一种智能反射面辅助多小区协同多点传输的鲁棒波束赋形方法技术

本发明专利技术涉及一种智能反射面辅助多小区协同多点传输的鲁棒波束赋形方法，按以下步骤进行：首先，采用有界误差模型，构建基站发射波束赋形和智能反射面相移的联合优化问题，同时满足基站功率约束和用户速率约束，最小化总发射功率；然后，将该问题解耦为基站发射波束赋形和智能反射面相移两个问题，采用S‑Procedure定理、凸半定松弛将基站波束赋形问题转作凸优化问题，将智能反射面相移问题转作一个目标明确的优化问题，提出一种基于二分法的算法；最后，交替迭代发射波束赋形问题和相移问题，直至优化目标收敛。本发明专利技术能够在满足基站功率约束、用户目标速率约束的情况下，最小化总发射功率，即使在最坏信道估计条件下仍能保证系统性能。

【技术实现步骤摘要】
一种智能反射面辅助多小区协同多点传输的鲁棒波束赋形方法
本专利技术涉及一种鲁棒波束赋形方法，特别涉及一种智能反射面辅助多小区协同多点传输的鲁棒波束赋形方法，属于无线通信

技术介绍
智能反射面(IntelligentReflectingSurface，IRS)是一种由可编程电磁超材料构成的二维表面，其上覆盖有大量的被动式反射阵子；反射阵子具有特殊的物理结构，可通过人工编程操控的方式对入射电磁波的相位进行调整。利用上述特性，IRS能够构建智慧无线电传播环境，通过反射面参数调整对天然电磁波传播环境进行有利人为改造，进而消除阻挡、衰落等不利信道因素，提升移动通信系统性能。特别地，IRS能够在不使用任何功率放大器、射频链以及基带信号处理器的情况下按需反射信号，因此IRS比常规的无线电收发机具有更低的能量消耗及硬件器件成本，具有低成本广泛部署的潜力。IRS赋能网络的频谱效率及用户的服务质量很大程度上依赖于基站(BaseStation,BS)和IRS的联合设计，通过设计基站发射波束赋形以及IRS相移，可以增强目标接收用户的信号强度并抑制多用户间干扰。IRS辅助无线通信的现有文献已经证明，通过联合优化BS处的发射波束赋形和IRS处的相移可以实现目标用户的信息传输速率优化。IRS辅助通信系统的性能很大程度上取决于信道状态信息(ChannelStateInformation，CSI)的准确性，即BS和IRS之间的CSI以及IRS和用户之间的CSI。然而，现有的研究大多是基于完美CSI的假设。但是，IRS不具备完整的信号处理能力，既不能发送也不能接收导频符号，因此IRS辅助的无线系统的CSI在实际应用中难以精确获取。当在实践中无法完美地获得这些信息时，假设完美CSI的系统将经历性能下降。因此，研究非理想CSI情况下的联合优化BS发射波束赋形和IRS相移设计对降低信道信息不精确所致的系统性能损失是非常有必要的。在IRS辅助网络的BS-IRS联合波束赋形方面，最近，有研究人员基于IRS-用户侧信道和BS-IRS-用户侧级联信道估计存在误差的假设，初步研究了IRS辅助单/多用户MISO系统场景下的鲁棒联合波束赋形方法，证明了鲁棒波束赋形设计的有效性及必要性。然而，目前IRS辅助网络的研究主要局限于特定单小区MISO场景，针对更为一般性场景下的多小区网络的鲁棒波束赋形优化还有待深入研究。IRS也可以应用于多小区系统，可以将其应用于协同多点联合处理(jointprocessingcoordinatedmultipoint,JP-CoMP)系统。近几十年，CoMP技术由于能够抑制小区间干扰而引起了极大的关注，最近有研究人员研究了关于IRS辅助CoMP系统的工作，主要集中于提高小区边缘用户的性能。然而，这些工作都假设了理想的CSI，因此，研究IRS辅助多小区JP-CoMP系统的鲁棒波束赋形是非常有必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决IRS辅助多小区JP-CoMP系统信道估计存在误差从而导致系统性能下降这一问题，其特征在于，在考虑信道估计误差的情况下，提出一种IRS辅助多小区JP-CoMP系统的BS-IRS联合传输鲁棒波束赋形方法。该方法考虑了有界信道误差模型，通过联合优化多基站的发射波束赋形和IRS相移，在满足每个基站的功率限制和最差用户的目标速率约束的情况下，最小化基站总的发射功率。本专利技术方法是通过如下技术方案实现的：一种智能反射面辅助多小区协同多点传输的鲁棒波束赋形方法，包括以下步骤：步骤一，首先本专利技术考虑JP-CoMP多小区网络BS-IRS-用户级联信道状态信息不完美的情况，联合优化BS发射波束赋形和IRS相移，在满足每个基站功率约束和最差用户的服务质量的前提下，最小化基站总的发射功率，引入的鲁棒波束赋形设计模型如下式所示：其中，表示第k个用户的可实现速率。表示第l个BS到第k个用户的波束赋形向量；K表示小区边缘用户个数，N表示各小区BS的天线个数；表示各基站到第k个用户的复合信道矩阵，可表示为表示估计的BS-IRS-用户级联信道状态信息，ΔHk表示对应的级联信道估计误差；Pl,max表示第l个小区的BS的最大功率，γ＞0表示第k个用户的目标速率，表示第k个用户加性高斯白噪声的协方差，εk表示BS处已知的信道不确定区域的半径；表示IRS相移向量，θm∈[0,2π]表示IRS第m个元件的相移，M表示IRS的元件个数。步骤二，本专利技术针对该联合优化模型复杂耦合的问题，采用交替优化的方法，将其分为BS发射波束赋形优化和IRS相移优化两个子问题。其中，BS波束赋形优化问题表达如下：针对(2)中的非凸目标速率约束，通过矩阵转换Tr(AHB)＝vecH(A)vec(B)并且应用以下S-Procedure定理：对于一个函数fm(x)，定义其中，为Hermitian矩阵，bm∈R。对于当且仅当存在δ≥0时，存在只要存在一点使得成立。将该非凸的目标速率约束转化为下列等效的线性矩阵不等式：当且仅当存在δk≥0时，上式成立。其中，进一步地，定义则基站波束赋形子问题可以表示为：Wk≥0和rank(Wk)＝1是为了保证在优化Wk后，仍然成立。其中，秩一约束rank(Wk)＝1是非凸的，借助半定松弛算法放松掉该约束，则基站波束赋形子问题转化为如下的凸问题：问题(4)是一个凸的SDP，可以被现有的凸优化求解器有效地解决。对于秩大于1的解，即rank(Wk)＞1的情况，应用高斯随机化方法构造可行解。步骤三，优化求解IRS相移子问题，该子问题可表达如下：针对该非凸的可行性检验问题，将其转化为一个目标明确的优化问题，以获得通常更有效的相移解来降低发射功率，可转化为：然后，引入松弛变量t，可以转化为：针对(7)中非凸的用户目标速率约束的处理与BS波束赋形子问题类似，通过矩阵转化该约束可以转化为：vec(ΔHk)HYkvec(ΔHk)+2Re{vec(Hk)HYkvec(ΔHk)}+zk≤0,其中，进一步应用S-Procedure定理，上式可转化为定义则该子问题进一步转化为下式：针对非凸的秩一约束rank(V)＝1，采用其凸半正定约束进行替代，其中是一个辅助变量。另外，可以用它的凸Schur补形式替换为则IRS相移子问题进一步可表示为：该问题最优解可以通过检验一系列SDP问题的可行性来求得，即在给定t的情况下，优化求解(9)检测是否可以求得可行的V。特别地，对于给定的t，通过二分搜索可以得到全局最优V，选择合适的包含topt的初始上下界tU和tL可以使算法快速收敛到全局最大值。因为Rk总是正的，所以可以在第一次迭代中设置tL＝0。SINRk的最大值可以通过下列不等式得到因为目标是最大限度地提高最差用户的可实现速率，所以可设置初始上界值为算法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种智能反射面辅助多小区协同多点传输的鲁棒波束赋形方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)本专利技术考虑了多小区协同多点联合处理(joint processing coordinatedmultipoint,JP-CoMP)系统基站-智能反射面-用户级联信道状态信息估计不完美这一实际情况，采用有界信道误差模型，联合优化多个基站的发射波束赋形和智能反射面相移，在满足每个基站的功率约束以及最差用户服务质量的前提下，最小化基站总的发射功率；/n(2)本专利技术针对该联合优化模型变量复杂耦合的问题，采用交替优化的方法，将其分为基站发射波束赋形优化问题和智能反射面相移优化问题两个子问题进行迭代优化。/n

