基于改进粒子群算法的多IRS/RIS波束赋形方法技术

本发明专利技术公开了一种基于改进粒子群算法的多IRS/RIS波束赋形方法，本发明专利技术首先将所有反射单元的角度生成矩阵作为单个粒子，然后将粒子群区分为slave和master类，并将每个粒子初始化，其次根据全局最优解、历史最优解等对slave粒子群和master粒子群分别更新速度和位置，不断进行迭代搜寻使所有用户总通信速率最大的最优解，并对最优解进行记录。该方法既能够进行大范围的全局搜索，又能够精细化地进行局部搜索，并减少陷入局部最优解的可能，在该非凸优化问题中表现出较为优异的性能。非凸优化问题中表现出较为优异的性能。非凸优化问题中表现出较为优异的性能。

【技术实现步骤摘要】
基于改进粒子群算法的多IRS/RIS波束赋形方法


[0001]本专利技术涉及波束赋形领域，尤其涉及一种基于改进粒子群算法的多IRS/RIS波束赋形方法。

技术介绍

[0002]下一代无线网络面临的主要挑战之一是满足对更高数据速率日益增长的需求。由于蜂窝连接设备数量的显着增加，另一个问题是能源效率。在可用于应对这两个挑战的众多潜在技术中，智能反射面(Intelligent Reflecting Surfaces,IRS)或智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surfaces,RIS)脱颖而出。IRS/RIS是由许多具有可调相移的反射元件组成的表面，能够将反射波引导到任意预期的方向。IRS/RIS操作主要依赖于控制反射元件的相移，通过简单的控制器进行调整。因此，与可以提供类似工作的继电器相比，IRS/RIS消耗的能量要相对而言少得多。IRS/RIS的功能在多种场景中都很有用，例如信号强度增强，抗干扰以及确保窃听者的信号保密性。从IRS/RIS部署中受益匪浅的方案之一是为阻塞的链接提供间接视线(LOS)路径。特别是，对于因阻塞而受阻的BS
‑
用户链路，如果存在与每个IRS/RIS具有LOS，则IRS/RIS可以在用户和BS之间提供间接LOS链路。因此，在蜂窝网络中大规模部署IRS/RIS有可能显著增加BS的覆盖区域并减少盲点区域，这在信号因阻塞而严重衰减的高频带通信中尤其重要。
[0003]在多IRS/RIS和多用户的应用场景下，争对多个用户总速率的优化属于非凸问题，现有的方法存在求解难度大、计算复杂度较高、收敛速度慢的缺点。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有研究的不足，提出了一种基于改进粒子群算法的多IRS/RIS波束赋形方法，并根据实际通信系统的特征进行场景建模，对优化结果进行分析。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于改进粒子群算法的多IRS/RIS波束赋形方法，该方法包括如下步骤：
[0006]S1、选取应用场景，选取并固定基站的预编码向量和IRS/RIS与用户的配对关系，将信道建模为Los信道；
[0007]S2、根据信道建模和IRS/RIS的反射单元，得到IRS/RIS反射面的相位调控矩阵，将每个IRS/RIS的相位调控矩阵转为列向量并组成IRS/RIS反射面的角度矩阵；
[0008]S3、将每个角度矩阵作为一个粒子，运用双群合作粒子群优化算法进行优化，得到在迭代过程中使所有用户总通信速率最大的角度矩阵；
[0009]S4、将双群合作粒子群优化算法得到的角度矩阵还原为IRS/RIS的相控矩阵。
[0010]进一步地，所述应用场景为基站到反射面、反射面到用户之间路径无遮挡的场景。
[0011]进一步地，所述组成IRS/RIS反射面的角度矩阵具体为：
[0012]对IRS/RIS反射面的相位调控矩阵中的反射面角度进行优化，将IRS/RIS单个反射面反射单元的角度组成列向量，将所有反射面的角度的列向量组成角度矩阵，生成若干个
不同的角度矩阵；
[0013]进一步地，所述运用双群合作粒子群优化算法进行优化具体为：
[0014]预设总迭代次数，将粒子区分为slave类和master类并迭代更新，每一个粒子包括位置信息和速度信息，将位置信息和速度信息分别存储为矩阵，将粒子的位置和速度进行初始化随机生成；
[0015]更新slave和master类粒子的历史最优解和全局最优解，根据历史最优解和全局最优解分别对slave粒子和master粒子的速度和位置进行更新，每次迭代过程中均更新slave粒子和master粒子的速度更新系数，直到迭代结束。
[0016]进一步地，所述更新slave粒子和master粒子的速度更新系数具体为：
[0017][0018]其中，C为粒子的速度更新系数经过更新后的值，i为迭代次数，literation为总迭代次数，C
start
