一种RIS辅助MIMO系统的波束训练优化方法、系统及设备

本发明属于可重构智能表面辅助通信，特别涉及一种ris辅助mimo系统的波束训练优化方法、系统及设备。

背景技术：

1、可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface,ris)利用大量的被动反射元件来定制无线通信环境，可以部署在建筑物外墙、房间、工厂天花板、电脑外壳或密集型网络中。由于其低成本、高能效和全双工等优点，被认为是下一代无线通信的前景广阔的技术，特别是针对基站与用户之间容易受到阻塞和传播损失的毫米波(mmwave)通信。

2、目前ris在无线通信中已有大量研究，其主要集中在性能分析、波束赋形优化、物理层安全、信道估计等方面，均需要进行信道估计或已知信道状态信息(csi)。对于csi的采集是充分发挥ris辅助mmwave系统潜力的前提，ris不能接收和发射信号，缺乏信号处理能力，因此获取bs-ris链路和ris-user链路的完整csi困难。此外，收发天线阵列尺寸以及ris大量的无源元件导致csi的采集需要大量的训练开销。因此，在不需要信道估计的情况下，为获得足够的波束形成增益，系统内多个节点可以进行波束训练，通过设计的码本在系统中各节点间可获得最佳的波束对准。

3、另一方面，现有基于ris的波束训练研究多聚焦于提高信号增益的方案，而未考虑系统能效的限制。然而，系统的能源消耗是新兴及未来无线网络的关注热点，系统能效已经成为确保绿色和可持续无线网络的关键性能指标。

4、因此，基于波束训练的ris辅助mimo系统的实际评价体系目前仍缺乏完备可靠、符合实际应用的研究方案，需要考虑功率、能效等绿色和可持续的约束。

5、综合来说，现有技术存在以下缺陷和不足：

6、1、ris辅助mimo系统往往需要信道估计或已知信道状态信息，但在实际应用中，信道估计往往复杂度过高导致估计不精确，或信道信息获取存在困难；

7、2、新兴及未来无线网络多关注系统能耗问题，对ris辅助mimo系统的波束训练方案往往未关注能效问题；

8、3、现有ris辅助通信系统的波束训练问题解决方案多得到的是次优解，与完美波束对准情况存在差距。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种ris辅助mimo系统的波束训练优化方法及系统及设备，以解决信道估计往往复杂度过高导致估计不精确，完美波束对准情况差的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种ris辅助mimo系统的波束训练优化方法，包括以下步骤：

4、构建可重构智能表面ris辅助mimo系统，系统内有基站和用户，满足系统内基站到用户的直接信道存在通信障碍；

5、以最大化系统接收信噪比为优化目标，以联合波束角度信息，发射波束角度信息为优化变量，优化变量码本、ris相移、发射端的发射功率以及系统能效为约束条件，设计含三个优化变量的优化模型；

6、基于波束角度信息设计dft码本，求解优化模型，得到优化后三个角度信息参量，分析功率、能效约束对系统性能的影响；

7、根据得到的优化后三个角度信息参量，结合系统可实现速率，通过仿真与完美波束对准对比，进行验证。

8、进一步的，可重构智能表面ris辅助mimo系统包括多天线基站bs、反射单元的ris以及多天线用户ue，多天线基站bs及多天线用户ue天线阵列为均匀线阵，多天线基站bs通过可重构智能表面ris控制器调控ris单元相移。

9、进一步的，基站到用户的直接信道存在障碍物或衰落为深衰落，或通信距离远而无法通信时，借助ris级联信道实现通信；距离远定义为：接收端接收到的信号无法达到接收阈值导致无法通信成功。

10、进一步的，优化模型具体表示为：

11、

12、s.t.ω′u∈[-1,1],ω′r∈[-1,1],φ′r∈[-1,1].

13、[ψ]n,n|＝1.

14、

15、

16、其中，pmax表示发射端最大发射功率；ηm表示系统的能效约束；snr为系统信噪比。

17、进一步的，系统信噪比：

18、

19、其中，p是用户发射功率；表示ris的相移矩阵，β＝1表示ris无损反射；hb,r和hr,u表示ris-bs与ue-ris链路的信道信息；ωb和ωu表示基站端与用户端的天线波束矢量，与优化变量有关；nue,nbs和nris分别表示用户和基站端的天线个数以及ris的反射单元个数；gr,b,gu,r表示ris-bs与ue-ris链路的瑞利衰落信道增益；aris(ψr,φr),au(ψu)分别表示ris的相对转向矢量以及用户的转向矢量信息；aris(ψ′r,φ′r),au(ψ′u)表示ris的联合波束矢量以及用户的发射波束矢量。

20、进一步的，求解含三个优化变量的优化模型：

21、针对三个优化变量及其范围约束ω′u∈[-1,1],ω′r∈[-1,1],φ′r∈[-1,1]，设计均匀分布码本矢量，通过穷举搜索方案求解所有每一种情况对应的系统接收信噪比，进一步计算系统可实现速率；

22、只考虑变量范围约束以及ris相移约束时，求解ris-ue距离与系统可实现速率在不同反射单元数量下的变化；

23、添加发射功率约束以及能耗约束，求解ris-ue距离与系统可实现速率在不同约束参数下的变化。

24、进一步的，验证具体为：

25、通过仿真对比不同ris反射单元数量下，ris-ue距离与系统可实现速率的关系，ris-ue距离越近，系统可实现速率越高；并且ris反射单元数量越多，曲线越接近于完美波束对准。

26、进一步的，一种ris辅助mimo系统的波束训练优化系统，包括：

27、系统构建模块，用于构建可重构智能表面ris辅助mimo系统，系统内有基站和用户，满足系统内基站到用户的直接信道存在通信障碍；

28、优化模型建立模块，用于以最大化系统接收信噪比为优化目标，以联合波束角度信息，发射波束角度信息为优化变量，优化变量码本、ris相移、发射端的发射功率以及系统能效为约束条件，设计含三个优化变量的优化模型；

29、优化模块，用于基于波束角度信息设计dft码本，求解优化模型，得到优化后三个角度信息参量，分析功率、能效约束对系统性能的影响；

30、验证模块，用于根据得到的优化后三个角度信息参量，结合系统可实现速率，通过仿真与完美波束对准对比，进行验证。

31、进一步的，一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种ris辅助mimo系统的波束训练优化方法的步骤。

32、与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

33、本发明针对ris辅助通信系统在实际应用中可能存在的场景(如，直接链路或反射链路存在障碍物、基站数量少的超远距离传输覆盖或室内-室外通信等)，ris辅助通信系统可以解决这一问题；

34、本发明针对ris关联信道信息难以获取问题，采用波束训练的ris辅助通信系统，但目前仍缺乏综合完备可靠、符合实际应用的研究方案，该方法可以解决新兴及未来无线网络关注的能耗问题，得到优化后的变量对应的系统性能接近于完美波束对准情况；

35、本发明对于含三个优化变量的优化问题，采用穷举搜索方案可以得到系统性能的最优解，接近于完美波束对准；

36、综上，本发明可以通过设计码本优化用户及ris节点的出发角与到达角关联的角度信息，用于解决基于波束训练的ris辅助无线通信系统能效等约束下的性能提升问题，可以接近于完美波束对准情况。