基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法及相关装置制造方法及图纸

基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法及系统，其特征在于，包括以下步骤：构建双可重构智能表面的辅助MIMO系统，以最大化系统可实现速率为优化目标，设计含两个优化变量的优化模型；将含两个优化变量的优化模型中的非凸问题转化为凸问题，对两个变量的优化模型进行交替优化迭代；最终得到优化后两个可重构智能表面RIS的相移矩阵，实现多跳通信。本发明专利技术对于级联RIS辅助通信系统，目前仍缺乏综合考虑非理想因素的实用性能评价体系的问题，该方法可以解决双RIS辅助MIMO系统中RIS间的干扰问题，优化两个RIS的相移矩阵，相比于未优化的相移矩阵，可以有效提升系统性能。可以有效提升系统性能。可以有效提升系统性能。

【技术实现步骤摘要】
基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法及相关装置


[0001]本专利技术属于可重构智能表面辅助通信
，特别涉及基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法及相关装置。

技术介绍

[0002]为应对未来移动通信中超1000倍的网络容增加和至少1000亿个设备的普遍无线连接目标，甚至更高的需求，大规模多输入输出(mMIMO)等技术得以广泛应用。但所需的高复杂度和硬件成本以及增加的能耗仍然是关键问题。将大规模MIMO从低于6GHz扩展到mmWave频带通常需要更复杂的信号处理以及更昂贵和能耗更好的硬件(如，射频链)。因此，研究如何为未来6G无线网络找到创新、频谱和节能且经济高效的解决方案势在必行。此外，信号传播本质上是随机的，很大程度上是不可控的。基于上述原因，近几年，可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface,RIS)可以为6G系统带来一种新的通信网络模式，以满足未来移动通信的需求。RIS通过在平面上集成大量低成本的无源反射单元，不同元件可以通过控制幅度或相位来独立的反射入射信号，从而协同地实现用于定向信号增强或零陷的精细三维(3D)无源波束形成，在不损失能量的情况下独立地对入射电磁波进行一定的改变，通过调节入射电磁波的反射方向，智能配置无线通信环境，增加信号可达路径数量，提高通信自由度，并且可以增强接收机处的期望信号功率，或者破坏性的消除信道干扰的不期望信号。也可以代替基站密集部署，具有可扩展的成本和低能耗。
[0003]目前RIS辅助通信系统多研究系统的信道估计、性能提升和安全通信等相关方向，已做了大量工作，但主要集中在单一RIS辅助通信的情况。对于双RIS或多RIS辅助无线通信系统的研究很少。而且大多数是针对多个单RIS辅助案例，未考虑级联RIS在辅助通信中的作用，这在实际应用中是不可避免的，比如，由于衰落或障碍物的存在、室内
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室外通信以及偏远地区通信覆盖等问题，单个RIS反射链路可能无法通信；RIS与某一用户处于平行位置等特定场景。此外，对于级联RIS辅助通信系统可以解决现有单RIS辅助通信系统研究中存在的远距离覆盖和提高频谱效率的问题。
[0004]另一方面，目前仍缺乏可靠完善的传输理论基础、信道模型和系统模型，无法为RIS系统的传输方案设计提供有力的理论支撑。现有相关方案复杂度高、开销大、可行性受限。因此，首先需要一套完善可信的、综合考虑非理想因素(如RIS间的干扰问题)的实用性能评价体系。
[0005]综合来说，现有技术存在以下缺陷和不足：
[0006]1、对于单RIS辅助无线通信系统，在实际应用中往往存在不可预估的问题或者场景需求而无法成功通信；
[0007]2、对于双RIS或多RIS辅助MIMO系统中的RIS间除了传输信号外，还存在RIS间的信号干扰问题，影响了用户对信号的接收能力，使频谱效率降低。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法及系统，以解决RIS间的信号干扰的问题。
[0009]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法，包括以下步骤：
[0011]构建双可重构智能表面的辅助MIMO系统，满足系统内基站到用户的直接信道以及单可重构智能表面RIS反射信道存在通信障碍；
[0012]以最大化系统可实现速率为优化目标，可重构智能表面RIS的相移矩阵为优化变量，发射端的发射功率以及可重构智能表面RIS相移矩阵为约束条件，设计含两个优化变量的优化模型；
[0013]将含两个优化变量的优化模型中的非凸问题转化为凸问题，对两个变量的优化模型进行交替优化迭代；
[0014]最终得到优化后两个可重构智能表面RIS的相移矩阵，实现多跳通信。
[0015]进一步的，双可重构智能表面的辅助MIMO系统具体包括基站、两个RIS以及单天线用户；基站、两个可重构智能表面RIS以及单天线用户依次连接，基站连接单天线用户。
