一种智能反射面反向散射赋能的协同多点传输方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种智能反射面反向散射赋能的协同多点传输方法及系统，建立智能反射面反向散射赋能的多小区MIMO下行网络模型；考虑加权和速率最大化问题和最大最小公平性问题；将加权和速率最大化问题分解为智能反射面反向散射的加权和速率最大化问题，以及智能反射面接收功率最大化问题，求解得到一个安全近似解；将最大最小公平性问题分解为所有用户设备的最小加权SINR最大化问题，以及智能反射面接收功率最大化问题，求解获得一个安全近似解；当一个发射机通过智能反射面向接收机发射信息时，多个元素单元的多路径级联信道合并为一个信道，完成协同多点传输。本发明专利技术利用智能反射面反向散射实现协同多点传输，降低计算和控制复杂度，满足不同通信要求。满足不同通信要求。满足不同通信要求。

【技术实现步骤摘要】
一种智能反射面反向散射赋能的协同多点传输方法及系统


[0001]本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种智能反射面反向散射赋能的协同多点传输方法及系统。

技术介绍

[0002]随着移动数据业务的爆发式增长，无线网络需要支持越来越多的用户设备。通过部署大量有源基站可以使网络密集化，是实现这一目标的最重要技术之一。然而，基站的密集部署必然会造成小区间干涉，从而严重限制频谱资源的高效利用。同时，配备在基站上的大量射频链路，也会消耗大量发射功率，并造成高昂的硬件成本。
[0003]协同多点传输技术作为一种小区间干涉消除策略，已经被定位为5G及B5G无线通信的关键技术之一。借助该传输技术，各个基站通过信号处理可以协同发送多个数据流，因而能够显著改善小区边缘用户设备的服务质量。然而，有源基站的能量消耗和硬件成本仍然是一个相当大的问题。当密集部署有源基站时，能量供应和硬件预算会急剧增加。为了降低硬件成本、实现绿色通信，除了算法外，协同多点传输技术还需要在硬件设备和网络架构上进一步改进。近几年，新兴的智能反射面技术为协同多点传输技术的发展提供了一个极好的机会。
[0004]智能反射面是一种二维人工可编程超表面，由许多低成本的无源反射元素单元组成，每个元素单元都能够独立地实现入射信号电磁波相位和振幅的实时控制。而且，大量元素单元还能带来丰富的空间自由度。由于智能反射面没有配备或者配备较少射频链路，所以其功耗很小。可以预见，智能反射面作为一种绿色经济的无源器件，将有助于提升多小区网络的频谱和能量效率。
专利技术内容
[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种智能反射面反向散射赋能的协同多点传输方法及系统，以低计算复杂度、高频谱能效的方式实现多小区 MIMO下行网络通信。
[0006]本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种智能反射面反向散射赋能的协同多点传输方法，包括以下步骤：
[0008]S1、建立智能反射面反向散射赋能的多小区MIMO下行网络模型；
[0009]S2、基于步骤S1建立的多小区MIMO下行网络模型，分别对加权和速率最大化问题和最大最小公平性问题进行建模，通过求解所有用户设备的最小加权SINR最大化问题和智能反射面接收功率最大化问题，获得加权和速率最大化问题的安全近似解和最大最小公平性问题的安全近似解；
[0010]S3、在步骤S1建立的多小区MIMO下行网络模型中，当有源宏小区基站通过智能反射面向用户设备发射信息时，分别根据步骤S2获得的加权和速率最大化问题安全近似解以及最大最小公平性问题安全近似解，设置宏小区基站的波束成形向量和发射功率分配和智
能反射面的波束成形向量，通过将多个元素单元的多路径级联信道合并为一个信道，完成协同多点传输。
[0011]具体的，步骤S1中，在多小区MIMO下行网络模型中，有源宏小区基站配备的M根天线被分为I组，第i组天线用于供应第i个智能反射面的无线能量，每组天线为定向天线，每个用户设备分别配有N根天线，当有源宏小区基站为智能反射面的反向散射提供能量供应时，采用一组无源智能反射面取代传统的有源小小区基站与一组用户设备通信；每个智能反射面统一由L个无源反射元素单元构成。
[0012]进一步的，第j个小区中第k个用户设备的信干噪比γ
jk
和可实现速率R
jk
分别为：
[0013][0014]R
jk
＝log(1+γ
jk
)
[0015]其中，(
·
)
H
为Hermite矩阵，θ
jk
为信号x
jk
的波束成形向量，T
jk,j
为宏小区基站的第j 组天线经过第j个智能反射面到第j个小区第k个用户设备的信道增益矩阵，为独立同分布的循环复高斯随机向量，G
jk,i
为宏小区基站的第i组天线到第j个小区中第k个用户设备的信道增益矩阵，w
i
为宏小区基站的第i组天线的波束成形向量，T
jk,i
为宏小区基站的第 i组天线经过第i个智能反射面到第j个小区第k个用户设备的信道增益矩阵，θ
ir
为信号x
ir
的波束成形向量。
[0016]具体的，步骤S2中，对于加权和速率最大化问题，经过拉格朗日对偶转换后，分解为智能反射面反向散射的加权和速率最大化问题，以及智能反射面接收功率最大化问题，通过求解智能反射面反向散射的加权和速率最大化问题，以及智能反射面接收功率最大化问题，得到加权和速率最大化问题的安全近似解和如下：
[0017](P1.2)
[0018]s.t.
[0019][0020](P1.5)
[0021]s.t.
[0022][0023][0024][0025]其中，Tr(
·
)为矩阵的迹，(
·
)
H
为Hermite矩阵，rank(
