智能超表面辅助上行通信系统的用户调度与传输方法

本发明涉及无线通信，特别涉及一种智能超表面辅助上行通信系统的用户调度与传输方法。

背景技术：

1、随着移动用户和无线设备数量的急剧增长，通信网络的规模和需求在逐渐扩大，现有的第五代通信技术(5g)已无法完全实现。为满足未来移动通信网络大容量、低时延、绿色节能等多重需求，需要在基本传输技术以及资源利用等方面寻求新的突破。近年来兴起的智能超表面由于其低制造成本、低能耗、可协调等特性，已经成为5g乃至6g通信技术一项极具潜力的技术。通过在无线网络中密集地部署智能超表面(reconfigurableintelligent surface，ris)，并巧妙地协调它们的反射，发射机和接收机之间的无线信道可以灵活地重新配置，为此irs减少了无线信道衰落损伤和干扰问题。

2、当瞬时信道状态信息(channel state information，csi)已知时，可以联合设计用户调度算法、智能超表面的反射系数矩阵以及基站处的线性接收器。然而，由于智能超表面的被动结构、用户的移动性以及庞大的用户数量，获取准确的瞬时csi极具挑战性，将产生较高的信号处理复杂度和较大的训练开销。

技术实现思路

1、本发明提供一种智能超表面辅助上行通信系统的用户调度与传输方法，基于双时间尺度原则，采用统计csi设计用户调度准则和智能超表面反射系数矩阵，根据瞬时csi来设计基站线性接收器。用户调度基于用户统计信道之间的相关性，智能超表面相移设计基于调度用户的统计csi。

2、本发明第一方面实施例提供一种智能超表面辅助上行通信系统的用户调度与传输方法，用于配置r块智能超表面的小区单上行通信系统，小区内存在k个单天线用户无法被基站信号覆盖，所述基站采用m个天线阵元的均匀线性天线阵，所述智能超表面采用包含n个反射单元的均匀平面阵，方法包括以下步骤：

3、在所述小区单上行通信系统中部署智能超表面位置，使得任意两块智能超表面之间的响应矢量满足其中，与分别表示第j1块智能超表面及第j2块智能超表面与基站之间视距路径相对于基站的波到达角，j1＝1,…,r，j2＝1,…,r，d为基站k的天线阵列上相邻天线单元间距，λ为载波波长，m为各小区基站天线阵元数量，上标(·)h代表共轭转置；

4、根据各智能超表面与各用户之间的距离进行用户分组，并利用各智能超表面与各用户之间的统计信道状态信息进行用户调度；

5、利用小区基站与各智能超表面之间以及各智能超表面与各用户之间的统计信道状态信息进行智能超表面相移设计，利用调度的用户与基站之间的等效瞬时信道状态信息进行基站线性接收器设计。

6、可选地，在本发明的一个实施例中，所述统计信道状态信息包括：第j块智能超表面与用户k间视距路径相对于智能超表面的垂直方向波到达角第j块智能超表面与用户k间视距路径相对于智能超表面的水平方向波到达角第j块智能超表面与基站间视距路径相对于智能超表面的垂直方向波离开角第j块智能超表面与基站间视距路径相对于智能超表面的水平方向波离开角第j块智能超表面与基站之间视距路径相对于基站的波到达角第j块智能超表面到基站链路的莱斯因子βj，j＝1,…,r；

7、所述等效瞬时信道状态信息包括：用户k到基站处的等效瞬时信道信息hk。

8、可选地，在本发明的一个实施例中，根据各智能超表面与各用户之间的距离进行用户分组，包括：

9、a1)对各智能超表面j，将所有用户放入可分配用户集合λj；

10、a2)初始化各智能超表面的服务用户候选集合初始化交替分配的轮数t＝1；

11、a3)在第t轮分配中，初始化当前待分配用户的智能超表面序号n＝1；

12、a4)为第n块智能超表面从可分配用户集合λn挑选距离最近的用户τn，更新智能超表面n的服务用户候选集合πn＝πn∪{τn}，更新各智能超表面的可分配用户集合为λj＝λj\{τn},j＝1,…,r，更新当前待分配用户的智能超表面序号n＝n+1；

