【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于移动通信，具体涉及一种多ris辅助的多跳无线网络容量分析与资源优化方法。
技术介绍
1、无线网络易接入，所以网络用户数量急增，导致对无线网络的容量要求更高。然而，复杂的通信环境将极大影响无线网络的容量。在工业互联网环境中，信号的传播环境较为复杂，厂房中遍布的器械等各种障碍物会对无线信号造成阻挡进而引起衰落和阴影等影响通信性能，复杂的工业环境将不可避免地影响无线传输的有效性、可靠性和网络容量。近年来，智能反射面(reconfigurable intelligence surface,ris)由于其低功耗、高能效、可重构传输环境等特点，已受到学术界和工业界的广泛关注。通过在传输环境中部署ris，改善无线信道质量，进而提高信号传输的有效性、可靠性和网络容量。然而，大多数关于ris的现有工作只考虑了一个或多个分布式ris，但是当环境中存在密集的障碍物时，例如工业厂房车间遍布的各种机械设备，无论ris部署在何处，都无法利用单个ris在bs和每个用户之间建立视线(line-of-sight，los)路径。现有的研究中，有学者提出利用多个ris通过多跳信号反射协同服务每个用户解决上述问题，从而绕过障碍物，提高系统容量。然而，大多研究规定每个ris最多与一个用户关联，即与用户关联的多反射路径不能被其他用户使用，并且只考虑了一条反射路径，忽略了其他可能的反射路径，这种通信场景太过理想化。
技术实现思路
1、由于无线网络容量需求的增加和复杂的通信环境所带来的挑战，现有的无线网络技术需要进
2、为解决上述问题，本专利技术提出一种多ris辅助的多跳无线网络容量分析与资源优化方法，通过为用户选择多ris反射路径以及联合优化bs波束成型矩阵，ris的反射相移矩阵和信道分配系数来最大化系统容量。该方法步骤如下：
3、步骤s1、建立多ris辅助的多用户下行无线通信系统模型；
4、步骤s2、建立多跳传输模型，确定基站-ris、ris-ris、ris-用户之间的信道模型，计算信干噪比和累积噪声，计算系统容量，给出有源ris放大功率约束；
5、步骤s3、根据用户实际业务qos需求，确定用户的多ris选路规则和信道分配策略；
6、步骤s4、设计多ris与选路结合，构建目标函数使得系统容量达到最大化；
7、步骤s5、提出多ris辅助的多跳无线网络容量分析与资源优化方法，将优化问题解耦成对应于四组变量的子问题，交替地采用ao算法来求解问题。
8、本专利技术提出的多ris辅助的多跳无线网络容量分析与资源优化方法，通过联合优化每个用户的多反射路径、基站的波束赋形向量以及ris的反射相移矩阵，使得系统的和速率达到最大，从而提高网络的容量。首先，多ris系统可以克服单一ris辅助通信的局限性，提供更高阶的乘性无源波束形成增益，这可以抵消随ris反射次数增加而增加的乘性衰落。而有源ris配备了低功率反射型放大器，能够以全双工模式反射功率放大入射信号，从而以适中的能量和硬件成本有效地补偿距离路径损耗。其次，根据用户的业务服务质量(qos)需求智能化选择信号传输链路以增强信号传输质量，进而提升系统的容量。最后，通过控制波束赋形和信道分配，可以有效抑制用户间的同信道干扰，为此构建一个以最大化系统容量为目标的最优化问题，联合优化用户的多反射路径、基站(bs)侧的波束赋形矢量、ris侧的相移矩阵和信道分配系数矩阵；接着，为解决该非凸优化问题，提出一种具有交替优化(ao)框架的多ris路径选择和资源分配联合优化算法，具体来说，将优化问题解耦成对应于四组变量的子问题，交替地采用ao算法来解决子问题，在求解某一子问题时，其他子问题对应的变量设为已知。其中，对于多ris路径选择，根据用户的qos需求，为每个用户选择多条满足时延需求的多跳反射路径；对于bs的波束赋形矩阵的分配，引入辅助变量处理(p1)的非凸目标函数；对于优化ris反射相移矩阵，首先引入辅助变量处理(p1)的非凸目标函数，然后解耦多个ris的反射相移矩阵，通过基于环的罚凸法(convex concave procedure，ccp)求解每一个ris的最优相移矩阵；对于各个子信道的分配，使用松弛运算和一阶泰勒展开式来处理二元约束，为bs向每个用户传输数据选择多个信道。
