一种基于智能反射面辅助的双向中继通信方法技术

本发明专利技术公开了一种基于智能反射面辅助的双向中继通信方法，属于无线通信技术领域，应用于双向中继通信系统，所述系统包括两个单天线用户、两个具备多个独立反射单元的智能反射面以及一个单天线放大转发中继，其中智能反射面用以辅助其相邻用户与中继间的通信，中继用以接收来自两用户的信号并进行放大转发，在此基础上两用户实现双向中继通信；基于所述系统，以两个智能反射面的相移为优化变量，构建系统端到端通信性能对应的和可达速率优化问题；进一步利用基于黎曼流形的交替优化算法对优化问题进行求解。本发明专利技术能够有效提高系统频谱效率，进一步提升双向中继通信系统端到端性能增益，并实现对系统和可达速率的优化。并实现对系统和可达速率的优化。并实现对系统和可达速率的优化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于智能反射面辅助的双向中继通信方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，更具体地，涉及一种基于智能反射面辅助的双向中继通信方法。

技术介绍

[0002]随着超密集网络、大规模多输入多输出以及毫米波等关键技术的发展，第5代移动通信技术(5
‑
th generation,5G)已实现大规模商业化部署，实现了万物互联的目标。但与此同时，5G技术在硬件成本、能耗以及部署的复杂度等问题上仍存在不足，给未来通信技术的发展带来了新的挑战。基于此，智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)技术以其无源、低成本以及高能效的等特点成为了下一代移动通信网络的关键技术之一，并得到了广泛的研究。智能反射面是由大量低成本的被动无源反射单元组成的平面，放置于发送方与接收方之间。每个反射单元都能够独立地对入射信号进行相位的改变，通过调整反射单元上的相移设置，实现对无线传播环境的改变，由此提高无线通信系统性能。
[0003]鉴于IRS低成本、低功耗以及易部署等特点，IRS被广泛应用于各种移动通信系统中，并与现有的技术整合，以期实现更高性能的移动通信。IRS与传统的中继技术在协助端到端通信方面有相似之处，但相比于独立地将两种技术进行比较，混合IRS和中继的无线通信网络，达到了两种技术的优势互补，提升系统性能的目的。在目前现有的混合IRS和中继技术的研究中，仅考虑到了单向通信场景，在此场景下，两个通信端用户之间交换信息所消耗的时间比双向通信场景高一倍，在一定程度上造成频谱资源浪费。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷及改进需求，本专利技术提供了一种基于智能反射面辅助的双向中继通信方法，其目的在于实现两个通信端之间高效及低复杂度通信，同时通过对智能反射面上的反射单元相移进行联合优化调整，实现系统通信性能的提升。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于智能反射面辅助的双向中继通信方法，应用于双向中继通信系统，所述系统包括：第一用户端U1、第二用户端U2、第一智能反射面IRS1、第二智能反射面IRS2和中继；其中，U1和U2之间的直接链路被阻挡；中继部署在U1和U2之间，并与U1和U2存在直接链路；IRS1和IRS2各具有N个反射单元，IRS1部署在U1和中继之间，IRS2部署在U2和中继之间；U1、U2和中继均配备单个天线；
[0006]所述方法包括：
[0007]第一个时隙下，U1以发射功率P1向中继和IRS1发射信号x1，U2以发射功率P2向中继和IRS2发射信号x2，IRS1和IRS2分别将其接收到的信号反射给中继；中继对其接收到的叠加信号y
R
进行放大，并以发射功率P
R
将放大信号x
R
以广播方式转发给U1、U2、IRS1和IRS2；
[0008]第二个时隙下，U1接收来自中继的放大信号和IRS1反射的信号，U2接收来自中继的放大信号和IRS2反射的信号；U1和U2分别将其接收到的叠加信号中自身发出的信号进行消除，从而实现U1和U2之间的信息交换。
[0009]进一步地，所述叠加信号y
R
表示为：
[0010][0011]其中，h
d
为U1和中继间的直接信道，h1为U1和IRS1间的信道，h2为IRS1和中继间的信道，为h2的共轭转置，Θ＝diag(θ1,θ2...,θ
N
)表示IRS1上的反射相移矩阵，θ
n
表示IRS1上第n个反射单元上的相移；g
d
为U2和中继间的直接信道，g1为U2和IRS2间的信道，g2为IRS2和中继间的信道，为g2的共轭转置，表示IRS2上的反射相移矩阵，表示IRS2上第n个反射单元上的相移，n∈{1,...,N}；n
R
表示中继处的加性高斯白噪声AWGN；
[0012]所述放大信号x
R
＝βy
R
，其中β为放大因子。
[0013]进一步地，U1和U2分别将其接收到的叠加信号中自身发出的信号进行消除后，U1处接收到的信号为：
[0014][0015]其中，n1表示U1处的AWGN，相应的U1处的可达速率为：
[0016][0017]U2处接收到的信号为：