为本次迭代中粒子的速度更新系数初始值。
[0019]进一步地，所述将粒子区分为slave类和master类中，将粒子随机分为master类和slave类，master粒子数目和slave粒子数目相同。
[0020]进一步地，所述得到在迭代过程中使所有用户总通信速率最大的角度矩阵中所有用户总通信速率计算过程为：通过角度矩阵中的角度计算相控矩阵θ
l
[0021][0022]其中，根据相控矩阵和信道建模的参数计算用户k的信噪比γ
k
，根据信噪比γ
k
得到最大的用户总通信速率：
[0023][0024]其中用户总数量为K，B为带宽。
[0025]本专利技术的有益效果：
[0026]与传统的优化算法相比，双群合作粒子群优化(Two
‑
Swarm Cooperative Particle Swarm Optimization，TCPSO)算法通过产生大量的粒子群并对粒子群进行分类，从而具有较强的全局搜索能力和更精细化的局部搜索能力，具有收敛速度较快、算法复杂度低等优点，在求解多IRS/RIS多用户波束赋形问题中具有良好的性能。
[0027]TCPSO的性能与更新系数密切相关，因此本专利技术在迭代过程中对更新系数进行不断调整，进一步增强该方法对最佳值的精细搜索能力。
[0028]该方法既能够进行大范围的全局搜索，又能够精细化地进行局部搜索，并减少陷入局部最优解的可能，在该非凸优化问题中表现出较为优异的性能。
附图说明
[0029]图1为本专利技术实施例提供的基于改进粒子群算法的多IRS/RIS波束赋形方法流程图；
[0030]图2为本专利技术实施例提供的应用场景模拟图；
[0031]图3为本专利技术实施例提供的不同RIS数量下性能对比图；
[0032]图4为本专利技术实施例提供的不同粒子群数目下性能对比图；
[0033]图5为本专利技术实施例提供的不同RIS反射面单元数目下性能对比图；
[0034]图6为本专利技术实施例提供的不同粒子群算法下性能对比图；
[0035]图7为本专利技术实施例提供的不同系数更新方式下性能对比图。
具体实施方式
[0036]本专利技术提出了一种基于改进粒子群算法的多IRS/RIS波束赋形方法，以下结合附图对本专利技术具体实施方式作进一步详细说明，并根据实际通信系统的特征进行场景建模，对优化结果进行分析。
[0037]如图1所示，为本专利技术实施例提供的基于改进粒子群算法的多IRS/RIS波束赋形方法流程图；本专利技术的具体流程包括：
[0038]如图2所示，在多IRS/RIS和多用户通信场景中，考虑基站与用户之间存在障碍物遮挡，即不存在直达径，故所有路径经过反射面IRS/RIS一次反射抵达用户，单个IRS/RIS可以匹配多个不同的用户，选取基站到反射面、反射面到用户之间路径无遮挡的应用场景，将信道本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进粒子群算法的多IRS/RIS波束赋形方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1、选取应用场景，选取并固定基站的预编码向量和IRS/RIS与用户的配对关系，将信道建模为Los信道；S2、根据信道建模和IRS/RIS的反射单元，得到IRS/RIS反射面的相位调控矩阵，将每个IRS/RIS的相位调控矩阵中的反射面角度转为列向量，并组成IRS/RIS反射面的角度矩阵；S3、将每个角度矩阵作为一个粒子，运用双群合作粒子群优化算法进行优化，得到在迭代过程中使所有用户总通信速率最大的角度矩阵；S4、将双群合作粒子群优化算法得到的角度矩阵还原为IRS/RIS的相位调控矩阵，并使用IRS/RIS的相位调控矩阵完成波束赋形。2.根据权利要求1所述的一种基于改进粒子群算法的多IRS/RIS波束赋形方法，其特征在于，所述应用场景为基站到反射面、反射面到用户之间路径无遮挡的场景。3.根据权利要求1所述的一种基于改进粒子群算法的多IRS/RIS波束赋形方法，其特征在于，所述组成IRS/RIS反射面的角度矩阵具体为：对IRS/RIS反射面的相位调控矩阵中的反射面角度进行优化，将IRS/RIS单个反射面反射单元的角度组成列向量，将所有反射面的角度的列向量组成角度矩阵，生成若干个不同的角度矩阵。4.根据权利要求1所述的一种基于改进粒子群算法的多IRS/RIS波束赋形方法，其特征在于，所述运用双群合作粒子群优化算法进行优化具体为：预设总迭代次数，将粒子区分为slave类和master类并迭代更...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁可，黄崇文，杨照辉，陈晓明，张朝阳，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：