9、本专利技术提出了一种更为通用的系统模型，提出了多ris路径选择与资源分配联合优化方法，联合优化多反射路径、基站波束赋形向量、ris反射相移矩阵以及信道分配系数矩阵，从而有效提高系统容量。本专利技术的容量分析方法考虑影响因素更为全面，分析结果更加符合网络特性。
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1.一种多RIS辅助的多跳无线网络容量分析与资源优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的多RIS辅助的多跳无线网络容量分析与资源优化方法，其特征在于所述步骤S1的具体过程为：该通信系统中包含了一个配备了T根天线的基站，K个单天线用户Uk，J个RIS，包含了Ja个有源RIS，Jp个无源RIS，每个RIS由N个反射单元组成；由于障碍物分散，基站与每个单天线用户之间的直射路径被障碍物严重遮挡，无法进行直接通信，基站通过多条由多个RIS构成的反射路径，实现与多个远程用户的下行通信；
3.根据权利要求2所述的多RIS辅助的多跳无线网络容量分析与资源优化方法，其特征在于，所述步骤S2的具体过程为：定义表示基站和RISj之间的第m条子信道的信道增益，表示RISi和RISj之间的第m条子信道的信道增益，表示RISj和第k个单天线用户之间的第m条子信道的信道增益；
4.根据权利要求3所述的多RIS辅助的多跳无线网络容量分析与资源优化方法，其特征在于，所述步骤S3的具体过程为：基站发送给第k个单天线用户的业务流为其中表示业务的类别，表示业务数
5.根据权利要求4所述的多RIS辅助的多跳无线网络容量分析与资源优化方法，其特征在于，所述步骤S4的具体过程为：目标为通过为用户选择多RIS反射路径以及联合优化BS波束成型矩阵，RIS的反射相移矩阵和子信道分配系数来最大化系统容量。综上所述，该优化问题可以用数学公式表示为：
6.根据权利要求5所述的多RIS辅助的多跳无线网络容量分析与资源优化方法，其特征在于，所述步骤S5的具体过程为：由于优化问题(P1)是混合整数非凸优化问题，存在变量之间的耦合与非凸性，利用基于交替优化方法的多RIS路径选择与资源分配联合优化：将优化问题解耦成对应于四组变量的子问题，交替地采用AO算法来解决子问题，在求解某一子问题时，其他子问题对应的变量设为已知。
...【技术特征摘要】
1.一种多ris辅助的多跳无线网络容量分析与资源优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的多ris辅助的多跳无线网络容量分析与资源优化方法，其特征在于所述步骤s1的具体过程为：该通信系统中包含了一个配备了t根天线的基站，k个单天线用户uk，j个ris，包含了ja个有源ris，jp个无源ris，每个ris由n个反射单元组成；由于障碍物分散，基站与每个单天线用户之间的直射路径被障碍物严重遮挡，无法进行直接通信，基站通过多条由多个ris构成的反射路径，实现与多个远程用户的下行通信；
3.根据权利要求2所述的多ris辅助的多跳无线网络容量分析与资源优化方法，其特征在于，所述步骤s2的具体过程为：定义表示基站和risj之间的第m条子信道的信道增益，表示risi和risj之间的第m条子信道的信道增益，表示risj和第k个单天线用户之间的第m条子信道的信道增益；
4.根据权利要求3所述的多ris辅助的多跳无线网络容量分析与资源优化方法，其特征在于，所述步骤s3的具体过程为：基站发送给第k个单天线用户的业务流为其中表示业务的类别，表示业务数据量的大小，表示业...
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