[0018][0019]其中，n2表示U2处的AWGN，相应的U2处的可达速率为：
[0020][0021]所述系统端到端和可达速率R
sum
＝R1+R2；γ
R
表示中继处的信噪比。
[0022]进一步地，通过改变IRS1和IRS2上各反射单元的相移，分别调整U1和中继以及U2和中继间的有效信道，以最大化所述系统端到端和可达速率R
sum
；其中，U1和中继间的有效信道为U2和中继间的有效信道为
[0023]进一步地，所述通过改变IRS1和IRS2上各反射单元的相移，分别调整U1和中继以及U2和中继间的有效信道，以最大化所述系统端到端和可达速率R
sum
，具体为：
[0024]S1：以最大化所述系统端到端和可达速率R
sum
为目标，构建所述系统端到端性能优化问题，如下：
[0025][0026][0027][0028]S2：将所述S1中含有两变量的优化问题拆分为两个子问题：对IRS1的相移矩阵Θ的优化问题和对IRS2的相移矩阵Φ的优化问题
[0029]S3：对优化算法涉及的参数进行初始化；
[0030]S4：给定IRS2的相移矩阵Φ
t
，对IRS1的相移矩阵Θ进行优化，得到最优相移矩阵Θ
t+1
；
[0031]S5：利用所述S4中的优化结果，给定IRS1的相移矩阵Θ
t+1
，对IRS2的相移矩阵Φ进行优化，得到最优相移矩阵Φ
t+1
；
[0032]S6：计算当前参数设置下，系统端到端和可达速率R
sum
(Φ
t+1
,Θ
t+1
)；
[0033]S7：判断R
sum
(Φ
t+1
,Θ
t+1
)与R
sum
(Φ
t
,Θ
t
)的差值是否小于门限值，若是，则迭代停止，输出最优相移矩阵Θ
t+1
和Φ
t+1
；若否，令t＝t+1，并重复S4至S6，t为迭代次数。
[0034]进一步地，所述通过改变IRS1和IRS2上各反射单元的相移，分别调整U1和中继以及U2和中继间的有效信道，以最大化所述系统端到端和可达速率R
sum
，具体为：
[0035]S1＇：以最大化所述系统端到端和可达速率R
sum
为目标，构建所述系统端到端性能优化问题，如下：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于智能反射面辅助的双向中继通信方法，其特征在于，应用于双向中继通信系统，所述系统包括：第一用户端U1、第二用户端U2、第一智能反射面IRS1、第二智能反射面IRS2和中继；其中，U1和U2之间的直接链路被阻挡；中继部署在U1和U2之间，并与U1和U2存在直接链路；IRS1和IRS2各具有N个反射单元，IRS1部署在U1和中继之间，IRS2部署在U2和中继之间；U1、U2和中继均配备单个天线；所述方法包括：第一个时隙下，U1以发射功率P1向中继和IRS1发射信号x1，U2以发射功率P2向中继和IRS2发射信号x2，IRS1和IRS2分别将其接收到的信号反射给中继；中继对其接收到的叠加信号y
R
进行放大，并以发射功率P
R
将放大信号x
R
以广播方式转发给U1、U2、IRS1和IRS2；第二个时隙下，U1接收来自中继的放大信号和IRS1反射的信号，U2接收来自中继的放大信号和IRS2反射的信号；U1和U2分别将其接收到的叠加信号中自身发出的信号进行消除，从而实现U1和U2之间的信息交换。2.如权利要求1所述的基于智能反射面辅助的双向中继通信方法，其特征在于，所述叠加信号y
R
表示为：其中，h
d
为U1和中继间的直接信道，h1为U1和IRS1间的信道，h2为IRS1和中继间的信道，为h2的共轭转置，Θ＝diag(θ1,θ2...,θ
N
)表示IRS1上的反射相移矩阵，θ
n
表示IRS1上第n个反射单元上的相移；g
d
为U2和中继间的直接信道，g1为U2和IRS2间的信道，g2为IRS2和中继间的信道，为g2的共轭转置，表示IRS2上的反射相移矩阵，表示IRS2上第n个反射单元上的相移，n∈{1,...,N}；n
R
表示中继处的加性高斯白噪声AWGN；所述放大信号x
R
＝βy
R
，其中β为放大因子。3.如权利要求2所述的基于智能反射面辅助的双向中继通信方法，其特征在于，U1和U2分别将其接收到的叠加信号中自身发出的信号进行消除后，U1处接收到的信号为：其中，n1表示U1处的AWGN，相应的U1处的可达速率为：U2处接收到的信号为：其中，n2表示U2处的AWGN，相应的U2处的可达速率为：
所述系统端到端和可达速率R
sum
＝R1+R2；γ
R
表示中继处的信噪比。4.如权利要求3所述的基于智能反射面辅助的双向中继通信方法，其特征在于，通过改变IRS1和IRS2上各反射单元的相移，分别调整U1和中继以及U2和中继间的有效信道，以最大化所述系统端到端和可达速率R
sum
；其中，U1和中继间的有效信道为U2和中继间的有效信道为5.如权利要求4所述的基于智能反射面辅助的双向中继通信方法，其特征在于，所述通过改变I...

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，陶叶，葛晓虎，张靖，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：