基于滑窗阵列和波束路由的智能反射面辅助太赫兹通信方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及基于滑窗阵列和波束路由的智能反射面辅助太赫兹通信方法。

背景技术

近年来，太赫兹(Tera Hertz,THz)技术因能够为无线通信提供更大信道带宽、更高数据速率和更低传输延迟，已成为未来无线通信的关键技术之一。虽然如此，但考虑到THz通信频段高、波长短等固有特性，不可避免地存在信号衰减严重和衍射能力较差等主要缺点，从而严重限制了THz通信传输能力。智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)由大量的反射元件构成一个平面阵列，每个反射元件不受入射信号的影响并通过调整自身相位和振幅来反射入射信号，从而重构信道来改变无线通信环境。将IRS和THz结合可以在低成本、低功耗的情况下，增加信号传输距离，降低用户间干扰，提高通信质量。

IRS是一种新颖的低复杂度硬件技术，相比于传统的中继，其易部署和低功耗特性赢得了专家学者的认可，通过联合基站发射和IRS反射波束赋形能够降低系统发射总功率。同样的，通过在多小区通信场景中部署IRS，能够很好的缓解小区边缘用户通信受到干扰等问题。此外，在物理层安全通信方面，为了减少窃听者对合法接收者的信息接收影响和窃听者的有用信息接收量，通过IRS实现在无线供电通信网络中窃听端的波束抵消。

在THz通信系统中，环境是影响通信质量的重要因素，而引入IRS可以改变无线通信环境，从而提高通信质量，如何发挥THz巨大的通信潜力，以及如何使用IRS提升THz通信系统中的容量成为了研究的重点之一。有人研究了两种部署策略，一种是单个IRS部署，另外一种是多IRS部署并给出了将IRS部署在靠近基站的位置可实现最高容量，而对于多IRS则需要联合协作共同设计相位才能实现最高容量。同样的，有人引入图论算法，解决了多IRS辅助多用户的问题，有效的降低了算法复杂度，提升了系统容量。此外，还扩展到有源IRS上，通过联合使用有源和无源IRS，在总功率的约束下，能够提升系统和速率，提高通信质量。虽然当前的工作可以提升无线通信中的性能，但随着IRS的大量部署和元素数目增多，会增加系统复杂度，而当只能使用一个IRS辅助，而所有用户共同使用IRS的相位不仅会造成用户间干扰，还使每个用户无法得到最优的IRS反射波束，导致系统和速率下降。

为了提高使用单IRS辅助THz通信系统的和速率，本方法考虑加入对应用户数目的滑动窗口，并且引入路由设定，在给定假设路由下，将接收速率表示为数学表达式，然后设计最优主被动波束形成，进一步等价为图优化问题，并使用图论提高系统的和速率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于滑窗阵列和波束路由的智能反射面辅助太赫兹通信方法，解决当只能使用一个IRS辅助THz时，所有用户共同使用IRS的相位会造成用户间干扰，并且每个用户无法得到最优的IRS反射波束，导致系统和速率下降的技术问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于滑窗阵列和波束路由的智能反射面辅助太赫兹通信方法，该方法包括以下步骤：

S1：构建智能反射面IRS辅助太赫兹THz通信系统模型及其通信的级联信道模型；

S2：在IRS中加入与应用用户数目相同且对应的滑动窗口，根据每个滑动窗口边界限定的滑窗大小与位置得到任意滑窗的反射元素与IRS反射元素的关系，根据该关系可得滑窗反射元素的约束；

S3：引入路由设定，在假定路由中将基站和用户分别作为源点和目标点，滑动窗口作为中间节点，并根据路由设定得到用户的总信道，将所述总信道转化为由阵列响应组合信道，再根据所述组合信道构建最大化系统和速率的问题且受到所述S2中的滑窗反射元素约束；

S4：根据假定路由，得到用户对应的基站发射波束以及滑动窗口的反射波束，将所述滑动窗口的反射波束分解为水平和垂直方向向量，当滑动窗口反射波束的水平和垂直方向向量与滑动窗口的水平和垂直阵列响应对齐，得到滑动窗口最优反射波束，即得到每个元素的最优设置相位，从而得到发射波束和反射波束；

