一种智能反射面辅助的超可靠低延时通信系统高能效预编码设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种智能反射面辅助的超可靠低延时通信系统高能效预编码设计方法，包括：建立一个具有实际意义的部署了智能反射面的超可靠低延时通信系统模型；建立用户接受信号模型以及用户在超可靠低延时场景下的可达速率模型；建立系统的能量消耗模型并结合可达速率模型得到系统能量效率模型；设计能效最大化算法，计算出最优的智能反射面的反射相移向量、基站的波束权重向量以及误包率；基于计算得到的反射相移向量和波束权重向量，解决智能反射面的各个元素相移设置以及基站的功率资源分配策略。源分配策略。源分配策略。

【技术实现步骤摘要】
一种智能反射面辅助的超可靠低延时通信系统高能效预编码设计方法


[0001]本专利技术涉及无线通信领域中的资源分配
，特别是涉及一种智能反射面辅助的超可靠低延时通信系统高能效预编码设计方法。

技术介绍

[0002]超可靠低延时通信已经是5G和后5G网络的重要应用场景，也是物联网实现的关键要求。未来的一系列物联网智能服务如智能工厂、VR、AR等都对通信的传输延时和可靠性有着极高的要求。然而，大部分超可靠低延时通信场景下的设备比如遥感器对能量消耗有着较大的限制，因此需要周密的资源分配设计以求最大化能量效率。所以，高能效设计也是超可靠低延时通信中的一个关键课题。
[0003]另一方面，智能反射面近年来被认为是一项在未来的无线通信系统中非常具有前景的技术，因为其优异的高能效特性。智能反射面由一系列低成本可重构的反射元素组成，这些元素可以将入射信号进行一定的移相后反射出去，这使得智能反射面可以在极低的消耗下显著提升系统性能。我们希望智能反射面可以在超可靠低延时通信系统中发挥关键作用。
[0004]已有的超可靠低延时通信的相关研究中很少考虑加入智能反射面来提升系统性能，少数的考虑加入智能反射面的超可靠低延时通信的研究也主要关注于提高系统的可达速率，几乎没有相关研究考虑到利用智能反射面来提升超可靠低延时通信系统的能效。因此需要研究如何在超可靠低延时系统中加入智能反射面辅助，来提升整个系统的能效，即在提升速率的同时减少整个系统的能量消耗。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种智能反射面辅助的超可靠低延时通信系统高能效预编码设计方法，用以解决超可靠低延时通信中大多数设备功率限制较大以及基站与用户之间信道条件恶劣导致性能显著降低的问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种智能反射面辅助的超可靠低延时通信系统高能效预编码设计方法，所述设计方法包括如下步骤：
[0008]步骤S1、构建基于智能反射面辅助的超可靠低延时通信系统模型，该通信系统模型包括基站侧、用户侧以及智能反射面，其中，在所述基站侧和所述用户侧存在有障碍物；
[0009]步骤S2、针对步骤S1中构建的通信系统模型，构建其用户侧的信号接收模型，基于该信号接收模型得到用户侧的信噪比表达式以及超可靠低延时通信下的可达速率表达式；
[0010]步骤S3、针对步骤S1中构建的通信系统模型，构建其能量消耗模型，其包括动态的信号传输功率以及静态的天线电路功率；
[0011]步骤S4、以最大化系统能效为目标，并且以基站功率限制、智能反射面相移范围以
及用户的最大误包率为约束，构建第一能效最大化问题；
[0012]步骤S5、利用连续凸近似以及半定松弛方法将步骤S4中构建的第一能效最大化问题转化为第二能效最大化问题，其中，该第二能效最大化问题为凸优化问题；
[0013]步骤S6、采用凸优化解决工具求解步骤S5中得到的第二能效最大化问题，直到达到收敛条件，得到优化的智能反射面反射相移向量、基站波束向量以及误包率；
[0014]步骤S7、基于得到的智能反射面的反射相移向量和基站的波束向量，解决智能反射面的各个元素相移设置以及基站的功率资源分配策略。
[0015]进一步的，所述步骤S2具体包括：
[0016]步骤S201、定义h
d
表示基站到用户的直接信道，定义h
r
和D分别表示智能反射面到用户和基站到智能反射面的等效信道，定义代表智能反射面的反射相移矩阵，其中，θ
n
∈[0,2π)和β
n
∈[0,1]分别代表智能反射面第N个反射元素的相移和幅度系数；则用户侧的信号接收模型表示为：
[0017][0018]在公式(1)中，w表示基站的波束向量，x[m]代表第m个归一化功率的已调制数据符号，其中一个码字长度为M个符号；z[i]代表用户处的高斯白噪声，均值为0，方差为σ2；
[0019]步骤S202、根据公式(1)得到用户侧的信噪比为：
[0020][0021]步骤S203、根据公式(1)和公式(2)，得到超可靠低延时通信场景下的可达速率，其表示为：
[0022][0023]在公式(3)中，∈表示误包率，M代表传输码块的块长；其中，Q
‑1(
·
)代表高斯Q函数的逆函数，其中，该高斯Q函数具体表示为：
[0024]步骤S204、对于给定的块长M，将其可达速率重新表示为：
[0025]G(w,θ,∈)＝R(γ,∈,M)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0026]在公式(4)中，θ＝[θ1,L,θ
