一种RIS辅助MISO共生无线电系统的资源分配方法

一种ris辅助miso共生无线电系统的资源分配方法
技术领域
1.本发明属于共生无线电网络架构与资源分配领域，具体涉及一种ris辅助miso共生无线电系统的资源分配方法。


背景技术：

2.随着物联网设备数量的急剧增长，频谱资源短缺问题和能量消耗剧增问题日益凸显。认知无线电可以通过频谱共享机制来解决频谱资源短缺问题，但是认知无线电中主次系统会存在干扰。由此，为充分利用干扰信号且实现资源共享，共生无线电被提出，通过主次系统协同运作，可以实现频谱、功率和基础设施的共享，且主用户可将来自次级传输系统中的信号当作多径增益而非干扰，系统容量可得到显著改善。
3.智能反射面(ris)是由大量低功耗、低成本、亚波长结构和独立可控的无源电磁反射元件集成的均匀阵列平面，其主要功能是根据信号传播反馈的通信链路信息，通过软件编程的方式调整反射信号的幅度和相位，使反射信号与其他路径的信号构造性相加，从而增强接收端期望信号功率，提高通信质量。
4.由此，共生无线电和ris可以作为提升谱效和能效的两种主要技术。很多文献都对基于ris辅助的共生无线电网络进行了研究，如性能分析、最小化发射功率、系统容量，但能效优化与次级反射节点的能量收集能力被忽略，这对于一个能量受限的共生无线电系统而言极为关键。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种ris辅助miso共生无线电系统的资源分配方法，该方法包括：
6.s1：将ris引入miso共生无线电系统，构建ris辅助miso共生无线电系统；
7.s2：建立ris辅助miso共生无线电系统的能效最大化资源分配模型；
8.s3：采用基于丁克尔巴赫的块坐标下降法，将能效最大化资源分配转化为3个子问题；
9.s4：对3个子问题求解，得到资源分配方案；系统根据资源分配方案进行资源分配。
10.优选的，ris辅助miso共生无线电系统包括：一个具有n个反射单元的ris，一个配备有q根天线的主发射机，一个单天线主接收机和多个单天线次级反射节点；
11.主发射机向主接收机发送信号；
12.每个次级反射节点将自身信息调制到调制到来自主发射机的入射主信号上，并通过调节反射系数将调制后的信号发送给主接收机；
13.每个次级反射节点配备有能量收集电路和被动反向散射电路，且所有来自主发射机的信号都会经过ris的反射来进行信号增强。
14.优选的，能效最大化资源分配模型表示为：
[0015][0016][0017][0018]
c3:|φn|2＝1,
[0019]
c4:0≤αm≤1,
[0020][0021][0022]
其中，r
sum
为系统和速率，e
total
为系统总功耗，φ为ris相移矩阵，rm表示第m个次级反射节点的速率，表示第m个次级反射节点需求的最小速率；rs表示主用户速率，表示主用户需求的最小速率，φn表示ris相移矩阵的对角向量的第n个元素；αm为第m个次级反射节点的反射系数；em为第m个次级反射节点收集的能量；为第m个次级反射节点的电路功耗；w为主发射机的主动波束赋形矢量；p
max
为主发射机的最大发射功率。
[0023]
优选的，将资源优化模型转化为3个子问题的过程包括：
[0024]
s31、固定ris相移矩阵和次级反射节点反射系数，建立优化变量为主动波束赋形矢量的资源分配模型；
[0025]
s32、固定ris相移矩阵和主动波束赋形矢量，建立优化变量为次级反射节点反射系数的资源分配模型；
[0026]
s33、固定主动波束赋形矢量和次级反射节点反射系数，建立优化变量为ris相移矩阵的资源分配模型。
[0027]
进一步的，优化变量为主动波束赋形矢量的资源分配模型表示为：
[0028][0029][0030][0031][0032][0033][0034][0035]
其中，w＝wwh，w为主发射机的主动波束赋形矢量；η为能效辅助变量，p
cir
为系统电路功耗总和，表示第m个次级反射节点的第一等效速率，表示主用户速率的第一等效速率，m为系统中次级反射节点个数，表示第m个次级反射节点收集的第一能量等效值，
