一种基于离散移相器的IRS辅助毫米波联合波束成形方法

本发明涉及无线通信，尤其是涉及一种基于离散移相器的irs辅助毫米波联合波束成形方法。

背景技术：

1、毫米波拥有更丰富的频谱资源，可为当前和未来的无线网络提供每秒千兆比特的数据传输速率。与6ghz以下的信号相比，毫米波信号经历了严重的路径损耗和大气衰减，但其较短的波长可允许大规模天线阵列的部署，进而产生更高的波束成形增益并补偿严重的传输损耗。然而，高定向的毫米波波束更易受障碍物的影响，从而导致通信链路中断。为了解决该问题，人们将智能反射面(intelligent reflecting surface，irs)技术引入毫米波通信系统。该技术通过智能调控各元件的系数，能将来自基站的入射信号反射到期望的方向，以此降低链路被阻塞的概率。另一方面，由于irs的制作不使用任何射频链路，因此它还具有低成本和节能的特点。基于此，irs辅助的毫米波通信系统受到了学术界和工业界的广泛关注。

2、目前，irs辅助毫米波通信系统面临的一个关键问题是irs和收发端的联合波束成形设计。现有工作中，chandan pradhan等人在2020年的ieee wireless communicationsletters期刊上发表的hybrid precoding design for reconfigurable intelligentsurface aided mmwave communication systems提出了一种梯度投影法，并利用最小化均方误差设计波束成形问题；peilan wang等人在2021年的ieee transactions on wirelesscommunications期刊上发表的joint transceiver and large intelligent surfacedesign for massive mimo mmwave systems提出了一种基于流形优化(mo)的设计算法，以提高系统频谱效率；s.h.hong等人在2022年的ieee transactions on wirelesscommunications期刊上发表的hybrid beamforming for intelligent reflectingsurface aided millimeter wave mimo systems基于毫米波信道的稀疏散射结构和大尺度特性，设计了irs反射矩阵和混合波束形成形矩阵。上述工作中，irs反射波束形成与收发端波束形成均通过连续移相器实现的，但由于其硬件成本和功耗高，在实际中难以实施。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于离散移相器的irs辅助毫米波联合波束成形方法，旨在解决由连续移相器带了的高成本和高能耗问题，同时最大限度提升系统的频谱效率。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于离散移相器的irs辅助毫米波联合波束成形方法，包括以下步骤：

3、s1、建立irs辅助毫米波系统的联合波束成形优化问题模型；

4、s2、对irs反射波束成形与收发端混合波束成形的联合设计进行解耦；

5、s3、根据离散移相器的约束条件，提出基于交叉熵的迭代算法求解最优的irs反射波束成形矩阵；

6、s4、基于最优的irs反射波束成形矩阵，通过采用交替最小化策略设计混合波束成形矩阵。

7、优选的，在步骤s1中，联合波束成形优化问题被建模为：

8、

9、

10、式中，fbb和frf分别表示数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵，wbb和wrf分别为数字组合矩阵和模拟组合矩阵，[frf]i,j表示矩阵frf中第i行第j列的元素，[wrf]i,j表示矩阵wrf中第i行第j列的元素；是加性高斯白噪声，σ2为噪声功率，i表示单位矩阵，表示基站bs和用户ue间的等效信道矩阵，其中g为bs-irs间的信道矩阵，r为irs-ue间的信道矩阵，为反射波束成形矩阵，m为反射单元个数，反射系数是φ的第m个对角元素，θm∈(0,2π)表示对应的相移，发射功率ρ的约束为由于q-bit分辨率的离散移相器硬件的约束，发射端模拟波束成形矩阵frf、接收端模拟波束成形矩阵wrf和反射波束成形矩阵φ中的每个元素必须被限制在集合中，即

11、

12、式中，q表示移相器的分辨率，符号qirs，qbs和que分别表示irs、基站和用户处的移相器的分辨率。

13、优选的，在步骤s2中，对irs反射波束成形与收发端混合波束成形的联合设计进行解耦，具体过程如下：

14、暂时不考虑关于frf和wrf的约束，并将发射端/接收端的混合波束成形矩阵(frffbb/wrfwbb)看作纯数字结构的波束成形矩阵(f/w)，则公式(1)被简化为：

15、

16、值得注意的是，当φ是已知的时，则最优的f和w通过he的奇异值分解来获得，即和wopt＝u1，其中he＝u∑vh，是酉矩阵v的子矩阵，是酉矩阵u的子矩阵，是∑的子矩阵，ns表示数据流的数量，之后，通过利用交替最小化策略则获得接近于fopt/wopt的混合波束成形矩阵(frffbb/wrfwbb)；另一方面，将已获得的fopt和wopt带入公式(3)，则得到关于irs反射波束成形矩阵φ的优化问题：

17、

18、式中，是关于φ的函数。

19、优选的，在步骤s3中，根据离散移相器的约束条件，提出基于交叉熵的迭代算法求解最优的irs反射波束成形矩阵：

20、在基于交叉熵的迭代算法中，设置um,q代表反射系数选择集合中第q个元素的概率参数，且um,q满足并初始化概率参数之后，在第i次迭代过程中，根据概率分布生成x个候选反射波束成形矩阵此时公式(4)重写为

21、

22、然后，基于计算x个并按照降序对进行排列，即：

23、

24、而后，选择前xelite个对应较大值的φ[x]作为精英样本；基于这些精英样本的概率分布，并通过最小化交叉熵更新概率参数为：

25、

26、其中，表示生成φ[x]的概率，即：

27、

28、式中，表示集合中的第q个元素，当为真时，指示函数否则将拉格朗日系数引入公式(8)，得：

29、

30、对上式关于求一阶导数，并使结果置零，得：

31、

32、将公式(10)在的情况进行相加，得到进而得到：

33、

34、最后，重复上述过程，直到达到最大迭代次数i，此时以接近1的概率获得最优的irs反射波束成形矩阵。

35、优选的，在步骤s4中，基于最优的irs反射波束成形矩阵，通过采用交替最小化策略设计混合波束成形矩阵：

36、对于最优的irs反射波束成形矩阵φ★，求得he＝rφ★g＝u★∑★(v★)h，和进而，关于发射端/接收端混合波束成形矩阵的优化问题表示为

37、

38、

39、上述公式(12)和公式(13)属于相同的问题模型，因此均采用现有的交替最小化策略进行求解，以便获得近似最优的frf，fbb，wrf和wbb。

40、因此，本发明采用上述一种基于离散移相器的irs辅助毫米波联合波束成形方法，其技术效果如下：

41、(1)在离散移相器场景下，可以形成一个irs辅助毫米波系统的联合波束成形问题模型。

42、(2)利用所提的基于交叉熵的迭代算法，实现对irs反射波束成形问题的求解，并以接近于1的概率获得最优解。

43、(3)基于离散移相器的约束条件，联合优化irs反射波束成形和收发端波束成形，可以在降低硬件成本和能耗的同时最大限度提升系统频谱效率。

44、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。