S5：根据所述S4中得到的每个元素的最优设置相位进行波束赋形，重新构造所述S3中最大化系统和速率等同于最大化系统和功率的问题，利用图论对所述重新构造的问题进行分析得到系统和速率最大的滑动窗口路由。

进一步的，所述S1中，通信的级联信道模型，具体表示为：

令IRS有M个反射元素，基站有源天线为N，则通信的级联信道表示为：

H＝h

其中，h和g分别表示BS-IRS和IRS-UE的信道矩阵，H表示共轭转置，Φ表示IRS的相移矩阵，j表示一个虚数单位，幅度β

进一步的，所述S2中，在IRS中加入与应用用户数目相同且对应的滑动窗口，根据每个滑动窗口边界限定的滑窗大小与位置得到任意滑窗的反射元素与IRS反射元素的关系，根据该关系可得滑窗反射元素的约束，具体为：

加入对用用户数目的滑动窗口，若有K个用户，则滑动窗口数目亦为K；用户集合表示为：K＝{1,2,…,k}，滑动窗口的集合表示为：J＝{S

任意滑窗的反射元素与IRS反射元素的关系表示为：

其中，M

整块IRS中只有滑窗中反射元素工作，而未在滑窗中的反射元素全部处于关闭状态；

滑动窗口的特殊性与IRS相结合，滑动窗口需要总和小于IRS大小，且为了降低干扰，滑动窗口之间互不重叠，即表示为：

其中，M

进一步的，所述S3中，引入路由设定，在假定路由中将基站和用户分别作为源点和目标点，滑动窗口作为中间节点，并根据路由设定得到用户的总信道，将所述总信道转化为由阵列响应组合信道，再根据所述组合信道构建最大化系统和速率的问题且受到S2中的滑窗反射元素约束，具体为：

引入路由设定，基站定义为0节点，用户k定义为k节点，服务用户k的滑动窗口S

其中，H表示共轭转置，信道

其中，j表示一个虚数单位，β表示一米处的路径损耗，d表示为两中心点的距离，λ表示为THz波长，τ(f)表示分子吸收；a

将上述信道转化为由阵列响应组合的信道，表示为：

通过所述组合信道，在用户k的接收速率为：

其中，w

根据所述组合信道构建最大化系统和速率的问题，表示为：

进一步的，所述S4中，根据假定路由，得到用户对应的基站发射波束以及滑动窗口的反射波束，将所述滑动窗口的反射波束分解为水平和垂直方向向量，当滑动窗口反射波束的水平和垂直方向向量与滑动窗口的水平和垂直阵列响应对齐，得到滑动窗口最优反射波束，即得到每个元素的最优设置相位，从而得到发射波束和反射波束，具体为：

假设所用LoS链路可用性信息都是先验已知的，目标为设计最优的发射波束和反射波束；

对于用户k所对应的任意滑动窗口，均可验证最大比传输MRT是基站的最优发射波束形成方案，基站为所有用户平均分配总发射功率，且所用用户的权重均为1，用户k对应的基站发射波束设置为ERT方式，表示为：

对于反射波束主要是滑动窗口的相位，其与振幅和元素数目有关，将振幅设置为1，滑窗S

其中，

将反射波束分解为水平和垂直方向上的向量，表示为：

滑窗响应阵列和滑窗相移矩阵，表示为：

其中，

当水平和垂直方向上反射波束向量与滑窗的水平和垂直阵列响应对齐，为最优反射波束；即将最优的相移矩阵每个元素设置如下：

其中，e为滑窗S

进一步的，在所述S5中，根据所述S4中得到每个元素的最优设置相位进行波束赋形，重新构造所述S3中的最大化系统和速率等同于最大化系统和功率的问题，问题表示为：

其中，γ

进一步的，在所述S5中，利用图论对所述重新构造的问题进行分析得到系统和速率最大的滑动窗口路由，具体为：

根据基站，滑窗和用户位置来构造三层节点图，为每条边根据路径损耗，距离，太赫兹分子吸收添加权重，基于上述图的构造，问题更新为最小化用户接收功率和的倒数，表示为：

固定每个用户对应的滑窗位置，通过KKT条件寻求最优的滑窗反射元素数目，定义拉格朗日函数为：

其中，λ和μ表示拉格朗日乘子，M

求偏等于0，令每个拉格朗日乘子与约束函数的乘积为0，并保证问题本身约束和拉格朗日乘子为非负的，即表示为：

其中，L是指拉格朗日函数，

求解问题时，舍去不满足约束条件的解，计算并比较最小值的解，作为最优滑窗反射元素数目组合；

通过固定滑窗反射元素数目组合，更新用户对应的滑窗位置，使用最小费用最大流算法找到最优的滑窗路由；迭代优化直到满足收敛条件，最后输出最优滑窗路由，并通过此时的滑窗路由得到系统最大的和速率。