tr()表示矩阵的迹，表示第m个次级反射节点需求的最小速率，表示主用户需求的最小速率，为第m个次级反射节点的电路功耗，p
max
为主发射机的最大发射功率，rank()表示矩阵的秩。
[0036]
进一步的，优化变量为次级反射节点反射系数的资源分配模型表示为：
[0037][0038][0039][0040]
c4:0≤αm≤1,
[0041][0042]
其中，η为能效辅助变量，p
cir
为系统电路功耗总和，m为系统中次级反射节点个数；w＝wwh，w为主发射机的主动波束赋形矢量，tr()表示矩阵的迹；表示第m个次级反射节点的第一等效速率，表示主用户速率的第一等效速率，表示第m个次级反射节点需求的最小速率，表示主用户需求的最小速率，αm为第m个次级反射节点的反射系数，表示第m个次级反射节点收集的第一能量等效值，为第m个次级反射节点的电路功耗。
[0043]
进一步的，优化变量为ris相移矩阵的资源分配模型表示为：
[0044][0045][0046][0047][0048][0049][0050]
c10:rank(ψ)＝1.
[0051]
其中，η为能效辅助变量，p
cir
为系统电路功耗总和，表示第m个次级反射节点的第二等效速率，表示主用户速率的第二等效速率，m为系统中次级反射节点个数，表示第m个次级反射节点收集的第二能量等效值；w＝wwh，w为主发射机的主动波束赋形矢量，tr()表示矩阵的迹；表示第m个次级反射节点需求的最小速率，表示主用户需求的最小速率，为第m个次级反射节点的电路功耗，n表示ris反射单元总数；ψ＝[φ，β]
t
[φ，β]，φ表示ris相移矩阵的对角向量，β表示相移辅助变量。
[0052]
优选的，对3个子问题求解的过程包括：
[0053]
采用半正定松弛和连续凸近似，将优化变量为主动波束赋形矢量的资源分配模型转化为第一凸优化问题；
[0054]
采用二次变换法，将优化变量为次级反射节点反射系数的资源分配模型转化为第二凸优化问题；
[0055]
采用半正定松弛和连续凸近似，将优化变量为ris相移矩阵的资源分配模型转化为第三凸优化问题；
[0056]
采用凸优化理论对第一凸优化问题、第二凸优化问题和第三凸优化问题进行求解，得到主发射机主动波束赋形矢量、次级反射节点反射系数和ris相移矩阵，即资源分配方案。
[0057]
本发明的有益效果为：本发明针对传统共生无线电系统双衰落信道与障碍物阻挡导致信号接收差的问题，将ris引入到共生无线电系统中，考虑主次用户最小速率约束、基站最大发射功率约束以及每个次级反射节点最小收集能量约束，建立了能效最大化资源分配模型。利用丁克尔巴赫法、连续凸近似、半正定松弛和二次变换将原问题转化为等价的凸优化形式并对凸优化问题求解，得到资源分配方案；有别于传统仅保证发射功率或是速率的方法，本发明进行了速率和功率的权衡，考虑更为全面，且充分考虑了次级反射节点的能量收集能力，可以有效提升系统能效。此外，与现有无ris辅助系统相比，系统能效提升明显。
附图说明
[0058]
图1为本发明中ris辅助miso共生无线电系统的资源分配方法流程图；
[0059]
图2为本发明与对比方法在在不同主用户速率下的系统能效的曲线图；
[0060]
图3为本发明与对比方法在不同能量转化效率下的系统能效的曲线图。
具体实施方式
[0061]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0062]
本发明提出了一种ris辅助miso共生无线电系统的资源分配方法，如图1所示，所述方法包括以下内容：
[0063]
s1：将ris引入miso共生无线电系统，构建ris辅助miso共生无线电系统。
[0064]
本发明考虑一个ris(智能反射面)辅助的miso(多输入单输出)共生无线电网络。网络中存在一个可服务一个单天线主接收机的主发射机，其配备了q根天线、m个单天线次级反射节点、一个有n个反射单元的ris和一个主接收机。其中每个次级反射节点可以将其自身信息调制到来自主发射机的入射主信号上，然后通过调节反射系数将调制后的信号发送给主接收机，假设每个次级反射节点配备有能量收集电路和被动反向散射电路，且所有来自主发射机的信号都会经过ris的反射来进行信号增强。定义ts，tc分别为主信号与次信号的信号周期，且有tc＝lts(l＞＞1)。即，一个次信号周期涵盖l个主信号周期。定义次级反
