【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线通信，尤其涉及一种低功耗的主动式智能反射表面设计方法。
技术介绍
1、智能反射表面(reconfigurable intelligent surface,ris)是支撑未来无线通信的关键技术之一。该技术通过改变智能反射表面上单元的电磁性质，可对电磁空间中已存在的信号进行再重整，可实现增强有用信号以及减弱干扰信号的效果，从而增强现有无线通信系统的传输覆盖范围以及容量等关键性能指标。
2、传统智能反射表面主要通过改变反射单元的反射系数相位以进行信号的反射再重整。在该反射过程中，从发送机到智能反射表面单元，再到接收机的传输信号将会经历“发送机-智能反射表面”以及“智能反射表面-接收机”双重链路衰减。两次链路的路径损耗会使得接收到的信号能量较弱，传统智能反射表面需要通过部署大量的反射单元以补偿双重链路衰减带来的损失。这将导致传统智能反射表面需要大量的反射单元部署成本以及空间成本。
3、为了解决双重链路衰减问题，主动式智能反射表面的设计被提出。在主动式智能反射表面的设计之中，每个反射单元可通过部署有源器件的方式实现入射信号的反射放大功能。由于可以直接对入射信号进行放大，主动式智能反射表面可以有效地解决双重链路衰减问题。然而，部署大量的有源器件一方面增加了智能反射表面的功耗开销，因此需要考虑智能反射表面的低功耗设计，使得智能反射表面辅助的通信系统在完成某一特定的性能指标需求情况下，尽地减少功率开销。
4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
5、传统智能反射表面主要通过
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种低功耗的主动式智能反射表面设计方法。
2、本专利技术是这样实现的，一种低功耗的主动式智能反射表面设计方法包括：
3、步骤一，在智能反射表面设计方法中引入了稀疏性，通过允许智能反射表面关闭部分反射单元；
4、步骤二，设计智能反射表面具备选择开关部分反射单元的功能；智能反射表面是由大量反射单元组成的一类二维电磁平面，对电磁空间中已有的电磁信号进行调节重整；
5、步骤三，通过主动式智能反射表面中的反射单元调节入射电磁信号的相位信息，通过诸如隧道二极管，cmos管等具备反射放大功能的器件对入射电磁信号的反射放大。
6、进一步，所述主动式智能反射表面的功率开销模型可表示如下：
7、功率开销＝激活反射单元数目×单一激活反射单元功耗+反射放大功耗(1)
8、考虑主动式智能反射表面具有q个反射单元，第q个反射单元的反射系数表示为其中αq和θq分别表示反射系数的幅度与相位，则由q个反射单元组成的反射系数矩阵可表示为(diag[]表示向量对角化操作)；激活反射单元表示其反射系数φq幅度不为0，未激活反射单元表示其反射系数φq幅度为0，激活反射单元数目则可用||φ||0表示，其中||φ||0表示矩阵φ非零元素个数；单一激活反射单元功耗为pbias+pdc，其中pbias表示偏置电路的功耗，pdc表示控制电路的功耗；考虑在第q个反射单元接收到的信号平均能量为px,q，整个主动式智能反射表面接收到的能量向量可表示为智能反射表面处因偏置有源器件引入的噪声功率为反射放大功耗可由下式表示：
9、
10、其中表示矩阵的frobenius范数，ξ表示反射放大效率系数；在上述模型下，主动式智能反射表面的功率开销可表示如下：
11、
12、进一步，所述设计智能反射表面具备选择开关部分反射单元的功能方法：
13、在智能反射表面部署q(q>1)个反射单元；若智能反射表面为主动式智能反射表面，单一反射单元则具备反射放大功能；考虑有k个发送-接收机用户传输，记从发送机tx j到接收机rx k的直接链路信道为hd,kj，从发送机tx j到智能反射表面ris的前向信道为从智能反射表面ris到接收机rx k的后向信道为智能反射表面的反射系数矩阵为其中αq∈[0,αmax],αmax≥1，考虑发送机tx k希望传输信号sk到对应的接收机rx k，则在rx k处的接收信号yk可表示为下式，
14、
15、其中，为主动式智能反射表面处引入的高斯白噪声，为接收机rx k处的高斯白噪声，a＝diag(φ)为反射系数矩阵的向量形式；经智能反射表面ris从发送机tx j到接收机rx k等效的反射信道为并且每个发送机k的传输功率为pk，则每个用户的传输速率为
16、
17、记前向信道为ht＝[ht,1,…,ht,k]，功率矩阵p＝diag([p1,…,pk]t)；根据公式(1)可计算出此时功率开销为
18、
19、上述功率开销可改写为如下等价形式
20、pris＝||a||0(pbias+pdc)+ξahepa. (7)
21、其中ep为对角矩阵，其对角元素可记为
22、在接下来，本专利技术将以保证每个用户传输速率性能情况为例，考虑如下功率最小化问题；
23、maxa||a||0(pbias+pdc)+ξahepa
24、
25、
26、其中，优化目标是最小化智能反射表面的功率开销，第一个约束是每个用户传输的最小速率需求约束，第二个约束为每个反射系数最大幅度约束；求解上述问题的关键在于对0范数的处理，为此可对反射系数引入以下加权系数，使得
27、||[|α1|2,…,|αq|2]t||0＝||[β1|α1|2,…,βq|αq|2]t||1 (9)
28、其中||||1表示向量的1范数，βq是反射系数的加权系数；通过上式(9)，问题(8)的目标函数可表示为
29、
30、其中ea是一个对角矩阵，其对角元素满足
31、
32、此时问题的关键在于加权系数βq的设计；在本实例中，加权系数可采取如下设计
33、
34、其中，τ为一足够小的常数；通过上述设置，具有较小的幅度增益的反射系数单元将具有较大的加权系数，而较大的加权系数会导致目标值(10)的增加；因此，在最小化目标函数(10)的过程中，智能反射表面将会关闭具备高权重的反射单元；在给定权重系数后，通过智能反射表面反射系数更新算法进行更新。
35、进一步，所述智能反射表面反射系数更新算法：
36、初始化：通过内点法求解问题(13)得到a*
37、如果a*的秩不为1，则...
【技术保护点】
1.一种低功耗的主动式智能反射表面设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述低功耗的主动式智能反射表面设计方法，其特征在于，所述主动式智能反射表面的功率开销模型可表示如下：
3.如权利要求1所述低功耗的主动式智能反射表面设计方法，其特征在于，所述设计智能反射表面具备选择开关部分反射单元的功能方法：
4.如权利要求3所述低功耗的主动式智能反射表面设计方法，其特征在于，所述智能反射表面反射系数更新算法：
5.如权利要求4所述低功耗的主动式智能反射表面设计方法，其特征在于，所述问题(13)如下表示：
6.如权利要求4所述低功耗的主动式智能反射表面设计方法，其特征在于，所述公式(15)如下表示
7.一种基于权利要求1的稀疏性优化的低功耗主动式智能反射表面系统，包括多个可调节的反射单元和至少一个控制单元，其特征在于，
【技术特征摘要】
1.一种低功耗的主动式智能反射表面设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述低功耗的主动式智能反射表面设计方法，其特征在于，所述主动式智能反射表面的功率开销模型可表示如下：
3.如权利要求1所述低功耗的主动式智能反射表面设计方法，其特征在于，所述设计智能反射表面具备选择开关部分反射单元的功能方法：
4.如权利要求3所述低功耗的主动式智能反射表面设计...
【专利技术属性】
技术研发人员：龙睿哲，梁应敞，陈浩，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：
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