一种面向智能反射面辅助的无定形共生通讯系统的波束优化方法

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种面向智能反射面辅助的无定形共生通讯系统的波束优化方法。

背景技术：

1、随着物联网网络的广泛发展，未来接入设备的数量将增加到每平方米数十个甚至数百个，这对有限的频谱资源构成了巨大挑战。共生通信系统是一项有希望解决上述问题的技术。在共生系统中，主级信号源与次级信号源在特定的传输协议内共同协作并将信息传输给对应的主级用户以及次级用户，从而提高能量利用率以及频谱效率。然而，由于系统的双重路径损耗，通信距离十分受限。

2、近年来，研究者提出了利用智能反射面作为次级信号源以辅助共生通信系统的方案。智能反射面由大量低成本无源反射元件组成，每个无源反射元件都可以通过独立改变入射信号的相位或振幅来自适应地调节无线传播环境，从而无需射频链即可在irs处实现无源波束形成，提高能量利用效率。如公开号为cn114928838a的中国专利公开了一种智能反射表面辅助的共生通信信息传输系统和方法，涉及无线通信领域，解决了共生无线通信系统的信息安全问题，其技术方案是包括基站、智能反射表面、物联网设备、用户端和窃听端：基站向用户端发送主动信息构建主传输链路实现主动信息传输；物联网设备向智能反射表面发送物联网信息；智能反射表面将物联网信息调制到主传输链路的主动信息上，生成被动信息，并将被动信息发送给用户端构建次传输链路实现被动信息传输；窃听端窃听主传输链路传输的主动信息和次传输链路传输的被动信息，用户端解调基站发送的主动信息和所述智能反射表面发送的被动信息。如公开号为cn109451591a的中国专利公开了融合蜂窝网-物联网的共生系统传输方法，给出了物联设备接入网络的两种方案：在方案一中，反射设备(即物联网设备)利用蜂窝网中的上行信号来接入网络，基站同时解调蜂窝网中用户的信号和物联网中反射设备的信号；在方案二中，反射设备利用蜂窝网中的下行信号来接入网络，蜂窝网中用户端同时解调蜂窝网中基站的信号和物联网中反射设备的信号。

3、但是，由于大量无源反射元件的存在，联合设计主级次级波束设计是复杂的，为此，研究者针对蜂窝网络下联合波束设计进行了大量的研究。然而，在共生系统的传输协议中，次级用户将受到来自主级用户的干扰，导致传输速率低，考虑到在蜂窝通信系统中的用户同时会受到来自相邻小区的干扰，为了更好地服务于所有用户，需要考虑无定形系统中的联合波束设计，以更好的提高能量利用率和频谱效率。

4、综上所述，综合考虑研究智能反射面辅助的无定形共生通讯系统是非常重要的，对实际物联网场景的部署具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种面向智能反射面辅助的无定形共生通讯系统的波束优化方法，本发明提供的波束优化方法可以有效提升系统的通信性能。

2、本发明采用下述技术方案：

3、一种面向智能反射面辅助的无定形共生通讯系统的波束优化方法，所述无定形共生通讯系统包括环境射频信号源基站、智能反射面、主级用户和次级用户，所述波束优化方法包括如下步骤：

4、(1)基站根据主级用户和次级用户的无线信道得到主级用户的平均可实现速率和次级用户的理论误码率；

5、(2)基站根据平均可实现速率和理论误码率建立优化问题并进行波束设计，得到联合优化后的有源波束和无源波束；

6、(3)基站将优化后的最优反射面相位设计/优化后的无源波束通过单独链接线路传输给智能反射面，优化后的有源波束用于基站波束设计。

7、在本发明中，无定形共生通信系统的传输协议为：在每个相干间隔的开始，导频用于信道估计，而剩余时间用于信息传输；设si[l]表示第i个主级用户接收到的来自基站的第l个符号，其服从方差为1的零均值复高斯信号，即x∈{0,1}表示智能反射面等概率发送的采用相移键控调制的符号；si[l]的码元周期是x的1/l倍，即每个次级符号传输时间内都有l个主级传输符号发送；

8、令和中分别表示从第b个基站到第k个主级用户、从第b个基站到智能反射面、从智能反射面到第k个主级用户、第b个基站到次级用户以及从智能反射面到次级用户的信道。此外，将定义为irs的反射系数矢量，其中βm＝1和分别表示智能反射面第m个元件的振幅反射系数和相移系数。

9、在步骤(1)中，所述基站根据主级用户和次级用户的无线信道得到主级用户的平均可实现速率和次级用户的误码率包括：

10、(1-1)根据传输协议得到第l个主级符号周期中的第k个主级用户处的接收信号，根据此接收信号得到在第k个主级用户处解码si[l]的信干噪比，再根据信干燥比得到第k个主级用户的平均可实现速率；