射节点集合ris相移矩阵φ＝diag{φ1,φ2,...,φn}，信号周期数
[0065]
s2：建立ris辅助miso共生无线电系统的能效最大化资源分配模型。
[0066]
结合每个用户的用户质量约束，ris的相移约束，主发射机处最大发射功率约束和每个次级反射节点的最小收集能量约束，建立能效最大化资源分配模型，表示为：
[0067][0068][0069][0070]
c3:|φn|2＝1,
[0071]
c4:0≤αm≤1,
[0072][0073][0074]
在上述公式中的约束条件包括：c1为每个次级反射节点的最小次信号速率约束，c2为最小主信号速率约束，c3为ris相移约束，c4为每个次级反射节点的反射系数约束，c5为每个次级反射节点收集的能量约束，c6为主发射机最大发射功率约束；其中，rm表示第m个次级反射节点的速率，和分别为主次用户需要的最小速率；表示次级反射节点m的功耗，rs表示主用户速率，p
max
为主发射机的最大发射功率，φn表示ris相移矩阵的对角向量的第n个元素；为主发射机的波束赋形矢量；αm为从第m个次级反射节点的反射系数；φ表示ris相移矩阵；为系统和速率，m为系统中次级反射节点个数；为系统总功耗，分别表示主发射机、主接收机、ris和次级反射节点的电路功耗，为第m个次级反射节点收集的能量，ρ为次级反射节点的能量转化效率，为从主接收机到第m个次级反射节点的信道系数，为从ris到第m个次级反射节点的信道系数，为从主发射机到ris的信道系数；为第m个次级反射节点速率，为解码次信号cm时的信干噪比，σ2为噪声功率，为从第m个次级反射节点到主接收机的信道系数；表示主信号速率，c＝[c1,c2,...,cm]
t
为次级反射节点的
符号矢量，cm为c的所有可能的取值集合，为解码主信号s(l)的信噪比，其中分别为从主发射机到主接收机、ris到主接收机的信道系数。
[0075]
s3：采用基于丁克尔巴赫的块坐标下降法，将能效最大化资源分配转化为3个子问题。
[0076]
采用丁克尔巴赫方法将p1写作如下优化问题：
[0077][0078]
s.t.c1-c6.
[0079]
其中，η为能效辅助变量；表示第m个次级反射节点等效速率，其中ui表示从对ris到第i个次级反射节点的信道系数进行对角化后的矩阵，φ＝[φ1,φ2,...φn]
t
；为主用户等效速率，v＝diag{vh}；为第m个次级反射节点收集能量的等效值，ρ为次级反射节点的能量转化效率。
[0080]
s31、固定ris相移矩阵和次级反射节点反射系数，建立优化变量为主动波束赋形矢量的资源分配模型。
[0081]
固定p2中的φ和αm，p2可以转化为优化变量为主动波束赋形矢量的资源分配模型，具体的，定义型，具体的，定义型，具体的，定义w＝wwh，p2可以转化为优化w的子问题：
[0082][0083][0084][0085][0086]
[0087][0088][0089]
其中，为次级反射节点m的第一等效速率，为主用户第一等效速率，为第m个次级反射节点收集的第一能量等效值，tr()表示矩阵的迹，rank()表示矩阵的秩。
[0090]
s32、固定ris相移矩阵和主动波束赋形矢量，建立优化变量为次级反射节点反射系数的资源分配模型。
[0091]
固定p2中的φ和w，p2可转化为优化变量为主动波束赋形矢量的资源分配模型，即转化为优化αm的子问题：
[0092][0093][0094]
s33、固定主动波束赋形矢量和次级反射节点反射系数，建立优化变量为ris相移矩阵的资源分配模型。
[0095]
固定p2中的w和αm，p1可以转化为优化变量为ris相移矩阵的资源分配模型，即转化为优化φ的子问题。具体的，定义ψ＝[φ，β]
t
，ψ＝ψψh，β为相移辅助变量；，β为相移辅助变量；h
6,m
＝αm|c
mbm
|2h
7,m
，h
8,m
＝|bm|2h
7,m
。p2可转化为：
[0096][0097][0098][0099][0100][0101][0102]
c10:rank(ψ)＝1.
