一种利用可自持智能反射面提高广播通信传输性能的方法技术

本发明专利技术提供一种利用可自持智能反射面提高广播通信传输性能的方法，属于通信技术领域。所述方法包括：对发射端一、二阶段波束成形向量、系统一、二阶段归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵进行优化；基于优化后的一、二阶段波束成形向量、各阶段归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵，在第一阶段，多天线发射端向接收端发射广播信号，同时IRS收集无线能量，在第二阶段，IRS利用在第一阶段收集的无线能量实现反射波束成形辅助发射端进行广播。采用本发明专利技术，能够提高广播通信传输性能，并克服现有技术在IRS能量供给机制方面的缺陷。的缺陷。的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种利用可自持智能反射面提高广播通信传输性能的方法


[0001]本专利技术涉及通信
，特别是指一种利用可自持智能反射面提高广播通信传输性能的方法。

技术介绍

[0002]智能反射面(Intelligent Reflecting Surface，IRS)是由大量可以在反射无线信号时引入相移的微单元组成的平面，具有低能耗、低成本、易部署的特点。通过配置每个微单元反射无线信号时引入的相移，IRS能够实现精细的反射波束成形，有效改善无线信号的传播环境。研究表明，在无线通信系统中部署IRS，能够使接收端处的无线信号强度得到明显的提升。
[0003]目前，已有一部分研究考虑利用IRS辅助广播通信系统(其中信号发射端将相同的消息广播至多接收端)，通过对多天线信号发射端波束成形与IRS反射波束成形开展设计提高系统性能，“Reconfigurable Intelligent Surface Aided Power Control for Physical
‑
Layer Broadcasting,”【IEEE Transactions on Communications,vol.69,no.11,Nov.2021.】一文即属于此列。现有的该方面的研究基本都假设IRS实现反射波束成形所需消耗的能量由电网或电池供给，然而，一方面，利用电网供能会加大IRS的部署难度，使IRS失去部署的灵活性；另一方面，利用电池无法实现长期供能，且在某些特殊场景(如高层建筑物外立面)下为IRS更换电池十分危险。
专利技术内容
[0004]本专利技术实施例提供了一种利用可自持智能反射面提高广播通信传输性能的方法，能够提高广播通信传输性能，并克服现有技术在IRS能量供给机制方面的缺陷。所述技术方案如下：
[0005]对发射端一、二阶段波束成形向量、系统一、二阶段归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵进行优化；
[0006]基于优化后的一、二阶段波束成形向量、各阶段归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵，在第一阶段，多天线发射端向接收端发射广播信号，同时IRS收集无线能量，在第二阶段，IRS利用在第一阶段收集的无线能量实现反射波束成形辅助发射端进行广播。
[0007]进一步地，发射端一、二阶段波束成形向量w
e
、w
s
，系统一、二阶段归一化工作时长t
e
、1
‑
t
e
以及IRS反射波束成形对角矩阵Ψ优化包括以下步骤：
[0008]A1，令o
s
＝0，其中，o
s
为第一循环计数变量，与分别为交替优化的w
s
和Ψ的起始点，1表示M
×
1维的全1向量，I表示I
R
×
I
R
维的单位矩阵，M表示发射端天线的数目，I
R
表示IRS微单元个数；
[0009]A2，求解令目标函数γ
as
最大化的W
s
与γ
as
：
[0010][0011]记获得的相应的最优解为
[0012]式(1)中，W
s
为对向量乘积的半正定松弛，γ
as
为接收端信噪比松弛变量，σ2表示噪声功率，tr(
·
)表示矩阵求迹运算，h
d,k
、G、h
r,k
分别表示发射端至第k个接收端的信道、发射端至IRS的信道以及IRS至第k个接收端的信道，α为信号反射效率，P为发射端信号发射功率限制，上标H表示共轭转置符号，为用户集合，约束条件W
s
≥0限定W
s
为半正定矩阵；
[0013]A3，令其中，表示第o
s
次交替优化循环中对w
s
