一种基于半定规划的波束成形方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于半定规划的波束成形方法及装置。该方法面向智能反射镜辅助放大转发中继网络，具体为：构建智能反射镜辅助放大转发中继网络的系统模型，初始化基站、放大转发中继和用户的天线数量以及智能反射镜元件数；以智能反射镜的相移矩阵和放大转发中继的波束成形矩阵为变量，构建接收端信噪比最大化的优化问题；采取固定两个变量求解另一个变量的交替迭代优化方法，获得最大的信噪比，从而获得最大速率；针对交替迭代过程中非凸的子优化问题，运用列向量化、半定规划和分式优化将子优化问题转化为凸并求解出变量。所述装置包括系统模型构建、优化问题构建和优化问题求解三个模块。本发明专利技术通过联合优化的方式获得了速率性能的提升。速率性能的提升。速率性能的提升。

【技术实现步骤摘要】
一种基于半定规划的波束成形方法及装置


[0001]本专利技术涉及波束成形
，特别是一种面向智能反射镜辅助放大转发中继网络的基于半定规划的波束成形方法。

技术介绍

[0002]随着智能设备和数据流量的指数级增长，形成了一个庞大而复杂的通信网络，该通信网络同时存在两大限制：需要消耗大量能量来通信，不可控的无线传输信道导致信号衰减严重。智能反射镜具有低成本、低功耗和易于部署的优点，并且调整每个智能反射镜元件的反射系数可以创建友好的多路径，因此智能反射镜被认为具有提高通信质量的潜力。
[0003]相比较于智能反射镜，传统中继可以根据放大、解码和压缩策略对信号进行处理并转发。在通信环境中适当地增加中继节点，特别是当直达信道链路被阻塞时，中继仍可以转发信号，使得信号可以被期望的接收机接收。然而传统中继是一种有源设备，存在射频链，需要高能耗处理信号，这与低功耗、低能耗和绿色的无线通信愿景不符。
[0004]目前，越来越多的学者研究智能反射镜和中继的混合网络，并证明了相比较于仅含有智能反射镜或者中继辅助的无线网络，该组合网络在增强速率、扩展覆盖、提高频效和能效以及信道估计方面具有显著的优势。然而，关于放大转发中继与智能反射镜的组合网络研究较少，亟需一种面向智能反射镜辅助放大转发中继网络的波束成形设计方案。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种面向智能反射镜辅助放大转发中继网络的基于半定规划的波束成形方法，通过联合优化智能反射镜的相移矩阵和放大转发中继的波束成形矩阵，来获得速率性能的提升。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于半定规划的波束成形方法，该方法面向智能反射镜辅助放大转发中继网络，具体包括以下步骤：
[0007]步骤S1、构建智能反射镜辅助放大转发中继网络的系统模型，并且初始化基站、放大转发中继和用户的天线数分别为1、M和1，智能反射镜元件数为N；
[0008]步骤S2、基于系统模型，以智能反射镜的相移矩阵和放大转发中继的波束成形矩阵为变量，构建接收端信噪比最大化的优化问题；
[0009]步骤S3、采取固定两个变量求解另一个变量的交替迭代优化方法，获得最大的信噪比，从而获得最大速率；针对交替迭代过程中非凸的子优化问题，运用列向量化、半定规划和分式优化将子优化问题转化为凸，并求解出变量。
[0010]一种基于半定规划的波束成形装置，该装置用于实现所述的基于半定规划的波束成形方法，所述装置包括系统模型构建模块、优化问题构建模块和优化问题求解模块，其中：
[0011]所述系统模型构建模块，构建智能反射镜辅助放大转发中继网络的系统模型，并且初始化基站、放大转发中继和用户的天线数分别为1、M和1，智能反射镜元件数为N；
[0012]所述优化问题构建模块，基于系统模型，以智能反射镜的相移矩阵和放大转发中继的波束成形矩阵为变量，构建接收端信噪比最大化的优化问题；
[0013]所述优化问题求解模块，采取固定两个变量求解另一个变量的交替迭代优化方法，获得最大的信噪比，从而获得最大速率；针对交替迭代过程中非凸的子优化问题，运用列向量化、半定规划和分式优化将子优化问题转化为凸，并求解出变量。
[0014]一种移动终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的基于半定规划的波束成形方法。
[0015]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)针对变量为智能反射镜的相移矩阵或者放大转发中继的波束成形矩阵的子优化问题时，分别采用了半定规划、分式优化算法和高斯随机化，获得了符合约束条件的秩一解；(2)当基站功率为10dBm时，相比较于具有随机相位的智能反射镜辅助放大转发中继网络或者仅含有中继的网络，采用基于半定规划的波束成形设计方法的智能反射镜辅助放大转发中继网络可获得高达86.5％的速率增益。
附图说明
[0016]图1为智能反射镜辅助放大转发中继无线网络的系统模型示意图。
[0017]图2为基于半定规划的波束成形方法流程图。
[0018]图3为中继天线数M为2、中继发射功率为30dBm和智能反射镜元件数N为256时可实现的系统速率与基站功率的关系曲线图。
[0019]图4为中继天线数M为2、中继和基站发射功率分别为30dBm时可实现的系统速率与智能反射镜元件数的关系曲线图。
具体实施方式
[0020]容易理解，依据本专利技术的技术方案，在不变更本专利技术的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本专利技术的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本专利技术的技术方案的示例性说明，而不应当视为本专利技术的全部或者视为对本专利技术技术方案的限制或限定。
