之间的信道的直射径分量莱斯因子k
i,k
以及大尺度衰落因子β
i,k
。
[0018]
所述步骤二中基站i对其小区内第k个用户的预编码向量第t次迭代值的方法包括以下步骤：
[0019]
b1)计算第t次迭代的辅助矩阵q
(t)
的值，其中q
(t)
为l
×
k维的实矩阵，其第i行第k列元素的计算方法如下：
[0020]
[0021]
其中φ
(t
‑
1)
为irs反射系数矩阵的第t
‑
1次迭代值，为基站i对其小区内第k个用户的预编码向量的第t
‑
1次迭代值，为基站j对其小区内第l个用户的预编码向量的第t
‑
1次迭代值，1次迭代值，为第i小区中第k个用户接收的加性高斯白噪声功率,j＝1,
…
,l，l＝1,
…
,k，上标(
·
)
h
代表共轭转置；
[0022]
b2)利用下式计算第t次迭代的辅助矩阵
[0023][0024]
b3)将步骤b2)中得到的各矩阵进行分解，得到第t次迭代的辅助矩阵并且满足
[0025]
b4)计算第t次迭代变量的值，
[0026]
b5)计算第t次迭代的辅助向量的值，
[0027]
b6)利用步骤b4)和步骤b5)得到的和计算第t次迭代的辅助向量的值：
[0028]
b7)利用下式结合对实数λ
i
的二分查找，更新预编码向量第t次迭代的值
[0029][0030]
使得预编码向量满足最大发送功率的约束条件其中γ
j,l
表示对第j小区中的第l个用户的加权系数，p
i,max
表示第i个基站的最大发送功率。
[0031]
所述步骤三.计算irs反射系数矩阵的第t次迭代值φ
(t)
，具体包括以下子步骤：
[0032]
c1)设置内循环收敛门限ξ，初始化内循环迭代次数r＝0，设置向量的迭代初始值为其中表示矩阵φ
(t
‑
1)
的第n个对角元，上标(
·
)
t
代表转置；
[0033]
c2)计算函数并利用下式计算其在欧几里得空间中的梯度：
[0034][0035]
其中其中利用下式计算
[0036][0037]
diag{
·
}表示以括号中矢量为对角元的对角阵；
[0038]
c3)利用步骤c2)中计算结果计算函数f
η
(η
(r)
)的黎曼梯度其具体计算方法为
[0039][0040]
其中，符号re{
·
}表示取复数的实部，上标(
·
)
*
表示共轭，
⊙
表示哈达玛乘积；
[0041]
c4)计算其中τ为利用armijo准则确定的步长；
[0042]
c5)计算其中unit(
·
)表示对向量中的每个元素的模值进行归一化；
[0043]
c6)计算
[0044]
c7)判断是否成立，若成立则进入步骤c8)，否则令r＝r+1并进入步骤c2)；
[0045]
c8)更新反射系数矩阵第t次迭代的值φ
(t)
＝diag{η
(r)
}。
[0046]
有益效果：本发明为智能反射表面辅助多小区系统传输方法，与现有技术相比，该方法具有如下优点：
[0047]
(1)本发明仅需要信道的统计csi，所需信道信息量小，适用于irs辅助的无线通信系统；
[0048]
(2)本发明中预编码矩阵和反射系数矩阵的设计方案能够使得系统和速率最大化，同时复杂度低，易于实现。
附图说明
[0049]
图1是本发明基于统计信道状态信息的智能反射表面辅助多小区系统传输方法的流程图。
具体实施方式
[0050]
以下将结合具体实施案例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0051]
本发明涉及一种基于统计信道状态信息(csi)的智能反射表面(irs)辅助多小区系统传输方法：系统中总共有l个小区，每个小区中存在k个单天线用户不能被该小区基站信号覆盖，需要通过irs提供服务；各小区的基站均采用包含m个天线阵元的均匀线性天线阵；irs采用均匀平面天线阵，共有n个反射单元，其中垂直方向t行反射单元，水平方向每行p个反射单元。方法包括以下步骤：
[0052]
步骤一、设定收敛门限ε，初始化迭代次数t＝1，设置基站i,i＝1,
…
,l对其小区内第k,k＝1,
…
,k个用户的预编码向量的迭代初始值其中1
m
×1表示所有元素均为1的m
×
1维向量，随机初始化反射系数矩阵的迭代初始值满足φ
(0)
为对角元素模值均为1的对角阵；
[0053]