的优化结果，maxeig(
·
)和maxeigvc(
·
)分别表示求矩阵最大特征值和最大特征值对应的单位特征向量的运算；
[0014]A4，令其中，c
k
和a
k
为辅助变量，T表示转置符号，函数Γ
s
(w
s
,Ψ)定义为
[0015]A5，求解令目标函数γ
as
最大化的Θ与γ
as
：
[0016][0017]记获得的相应的最优解为
[0018]式(2)中，Θ为对向量乘积θθ
H
的半正定松弛，为对的高维松弛映射，为IRS反射波束成形向量，τ为松弛变量，表示IRS上第i个微单元的反射系数，[Θ]i,i
表示矩阵Θ对角线上的第i个元素，约束条件Θ≥0限定Θ为半正定矩阵；
[0019]A6，令其中，与分别表示第o
s
次交替优化循环中对θ与Ψ的优化结果，表示共轭符号；
[0020]A7，若则执行步骤A8，否则，令o
s
＝o
s
+1并跳转至步骤A2，其中，ε
s
为系统二阶段波束成形优化门限；
[0021]A8，令计算其中，与Ψ
+
分别表示对w
s
与Ψ的优化结果，表示与其相对应的二阶段可达广播速率；
[0022]A9，令o
e
＝0，其中，为辅助变量，o
e
为第二循环计数变量；
[0023]A10，求解令目标函数最大化的W
e
,t
e
,r
e
,p1,p2,
△
e
：
[0024][0025]记获得的相应的最优解为
[0026]式(3)中，u为IRS配置单微单元引入相移的能耗，η为能量收集率，W
e
为对向量乘积的半正定松弛，r
e
,p1,p2,
△
e
为辅助优化变量，约束条件W
e
≥0限定W
e
为半正定矩阵，||
·
||表示求向量二范数运算；
[0027]A11，令其中，表示第o
e
次优化循环中对w
e
的优化结果；
[0028]A12，若o
e
＝0，则令o
e
＝o
e
+1，并跳转至步骤A10；否则执行步骤A13，其中，分别表示第o
e
‑
1次优化循环中对w
e
、t
e
的优化结果；
[0029]A13，令其中，与分别为对应与的一阶段可达广播速率，函数Γ
e
(w
e
)定义为
[0030]A14，若则执行步骤A15，否则，令o
e
＝o
e
+1，+1，并跳转至步骤A1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用可自持智能反射面提高广播通信传输性能的方法，其特征在于，包括：对发射端一、二阶段波束成形向量、系统一、二阶段归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵进行优化；基于优化后的一、二阶段波束成形向量、各阶段归一化工作时长以及IRS反射波束成形对角矩阵，在第一阶段，多天线发射端向接收端发射广播信号，同时IRS收集无线能量，在第二阶段，IRS利用在第一阶段收集的无线能量实现反射波束成形辅助发射端进行广播。2.根据权利要求1所述的利用可自持智能反射面提高广播通信传输性能的方法，其特征在于，发射端一、二阶段波束成形向量w
e
、w
s
，系统一、二阶段归一化工作时长t
e
、1
‑
t
e
以及IRS反射波束成形对角矩阵Ψ优化包括以下步骤：A1，令o
s
＝0，其中，o
s
为第一循环计数变量，与分别为交替优化的w
s
和Ψ的起始点，1表示M
×
1维的全1向量，I表示I
R
×
I
R
维的单位矩阵，M表示发射端天线的数目，I
R
表示IRS微单元个数；A2，求解令目标函数γ
as
最大化的W
s
与γ
as
：记获得的相应的最优解为式(1)中，W
s
为对向量乘积的半正定松弛，γ
as
为接收端信噪比松弛变量，σ2表示噪声功率，tr(
·
)表示矩阵求迹运算，h
d,k
、G、h
r,k
分别表示发射端至第k个接收端的信道、发射端至IRS的信道以及IRS至第k个接收端的信道，α为信号反射效率，P为发射端信号发射功率限制，上标H表示共轭转置符号，为用户集合，约束条件限定W
s
为半正定矩阵；A3，令其中，表示第o
s
次交替优化循环中对w
s
的优化结果，maxeig(
·
)和maxeigvc(
·
)分别表示求矩阵最大特征值和最大特征值对应的单位特征向量的运算；A4，令其中，c
k
和a
k
为辅助变量，T表示转置符号，函数Γ
s
(w
s
,Ψ)定义为A5，求解令目标函数γ
as
最大化的Θ与γ
as

【专利技术属性】
技术研发人员：马晖，张海君，张文宇，邵华，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：