13、a5)重复步骤a4)直至n＝r+1或时停止，更新交替分配轮数t＝t+1，当t≤k/r时跳转至步骤a3)，否则停止。

14、可选地，在本发明的一个实施例中，利用各智能超表面与各用户之间的统计信道状态信息进行用户调度，采用基于贪心思想的最小化-最大相关性用户调度算法，包括：

15、b1)初始化系统已调度用户集合初始化系统已调度用户数量s＝0；

16、b2)从候选用户集合π1中为智能超表面1随机调度一个服务用户π1，更新系统已调度用户集合ξ＝ξ∪{π1}，更新系统已调度用户数量s＝1；

17、b3)令j＝s+1，初始化第j块智能超表面服务用户候选集合πj中用户k＝1,…,kj的最大相关性为ρk,j＝0，kj表示集合πj中的用户数量，对集合πj中的各用户k,k＝1,…,kj，计算其最大相关性ρk,j：

18、

19、其中，l是已调度智能超表面的序号，πl表示第l块智能超表面调度的服务用户，表示第l块智能超表面调度的服务用户到第j块智能超表面的视距分量，表示第l块智能超表面调度的服务用户到第l块智能超表面的视距分量，表示用户k到第j块智能超表面的视距分量，表示用户k到第l块智能超表面的视距分量，向量和分别表示第l块智能超表面调度的服务用户到第j块智能超表面和第l块智能超表面的大尺度衰落系数，ηk,j和ηk,l分别表示用户k到第j块智能超表面和第l块智能超表面的大尺度衰落系数，dr为智能反射面上相邻反射单元间距，λ为载波波长，符号代表克罗内克积,上标(·)h代表共轭转置；

20、b4)调度第j块智能超表面服务用户为其候选用户集合πj中最大相关性最小的用户：

21、

22、b5)更新系统已调度用户集合为ξ＝ξ∪{πj}，更新系统已调度用户数为s＝s+1；

23、b6)重复步骤b3)至b5)，直至s＝r+1停止。

24、可选地，在本发明的一个实施例中，利用小区基站与各智能超表面之间以及各智能超表面与各用户之间的统计信道状态信息进行智能超表面相移设计，包括：

25、c1)生成n维的离散傅里叶码本c＝{c1,1,...,c1,v,...,ch,1,...,ch,v}，其中码字

26、c2)为第j块智能超表面挑选最优的γ个离散傅里叶变换候选码字：

27、

28、其中，表示第j块智能超表面调度的服务用户到第j块智能超表面的视距分量，向量ηk,j表示第j块智能超表面调度的服务用户到第j块智能超表面链路的大尺度衰落系数，dr为智能反射面上相邻反射单元间距，λ为载波波长，符号代表克罗内克积；

29、c3)组合r块智能超表面的离散傅里叶变换候选码字，获得数量集为γr的离散傅里叶变换候选码字组合集合以最大化和近似遍历频谱效率为目标，挑选最优的离散傅里叶变换码字组合：

30、

31、其中，表示智能超表面j的最优离散傅里叶变换码字，为调度用户πi的近似遍历频谱效率，表示形式为：

32、

33、

34、

35、

36、

37、其中，p是每个用户的发送功率，ξj表示智能超表面j到基站链路的衰落系数，βj表示智能超表面j到基站链路的莱斯因子，表示智能超表面j到基站的视距分量，表示第j块智能超表面调度的服务用户到第j块智能超表面的视距分量，表示第j块智能超表面调度的服务用户到第j块智能超表面链路的大尺度衰落系数，[·]k表示删除矩阵的第k列，ψ(·)表示digamma函数运算；

38、c4)将第j块智能超表面反射系数矩阵设置为

39、可选地，在本发明的一个实施例中，利用调度的用户与基站之间的等效瞬时信道状态信息进行基站线性接收器设计，包括：

40、将基站线性接收器设计为迫零接收器，所述迫零接收器为：

41、wzf＝(hhh)-1hh

42、其中，h＝[h1,h2,…,hr]表示r个已调度用户的联合信道矩阵，hk表示第k个调度用户与基站的等效瞬时信道向量。

43、本发明实施例的智能超表面辅助上行通信系统的用户调度与传输方法，具有以下有益效果：

44、(1)本发明适用于多块irs辅助的单小区上行链路通信系统，并基于双时间尺度设计了低复杂度的用户调度算法和自适应传输方法；

45、(2)本发明涉及的用户调度算法采用统计信道信息，降低了信道信息获取开销；

46、(3)本发明涉及的irs相移的计算无需搜索迭代，比现有算法计算复杂度更低，易于实现。

47、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。