步骤二、基站利用已知的统计csi，计算基站i,i＝1,
…
,l对其小区内第k,k＝1,
…
,k个用户的预编码向量第t次迭代值
[0054]
所述统计csi包括：基站i,i＝1,
…
,l与irs之间的信道的直射径分量莱斯因子k
i
以及大尺度衰落因子β
i
；irs与第i,i＝1,
…
,l个小区的第k,k＝1,...,k个用户之间的信道的直射径分量莱斯因子k
i,k
以及大尺度衰落因子β
i,k
。
[0055]
所述各基站对其用户的预编码向量第t次迭代值的计算方法包括以下子步骤：
[0056]
b1)计算第t次迭代的辅助矩阵q
(t)
的值，其中q
(t)
为l
×
k维的实矩阵，其第i行第k列(i＝1,
…
,l,k＝1,
…
,k)元素的计算方法如下：
[0057][0058]
其中φ
(t
‑
1)
为irs反射系数矩阵的第t
‑
1次迭代值，为基站i对其小区内第k个用户的预编码向量的第t
‑
1次迭代值，为基站j对其小区内第l个用户的预编码向量的第t
‑
1次迭代值，1次迭代值，为第i小区中第k个用户接收的加性高斯白噪声功率,j＝1,
…
,l，i＝1,
…
,l，l＝1,
…
,k，k＝1,
…
,k，上标(
·
)
h
代表共轭转置；
[0059]
b2)利用下式计算第t次迭代的辅助矩阵b2)利用下式计算第t次迭代的辅助矩阵的值：
[0060][0061]
b3)将步骤b2)中得到的各矩阵进行分解，得到第t次迭代的辅助矩阵并且满足
[0062]
b4)计算第t次迭代变量的值，
[0063]
b5)计算第t次迭代的辅助向量的值，
[0064]
b6)利用步骤b4)和步骤b5)得到的和计算第t次迭代的辅助向量计算第t次迭代的辅助向量的值，
[0065]
b7)利用下式结合对实数λ
i
，i＝1,
…
,l的二分查找，更新预编码向量第t次迭代的值
[0066][0067]
使得预编码向量满足最大发送功率的约束条件其中γ
j,l
表示对第j,j＝1,
…
,l小区中的第l,l＝1,
…
,k个用户的加权系数，p
i,max
表示第i,i＝1,
…
,l个基站的最大发送功率；
[0068]
步骤三、计算irs反射系数矩阵的第t次迭代值φ
(t)
，具体包括以下子步骤：
[0069]
c1)设置内循环收敛门限ξ，初始化内循环迭代次数r＝0，设置向量的迭代初始值为其中表示矩阵φ
(t
‑
1)
的第n个对角元，上标(
·
)
t
代表转置；
[0070]
c2)计算函数并利用下式计算其在欧几里得空间中的梯度：
[0071][0072]
其中其中的计算方法为
[0073][0074]
diag{
·
}表示以括号中矢量为对角元的对角阵；
[0075]
c3)利用步骤c2)中计算结果计算函数f
η
(η
(r)
)的黎曼梯度其具体计算方法为
[0076][0077]
其中，符号re{
·
}表示取复数的实部，上标(
·
)
*
表示共轭，
⊙
表示哈达玛乘积；
[0078]
c4)计算其中τ为利用armijo准则确定的步长；
[0079]
c5)计算其中unit(
·
)表示对向量中的每个元素的模值进行归一化；
[0080]
c6)计算
[0081]
c7)判断是否成立，若成立则进入步骤c8)，否则令r＝r+1并进入步骤c2)；
[0082]
c8)更新反射系数矩阵第t次迭代的值φ
(t)
＝diag{η
(r)
}；
[0083]
步骤四、判断下式是否成立：
[0084][0085]
其中及分别利用下式计算
[0086][0087][0088]
若不成立则令t＝t+1并进入步骤二；否则算法结束，输出
和φ
(t)
作为基站i,i＝1,
…
,l对其小区内第k,k＝1,
…
,k个用户的预编码向量以及智能反射表面的反射系数矩阵。
[0089]
综上，本发明在运行时间复杂度和系统性能上均超过传统的传输设计方法，并且仅需要少量统计信道信息即可完成传输方法设计，既降低了对信道估计误差的精度要求，也减少了信号处理中的时延要求。所述基于统计信道状态信息的智能反射表面辅助多小区系统传输方法的流程图如图1所示。
[0090]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。