本发明的有益效果在于：

第一，在复杂的场景中，部署多个IRS是不现实的，而部署单个IRS所有用户共同使用同一相位不仅会造成用户间干扰，还会使每个用户无法得到最优波束，本发明通过在IRS中加入滑窗，有效降低了系统中的干扰。

第二，本发明中智能反射表面，作为智能可重构无线电环境的关键推手，反射元件具有体积小、成本低、能耗低的特点，无需专门的射频处理通过适当调整智能反射表面反射单元的相移，其反射信号可以与其他路径的信号相一致地结合，有利于辅助THz信号进行通信。

第三，本发明所考虑使用IRS辅助THz通信，可以增加THz信号的传输距离，减少信号阻塞以及提高的可靠性。本发明中，不仅在IRS加入对应用户数目的滑窗，还为每个用户寻求最优的滑窗路由，有效提升了系统的和速率。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明操作流程图；

图2为本发明系统模型图；

图3为本发明用户路由示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图3，为一种基于滑窗阵列和波束路由的智能反射面辅助太赫兹通信方法。

如图1所示：一种基于滑窗阵列和波束路由的智能反射面辅助太赫兹通信方法，包括以下步骤：

步骤一：构建智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)辅助太赫兹(Terahertz,THz)通信系统模型及其通信的级联信道模型，具体过程包括：

将一般的IRS辅助THz通信的级联信道表示为统一数学表达式。假设IRS有M个反射元素，基站天数为N，级联信道可以表示为：

H＝h

h和g分别表示BS-IRS和IRS-UE的信道矩阵，H表示共轭转置，Φ表示IRS的相移矩阵，幅度β

步骤二：在IRS中加入与应用用户数目相同且对应的滑动窗口，根据每个滑动窗口边界限定的滑窗大小与位置得到任意滑窗的反射元素与IRS反射元素的关系，根据该关系可得滑窗反射元素的约束，具体包括：

加入对用用户数目的滑动窗口，有K个用户，那么滑窗数目也为K。同样的，用户集合为K＝{1,2,…,k}，而滑窗集合为J＝{S

其中，M

并且只有服务用户的滑窗中的反射元素工作，不在滑窗内的反射元素不反射信号。由于滑窗的特殊性，滑窗需要总和需要小于IRS大小，且为了降低干扰，滑窗之间互不重叠。

其中，M

步骤三：引入路由设定，在假定路由中将基站和用户分别作为源点和目标点，滑动窗口作为中间节点，并根据路由设定得到用户的总信道，将所述总信道转化为由阵列响应组合信道，再根据所述组合信道构建最大化系统和速率的问题且受到所述S2中的滑窗反射元素约束，具体包括：

引入路由设定，BS定义0节点，用户k定义为k节点，服务用户k的滑窗S

其中，H表示共轭转置，信道

其中，j表示一个虚数单位，β表示一米处的路径损耗，d表示为两中心点的距离，λ表示为THz波长，τ(f)表示分子吸收；a

将上述信道转化为由阵列响应组合的信道，表示为：

通过该信道，在用户k的接收速率为

本方法的目标为最大化所有用户的接收速率：

为了达到上述目标需要降低干扰，减少散射。对此，可以先进行最优波束赋形，然后通过图论寻求最优路由和最优解。

步骤四：根据假定路由，得到用户对应的基站发射波束以及滑动窗口的反射波束，将所述滑动窗口的反射波束分解为水平和垂直方向向量，当滑动窗口反射波束的水平和垂直方向向量与滑动窗口的水平和垂直阵列响应对齐，得到滑动窗口最优反射波束，即得到每个元素的最优设置相位，从而得到发射波束和反射波束，具体包括：