[0103]
其中，为次级反射节点m的第二等效速率，为主用户第二等效速率，为次级反射节点m收集的第二能量等效值，[ψ]
n,n
表示经变换后的ris相移矩阵(n,n)处的元素。
[0104]
s4：对3个子问题求解，得到资源分配方案；系统根据资源分配方案进行资源分配。
[0105]
对3个子问题求解的过程包括：
[0106]
采用半正定松弛和连续凸近似，将优化变量为主动波束赋形矢量的资源分配模型转化为第一凸优化问题；具体的：
[0107]
为解决带来的非凸性，采用用连续凸近似法和泰勒展开，p3可以转化为第一凸优化问题：
[0108][0109][0110][0111]
其中，rm、λm、为松弛变量，和分别为和的最后一次迭代值。可以看出p4为标准半正定规划问题，可用凸优化理论对p4进行求解，获得w的解析解进而得到主发射机主动波束赋形矢量w的解析解。
[0112]
采用二次变换法，将优化变量为次级反射节点反射系数的资源分配模型转化为第二凸优化问题；具体的：
[0113]
为解决带来的非凸性，采用二次变换，p5可以转化为：
[0114][0115][0116]
其中，其为次级反
射节点m的等效速率，ym为二次变换辅助变量，其最优取值为p6可以转化为第一凸优化问题：
[0117][0118][0119]
采用凸优化理论对第二凸优化问题求解，得到次级反射节点反射系数αm的解析解。
[0120]
采用半正定松弛和连续凸近似，将优化变量为ris相移矩阵的资源分配模型转化为第三凸优化问题；具体的：
[0121]
采用连续凸近似和泰勒展开，p8可以转化为：
[0122][0123][0124][0125]
其中，τm、ωm、为松弛变量，和分别为和的最后一次迭代值。可以看出p9为标准半正定规划问题，可用凸优化理论对p9进行求解，得到ψ的解析解，然后利用高斯随机化方法得到ris相移矩阵φ。
[0126]
经过上述过程，得到主发射机主动波束赋形矢量、次级反射节点反射系数和ris相移矩阵，即资源分配方案；系统可根据资源分配方案进行资源分配。
[0127]
对本发明进行评价：
[0128]
结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述：
[0129]
1)仿真条件
[0130]
假设本系统中有两个次级反射节点，系统中主发射机、ris、主接收机、次级反射节点1和次级反射节点2的坐标分别为：(0,0),(25,37),(23,34),(28,35),(27,36)。路径损耗模型为其中ξ表示路径损耗指数，l0是传输距离为参考距离d0时的路径损耗大小，此处取值分别为：l0＝-20db，d0＝1m。其它仿真参数由表1给出：
[0131]
表1仿真参数表
[0132][0133]
2)仿真结果
[0134]
图2展示了本发明的系统能效和主用户速率的关系，可以看出随着主用户速率增大，系统能效减小。图3展示了本发明的系统能效和能量转化效率的关系，可以看出随着能量转化效率增大，系统能效增大，且图2和图3表明本发明所提算法的能效较传统无ris算法和随机相位算法而言有显著提升，综上，相比与传统方法，本发明性能更好。
[0135]
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。