[0021]现在将参照附图来详细描述本专利技术的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本专利技术的范围。
[0022]以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。
[0023]对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
[0024]在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
[0025]本专利技术提供一种基于半定规划的波束成形方法，该方法面向智能反射镜辅助放大转发中继网络，具体包括以下步骤：
[0026]步骤S1、构建智能反射镜辅助放大转发中继网络的系统模型，并且初始化基站、放大转发中继和用户的天线数分别为1、M和1，智能反射镜元件数为N；
[0027]步骤S2、基于系统模型，以智能反射镜的相移矩阵和放大转发中继的波束成形矩阵为变量，构建接收端信噪比最大化的优化问题；
[0028]步骤S3、采取固定两个变量求解另一个变量的交替迭代优化方法，获得最大的信噪比，从而获得最大速率；针对交替迭代过程中非凸的子优化问题，运用列向量化、半定规划和分式优化将子优化问题转化为凸，并求解出变量。
[0029]作为一种具体示例，步骤S3中，针对非秩一解，通过高斯随机化方法恢复出秩一解。
[0030]作为一种具体示例，所述步骤S1，具体如下：
[0031]假设在智能反射镜辅助的半双工放大转发中继网络中，基站与用户间不存在直达链路，所有信道的状态信息均已知；由于存在路径损耗，智能反射镜反射两次以上的信号忽略不计；基站、放大转发中继和用户的天线数分别为1、M和1，智能反射镜元件数为N；
[0032]信号传输过程中，所有信道为瑞利信道，路径损耗模型为其中d为基站与用户间的距离，PL0＝
‑
30dBm为参考d0＝1m的路径损耗，α为衰减指数。
[0033]作为一种具体示例，所述步骤S2，具体如下：
[0034]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于半定规划的波束成形方法，其特征在于，该方法面向智能反射镜辅助放大转发中继网络，具体包括以下步骤：步骤S1、构建智能反射镜辅助放大转发中继网络的系统模型，并且初始化基站、放大转发中继和用户的天线数分别为1、M和1，智能反射镜元件数为N；步骤S2、基于系统模型，以智能反射镜的相移矩阵和放大转发中继的波束成形矩阵为变量，构建接收端信噪比最大化的优化问题；步骤S3、采取固定两个变量求解另一个变量的交替迭代优化方法，获得最大的信噪比，从而获得最大速率；针对交替迭代过程中非凸的子优化问题，运用列向量化、半定规划和分式优化将子优化问题转化为凸，并求解出变量。2.根据权利要求1所述的基于半定规划的波束成形方法，其特征在于，步骤S3中，针对非秩一解，通过高斯随机化方法恢复出秩一解。3.根据权利要求2所述的基于半定规划的波束成形方法，其特征在于，所述步骤S1，具体如下：假设在智能反射镜辅助的半双工放大转发中继网络中，基站与用户间不存在直达链路，所有信道的状态信息均已知；由于存在路径损耗，智能反射镜反射两次以上的信号忽略不计；基站、放大转发中继和用户的天线数分别为1、M和1，智能反射镜元件数为N；信号传输过程中，所有信道为瑞利信道，路径损耗模型为其中d为基站与用户间的距离，PL0＝
‑
30dBm为参考d0＝1m的路径损耗，α为衰减指数。4.根据权利要求3所述的基于半定规划的波束成形方法，其特征在于，所述步骤S2，具体如下：第一时隙放大转发中继的接收信号y
r
为：其中，x为基站发射信号，P
s
为基站发射功率，和分别为基站到放大转发中继、基站到智能反射镜和智能反射镜到放大转发中继的信道，为第一时隙的智能反射镜相移矩阵，θ
1i
∈(0,2π]为第一时隙第i个元件的相位，i＝1,2,...,N，n
r
为放大转发中继处噪声，服从均值为0，方差为的高斯分布，I
M
为M维的单位矩阵；经过接收波束成形和发射波束成形处理后，放大转发中继的发射信号y
t
为：其中，A为放大转发中继的波束成形矩阵；放大转发中继的发射信号功率为：其中，P
r
为放大转发中继处的发射功率预算，||(
·
)||表示(
·
)的2范数，||(
·
)||
F
表示(
·
)的F范数；
第二时隙用户的接收信号y
u
为：其中，(
·
)
H
表示(
·
)的共轭转置，和分别为放大转发中继到用户、智能反射镜到用户、放大转发中继到智能反射镜的信道，为第二时隙的智能反射镜相移矩阵，θ
2i
∈(0,2π]为第二时隙第i个元件的相位，n
u
为用户处噪声，服从均值为0，方差为的高斯分布；定义方差和信噪比γ
s
＝P
s
/σ2，智能反射镜辅助放大转发中继网络的速率R为：其中，|(
·
)|表示(
·
)的模；相应地，优化问题为：其中，信噪比γ
r
＝P
r
/σ2，Θ1(i,i)和Θ2(i,i)分别表示矩阵Θ1和Θ2的第i行第i列的元素；通过定义v1＝[u1；1]，v2＝[u2；1]，H
sir
＝[H
ir
diag(h
si
),h
sr
]和得到h
sr
+H
ir
Θ1h
si
＝H
sir
v1和其中(
·
)
T
表示(
·
)的转置；因此优化问题(6)转化为：其中，变量v1，v2和A相互耦合，v1(i)和v2(i)分别为v1和v2的第i个元素，v1(N+1)和v2(N+1)分别为v1和v2的第N+1个元素；为了求解以上的优化问题，采用基于半定规划的波束成形方法；定义和
优化问题(7)进一步转化为：其中，tr(

【专利技术属性】
技术研发人员：束锋，王雪辉，黄梦醒，冯思玲，毋媛媛，吴迪，
申请(专利权)人：海南大学，
类型：发明
国别省市：