N
]为智能反射面的相移向量。
[0027]进一步的，所述能量消耗模型的具体表达式为：
[0028]P
T
(w)＝||w||2+(L+1)P
s
ꢀꢀꢀ
(5)
[0029]在公式(5)中，w代表系统中基站的发射波束向量，L示基站的天线个数，P
s
代表每根天线的静态功率消耗。
[0030]进一步的，所述第一能效最大化问题具体表示为：
[0031][0032]在公式(6)中，P
max
和∈
max
分别表示基站的最大功率和用户的最大误包率；
[0033]进一步的，该步骤S5具体包括：
[0034]步骤S501、利用丁克尔巴赫方法，对公式(6)中的目标函数进行转换，通过引入辅助向量q，将两式相除变为两式相减，表示为：
[0035][0036]步骤S502、通过引入辅助变量μ作为信噪比γ的下界，则可达速率重写为：
[0037][0038]步骤S503、将目标函数中G(w,θ,∈)的非凸部分在μ0处进行泰勒展开，则目标函数重写为：
[0039][0040]并且得到一个新的约束条件如下：
[0041][0042]步骤S504、令v＝[v1,L,v
N
]H
，其中并且，其中，再引入辅助变量t,t∈￡,|t|＝1,再令使t作为反射波束向量v的一个相位偏转，则得到：
[0043][0044]在公式(11)中，
[0045][0046]步骤S505、利用半定松弛方法，放松半正定矩阵V的秩一约束，将第一能效最大化问题松弛转化为如下优化问题
[0047][0048]在公式(12)中，P
d
为基站的发射功率，与波束向量的关系为
[0049]步骤S506、由于公式(12)的特殊结构，观察到其对于固定的变量V，∈以及μ，最优的发射功率P
d
为：
[0050][0051]步骤S507、利用该公式(13)，变量V不再和其他变量耦合，单独优化如下：
[0052][0053]步骤S508、记公式(14)的最优值为τ＝tr(RV
*...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能反射面辅助的超可靠低延时通信系统高能效预编码设计方法，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：步骤S1、构建基于智能反射面辅助的超可靠低延时通信系统模型，该通信系统模型包括基站侧、用户侧以及智能反射面，其中，在所述基站侧和所述用户侧存在有障碍物；步骤S2、针对步骤S1中构建的通信系统模型，构建其用户侧的信号接收模型，基于该信号接收模型得到用户侧的信噪比表达式以及超可靠低延时通信下的可达速率表达式；步骤S3、针对步骤S1中构建的通信系统模型，构建其能量消耗模型，其包括动态的信号传输功率以及静态的天线电路功率；步骤S4、以最大化系统能效为目标，并且以基站功率限制、智能反射面相移范围以及用户的最大误包率为约束，构建第一能效最大化问题；步骤S5、利用连续凸近似以及半定松弛方法将步骤S4中构建的第一能效最大化问题转化为第二能效最大化问题，其中，该第二能效最大化问题为凸优化问题；步骤S6、采用凸优化解决工具求解步骤S5中得到的第二能效最大化问题，直到达到收敛条件，得到优化的智能反射面反射相移向量、基站波束向量以及误包率；步骤S7、基于得到的智能反射面的反射相移向量和基站的波束向量，解决智能反射面的各个元素相移设置以及基站的功率资源分配策略。2.根据权利要求1所述的一种智能反射面辅助的超可靠低延时通信系统高能效预编码设计方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：步骤S201、定义h
d
表示基站到用户的直接信道，定义h
r
和D分别表示智能反射面到用户和基站到智能反射面的等效信道，定义代表智能反射面的反射相移矩阵，其中，θ
n
∈[0,2π)和β
n
∈[0,1]分别代表智能反射面第N个反射元素的相移和幅度系数；则用户侧的信号接收模型表示为：在公式(1)中，w表示基站的波束向量，x[m]代表第m个归一化功率的已调制数据符号，其中一个码字长度为M个符号；z[i]代表用户处的高斯白噪声，均值为0，方差为σ2；步骤S202、根据公式(1)得到用户侧的信噪比为：步骤S203、根据公式(1)和公式(2)，得到超可靠低延时通信场景下的可达速率，其表示为：在公式(3)中，∈表示误包率，M代表传输码块的块长；其中，Q
‑1(
·
)
代表高斯Q函数的逆函数，其中，该高斯Q函数具体表示为：步骤S204、对于给定的块长M，将其可达速率重新表示为：G(w,θ,∈)＝R(γ,∈,M)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)在公式(4)中，θ＝[θ1,L,θ
N
]为智能反射面的相移向量。3.根据权利要求2所述的一种智能反射面辅助的超可靠低延时...

【专利技术属性】
技术研发人员：张华，黄红兵，徐百平，王俊波，章毅，邱兰馨，杨鸿珍，汤亿则，凌芝，徐阳洲，史俊潇，洪道鉴，施敏达，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司信息通信分公司，
类型：发明
国别省市：