11、(1-2)根据传输协议得到在次级用户处的第l个主级传输符号周期中的接收信号；根据此接收信号，次级用户完美解码si[l]并使用连续干扰消除法以从直接链路中去除信号，得到次级用户处的剩余信号；

12、(1-3)根据次级用户处的剩余信号，使用能量检测器，推导来自智能反射面的通-断键控调制信号(相移键控调制数据)的理论误码率。

13、在步骤(1-1)中，所述第l个主级符号周期中的第k个主级用户处的接收信号由下式给出：

14、

15、其中是方差为σ2均值为零的加性高斯白噪声，wb,i表示从第b个基站到第i个主级用户的波束形成向量，具有功率约束其中pb是第b个基站的最大发射功率；

16、在第k个主级用户处解码si[l]的信干噪比由下式给出：

17、

18、则第k个主级用户的瞬时可实现速率由下式给出：

19、

20、因此，通过对智能反射面发送的符号平均，第k个主级用户的平均可实现速率由下式给出：

21、

22、在步骤(1-2)中，在次级用户处的第l个主级传输符号周期中的接收信号由下式给出：

23、

24、分别定义h1和h0为事件x＝1和x＝0，因此，经过使用连续干扰消除法后的次级用户处的剩余信号由下式给出：

25、

26、并且分布上有：

27、

28、其中

29、在步骤(1-3)中，定义表示每个次级通信符号间隔中的总接收能量，根据中心极限定理，可以近似为的高斯分布，因此有：

30、

31、其中表示假设i下的概率密度函数，因此，使用能量检测器有：

32、

33、其中是分离两个假设的最佳阈值，由下式给出：

34、

35、因此，误码率可近似计算为：

36、

37、在步骤(2)中，基站根据平均可实现速率和理论误码率建立优化问题并进行波束设计，得到联合优化后的有源波束和无源波束的方法包括：

38、(2-1)根据平均可实现速率和理论误码率建立优化问题，引入惩罚函数将优化问题进一步转化；

39、(2-2)采用双层交替迭代优化的方式求解引入惩罚函数后转化后的优化问题，包括内层优化和外层优化：内层优化为分别优化辅助变量、基站的有源波束优化和智能反射面处的无源波束优化，外层优化为更新惩罚系数。

40、在本发明中，所述波束设计为联合波束最优化设计，根据所推导的误码率结构，设计惩罚算法，并采用交替优化方法，将四次规划问题转为二次规划问题，降低问题复杂度，从而将联合波束最优化设计转为有源波束与无源波束最优化设计。其中，所述的有源波束最优化设计，在给定无源波束的情况下，基于交替方向乘子法，以最小化次级用户的理论误码率为目标，可将问题分解为两个二次规划问题和一个单约束的二次约束二次规划问题，通过查找其导函数零点可得最优解。所述无源波束最优化设计，通过引入辅助变量将原四次规划问题转化为一个无约束二次规划问题以及一个单模约束二次规划问题，通过查找其导函数零点与mm算法可得最优设定。

41、具体为：

42、在步骤(2-1)中，根据平均可实现速率和理论误码率建立如下优化问题：

43、

44、通过引入惩罚函数，优化问题进一步转化为：

45、

46、其中，

47、

48、且μ1,k，μ2,k为引入的辅助变量，ρ为惩罚系数。

49、在步骤(2-2)中，所述内层优化包括：

50、(2-2-1)辅助变量优化：基于有源波束和无源波束θ，得到辅助变量更新μ1,k，μ2,k；

51、(2-2-2)有源波束优化：基于辅助变量μ1,k，μ2,k以及无源波束θ，得到有源波束更新具体为：将原四次规划问题转化为两个无约束二次规划问题以及一个单约束二次规划问题；对于无约束二次规划问题，通过查找其导函数零点可得最优变量设定，对于单约束二次规划问题，通过引入辅助变量并二分查找其导函数零点可得最优设定；

52、(2-2-3)无源波束优化：基于辅助变量μ1,k，μ2,k以及有源波束得到无源波束更新θ，不断重复上述三步，直至收敛，具体为：将原始四次规划问题转化为一个无约束二次规划问题以及一个恒模约束二次规划问题，对于无约束二次规划问题，通过查找其导函数零点可得最优变量设定，对于恒模约束二次规划问题，通过mm算法可得最优设定。

53、所述外层优化为更新惩罚系数ρ＝cρ，其中c为小于1的常量。

54、与现有技术相比，本发明在共生通信场景当中考虑了智能反射面辅助的无定形网络下，基站有源波束和智能反射面无源波束的联合设计。首先推导出该系统中次级用户的理论误码率，接着从最小化次级用户理论误码率的角度出发，优化基站有源波束和智能反射面无源波束，有效提升了共生通信系统的通信性能，弥补了此前蜂窝通信网络的方法无法适用于无定形通信网络的不足。