[0016]进一步的，基站和远端单可重构智能表面RIS之间，单可重构智能表面RIS和单天线用户之间，以及基站和单天线用户之间均设置有障碍物、衰落为深衰落或通信距离远。
[0017]进一步的，优化模型具体表示为：
[0018][0019][0020][0021]||ω||2≤P
max
[0022]其中，SNR是系统信噪比；
[0023]和表示两个RIS的相移矩阵；β＝1表示RIS无损反射，φ
mn
(m＝1,2；n＝1,2,
…
,N)表示第m个RIS中第n个反射单元的相移，ω是预编码矩阵，P
max
表示发射端最大发射功率。
[0024]进一步的，系统信噪比：
[0025][0026]其中，P为信号发射功率，为下行信道信息，表示RIS2与用户链路，G表示RIS1与RIS2的级联信道信息，表示基站到RIS1信道。
[0027]进一步的，提出半定松弛算法松弛掉非凸约束，将非凸问题转化为凸问题，采用CVX工具求解该优化问题。
[0028]进一步的，采用半定松弛算法：引入新的变量和该变量
的引入导致优化问题增加两个约束条件：X
m
≥0,m＝1,2、rank(X
m
)＝1,m＝1,2，所有X的列都是线性相关的，只有一个特征值除了rank(X
m
)＝1这个限制外，整个问题转变为一个凸问题，使用CVX求解。
[0029]进一步的，采用交替优化迭代算法：
[0030]1)假定已知一个优化变量为RIS1的相移矩阵变量X1，优化RIS2的相移矩阵变量X2；
[0031]2)根据1)中得到的RIS2优化后的相移矩阵变量X2，进一步优化RIS1的相移矩阵变量X1；
[0032]3)多次循坏得到相移矩阵变量X1和X2的次优解；
[0033]根据得到X1和X2的次优解，通过求解m＝1,2问题求得φ1和φ2，即优化后的相移矩阵。
[0034]进一步的，基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化系统，包括：
[0035]系统构建模块，用于构建双可重构智能表面的辅助MIMO系统，满足系统内基站到用户的直接信道以及单可重构智能表面RIS反射信道存在通信障碍；
[0036]优化模型建立模块，用于以最大化系统可实现速率为优化目标，可重构智能表面RIS的相移矩阵为优化变量，发射端的发射功率以及可重构智能表面RIS相移矩阵为约束条件，设计含两个优化变量的优化模型；
[0037]优化模块，用于将含两个优化变量的优化模型中的非凸问题转化为凸问题，对两个变量的优化模型进行交替优化迭代；最终得到优化后两个可重构智能表面RIS的相移矩阵，实现多跳通信。
[0038]进一步的，一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法，其特征在于，包括以下步骤：构建双可重构智能表面RIS的辅助MIMO系统，满足系统内基站到用户的直接信道以及单可重构智能表面RIS反射信道存在通信障碍；以最大化双RIS辅助MIMO系统可实现速率为优化目标，可重构智能表面RIS的相移矩阵为优化变量，双RIS辅助MIMO系统发射端的发射功率以及可重构智能表面RIS相移矩阵为约束条件，设计含两个优化变量的优化模型；将含两个优化变量的优化模型中的非凸问题转化为凸问题，对两个变量的优化模型进行交替优化迭代；最终得到优化后两个可重构智能表面RIS的相移矩阵，实现双RIS级联信道通信。2.根据权利要求1所述的基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法，其特征在于，双可重构智能表面的辅助MIMO系统具体包括基站、两个RIS以及单天线用户；基站、两个可重构智能表面RIS以及单天线用户依次连接，基站连接单天线用户。3.根据权利要求2所述的基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法，其特征在于，基站和远端单可重构智能表面RIS之间，单可重构智能表面RIS和单天线用户之间，以及基站和单天线用户之间均设置有障碍物、衰落为深衰落或通信距离远，距离远定义为：接收端接收到的信号无法达到接收阈值导致无法通信成功。4.根据权利要求1所述的基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法，其特征在于，优化模型具体表示为：模型具体表示为：模型具体表示为：||ω||2≤P
max
其中，SNR是系统信噪比；和表示两个RIS的相移矩阵；β＝1表示RIS无损反射，φ
mn
(m＝1,2；n＝1,2,
…
,N)表示第m个RIS中第n个反射单元的相移，ω是预编码矩阵，P
max
表示发射端最大发射功率。5.根据权利要求4所述的基于双RIS辅助MIMO系统的相移优化方法，其特征在于，系统信噪比：其中，P为信号发射功率，为下行信道信息，表示RIS2与用户链路，G表示RIS1与RIS2的级联信道信息，表示基站到RIS1信道。6.根据权利要求1所述的基于双RIS辅助MIMO系统的...

【专利技术属性】
技术研发人员：任品毅，尚思晖，徐东阳，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：