·
)为矩阵的秩，H
i
为宏小区基站的第i组天线到第i个智能反射面的信道增益矩阵，为智能反射面的集合，ω
jk
为第j个小区中第k个UE的加权因子，α
jk
为辅助变量，β
jk
为辅助变量，为集合，p
j
为宏小区基站第j组天线的发射功率，P为宏小区基站的总发射功率，为智能反射面的元素单元的集合，L为智能反射面的元素单元数量，为第j个小区的用户设备的集合。
[0026]进一步的，加权和速率最大化问题为：
[0027](P1)
[0028]s.t.
[0029][0030][0031]其中，Θ和W分别表示θ
jk
和w
i
的集合，θ
jk
为信号x
jk
的波束成形向量，w
i
为宏小区基站地i组天线的波束成形矩阵，ω
jk
为第j个小区中第k个用户设备的加权因子，R
jk
为第j 个小区中第k个用户设备的传输速率，Tr(
·
)为矩阵的迹，(
·
)
H
为Hermite矩阵，p
i
为宏小区基站分配给第i组天线的发射功率，为智能反射面的集合，P为宏小区基站的总发射功率，为智能反射面的元素单元的集合。
[0032]具体的，步骤S2中，对于步骤S2的最大最小公平性问题，经过二次转换后，分解为所有用户设备的最小加权SINR最大化问题，以及智能反射面接收功率最大化问题，通过求解所有用户设备的最小加权SINR最大化问题和智能反射面接收功率最大化问题，得到最大最小公平性问题的安全近似解如下：
[0033](P1.2)
[0034]s.t.
[0035][0036](P2.4)
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能反射面反向散射赋能的协同多点传输方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立智能反射面反向散射赋能的多小区MIMO下行网络模型；S2、基于步骤S1建立的多小区MIMO下行网络模型，分别对加权和速率最大化问题和最大最小公平性问题进行建模，通过求解所有用户设备的最小加权SINR最大化问题和智能反射面接收功率最大化问题，获得加权和速率最大化问题的安全近似解和最大最小公平性问题的安全近似解；S3、在步骤S1建立的多小区MIMO下行网络模型中，当有源宏小区基站通过智能反射面向用户设备发射信息时，分别根据步骤S2获得的加权和速率最大化问题安全近似解以及最大最小公平性问题安全近似解，设置宏小区基站的波束成形向量和发射功率分配和智能反射面的波束成形向量，通过将多个元素单元的多路径级联信道合并为一个信道，完成协同多点传输。2.根据权利要求1所述的智能反射面反向散射赋能的协同多点传输方法，其特征在于，步骤S1中，在多小区MIMO下行网络模型中，有源宏小区基站配备的M根天线被分为I组，第i组天线用于供应第i个智能反射面的无线能量，每组天线为定向天线，每个用户设备分别配有N根天线，当有源宏小区基站为智能反射面的反向散射提供能量供应时，采用一组无源智能反射面取代传统的有源小小区基站与一组用户设备通信；每个智能反射面统一由L个无源反射元素单元构成。3.根据权利要求2所述的智能反射面反向散射赋能的协同多点传输方法，其特征在于，第j个小区中第k个用户设备的信干噪比γ
jk
和可实现速率R
jk
分别为：R
jk
＝log(1+γ
jk
)其中，(
·
)
H
为Hermite矩阵，θ
jk
为信号x
jk
的波束成形向量，T
jk,j
为宏小区基站的第j组天线经过第j个智能反射面到第j个小区第k个用户设备的信道增益矩阵，为独立同分布的循环复高斯随机向量，G
jk,i
为宏小区基站的第i组天线到第j个小区中第k个用户设备的信道增益矩阵，w
i
为宏小区基站的第i组天线的波束成形向量，T
jk,i
为宏小区基站的第i组天线经过第i个智能反射面到第j个小区第k个用户设备的信道增益矩阵，θ
ir
为信号x
ir
的波束成形向量。4.根据权利要求1所述的智能反射面反向散射赋能的协同多点传输方法，其特征在于，步骤S2中，对于加权和速率最大化问题，经过拉格朗日对偶转换后，分解为智能反射面反向散射的加权和速率最大化问题，以及智能反射面接收功率最大化问题，通过求解智能反射面反向散射的加权和速率最大化问题，以及智能反射面接收功率最大化问题，得到加权和速率最大化问题的安全近似解和如下：(P1.2)(P1.2)
(P1.5)(P1.5)(P1.5)(P1.5)(P1.5)其中，Tr(
·
)为矩阵的迹，(
·
)
H
为Hermite矩阵，rank(
·
)为矩阵的秩，H
i
为宏小区基站的第i组天线到第i个智能反射面的信道增益矩阵，的第i组天线到第i个智能反射面的信道增益矩阵，为智能反射面的集合，w
jk
为第j个小区中第k个UE的加权因子，α
jk
为辅助变量，β
jk
为辅助变量，为辅助变量，为集合，p
j
为宏小区基站第j组天线的发射功率，P为宏小区基站的总发射功率，为智能反射面的元素单元的集合，L为智能反射面的元素单元数量，为第j个小区的用户设备的集合。5.根据权利要求4所述的智能反射面反向散射赋能的协同多点传输方法，其特征在于，加权和速率最大化问题为：(P1)(P1)(P1)(P1)其中，Θ和W分别表示θ
jk
和w
i
的集合，θ
jk
为信号x
jk
的波束成形向量，w
i
为宏小区基站地i组天线的波束成形矩阵，w
jk
为第j个小区中第k个用户设备的加权因子，R
jk
为第j个小区中第k个用户设备的传输速率，Tr(
·
)为矩阵的迹，(
·...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐赛，肖素杰，刘家佳，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：