【技术特征摘要】
1.一种智能反射面辅助多小区协同多点传输的鲁棒波束赋形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)本发明考虑了多小区协同多点联合处理(jointprocessingcoordinatedmultipoint,JP-CoMP)系统基站-智能反射面-用户级联信道状态信息估计不完美这一实际情况，采用有界信道误差模型，联合优化多个基站的发射波束赋形和智能反射面相移，在满足每个基站的功率约束以及最差用户服务质量的前提下，最小化基站总的发射功率；
(2)本发明针对该联合优化模型变量复杂耦合的问题，采用交替优化的方法，将其分为基站发射波束赋形优化问题和智能反射面相移优化问题两个子问题进行迭代优化。


2.根据权利要求1所述的基站发射波束赋形和智能反射面相移联合优化问题，其特征在于，引入的鲁棒波束赋形优化模型如下式所示：



其中，表示第k个用户的可实现速率；表示第l个BS到第k个用户的波束赋形向量；K表示小区边缘用户个数，N表示各小区BS的天线个数；表示各基站到第k个用户的复合信道矩阵，可表示为表示估计的BS-IRS-用户级联信道状态信息，ΔHk表示对应的级联信道估计误差；Pl,max表示第l个小区的BS的最大功率，γ＞0表示第k个用户的目标速率，表示第k个用户加性高斯白噪声的协方差，εk表示BS处已知的信道不确定区域的半径；表示IRS相移向量，θm∈[0,2π]表示IRS第m个元件的相移，M表示IRS的元件个数。


3.根据权利要求1所述的基站波束赋形子问题，其特征在于，可表达如下：



针对(2)中非凸的目标速率约束，通过矩阵转换Tr(AHB)＝vecH(A)vec(B)和并且应用S-Procedure定理，将非凸的目标速率约束转化为下列等效的线性矩阵不等式：



当且仅当存在δk≥0时，上式成立；其中，
进一步地，定义则基站波束赋形子问题可...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓宇，高晖，许文俊，曹若菡，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11