假设所用LoS链路可用性信息都是先验已知的，目标为设计最优的发射波束和反射波束。

对于用户k所对应的任意滑窗，均可验证最大比传输(MRT)是BS的最优发射波束形成方案。而在本方法中，基站为所有用户平均分配总发射功率，且所用用户的权重均为1，用户k对应的基站发射波束为：

由于基站天线数目足够大，则基于MRT的主动波束成形可以在用户间产生较低的干扰。这是因为较大天线数的BS天线阵列具有较高的角度分辨率，可以实现信号路径在角域内充分分离，从而实现渐进有利传播。

而对于反射波束主要是滑窗的相位，振幅和元素数目有关，而对于振幅本方法设置为1，通过滑窗S

其中，

可以看出反射波束现只需优化滑窗反射元素和相位。为了与滑窗的均匀矩形阵列对齐，将反射波束分解为水平和垂直方向上的向量为：

而滑窗响应阵列和滑窗相移矩阵为：

其中，

观察分析后，可以发现当水平和垂直方向上反射波束向量与滑窗的水平和垂直阵列响应对齐后，为最优反射波束，最优的相移矩阵每个元素应该如下设置：

其中，e为滑窗S

步骤五：根据所述S4中得到的每个元素的最优设置相位进行波束赋形，重新构造所述S3中最大化系统和速率等同于最大化系统和功率的问题，利用图论对所述重新构造的问题进行分析得到系统和速率最大的滑动窗口路由，具体包括：

从步骤四得到的相位和角度进行波束赋形，重新构造问题并分析问题，最大化系统和速率等同于最大化系统和功率，问题为：

其中，γ

上述优化问题可以先通过转化为图优化问题，再使用交替优化算法解决。该方法中，首先根据基站，滑窗和用户位置来构造三层节点图，并为每条边根据路径损耗，距离，太赫兹分子吸收等添加权重。基于上诉图的构造，问题更新为最小化用户接收功率和的倒数

该问题由于滑窗的可变性，本方法使用交替优化算法。在该方法中，首先固定每个用户对应的滑窗位置，通过KKT条件寻求最优的滑窗反射元素数目。首先定义拉格朗日函数

其中，λ和μ表示拉格朗日乘子，M

然后求偏等于0，需要令每个拉格朗日乘子与约束函数的乘积为0，并保证问题本身约束和拉格朗日乘子为非负的。

其中，L是指拉格朗日函数，

求解问题，舍去不满足约束条件的解，计算并比较最小值的解，作为最优滑窗反射元素数目组合。

然后通过固定滑窗反射元素数目组合，更新用户对应的滑窗位置，使用最小费用最大流算法找到最优的滑窗路由。迭代优化直到满足收敛条件，最后输出最优滑窗路由，并通过此时的滑窗路由得到系统最大的和速率。

图2所示，为本发明的系统模型图，下面结合附图进行说明：

本发明考虑的加入滑动窗口的智能反射面辅助太赫兹通信系统模型如图2所示，

基站配备N根有源天线，有K个单天线用户，IRS具有M个反射元素，加入了K个滑窗。则用户k接收到信号可以表示为

y

其中，x

为了不失一般性，在THz频段，信道将只考虑LoS分量，这是因为THz信号的散射分量的功率通常比LoS分量的功率低20dB。根据传播路径，用以下公式来表示信道模型

其中，G

其中，β表示一米处的路径损耗，d表示为两中心点的距离，λ表示为THz波长，τ(f)表示分子吸收。a

其中，d

为了达到用户k最优的发射波束，基站采用最大传输比(MRT)方式发射波束，在本方法中假设用户权重均相等为1，且基站给所有用户平均分配功率P

通过渐进有利传播，能够很好的分离信道，使得所有用户在级联信道的第一个信道中，干扰近似为0。而对于用户k的反射波束，当角度在水平和垂直方向上完美对齐，是最优的反射波束形成方案，即角度为：

其中，

当滑窗S

图3所示，为本发明的5用户滑窗路由示意图，下面结合附图进行说明：

本发明考虑是利用滑窗提升系统和速率，其主要目的是为了找寻所有用户最优的滑窗路由。用户所对应的滑窗作为中间节点，而基站和用户分别作为源点和目标节点，基于此构建图，为每条边加入信号路径对应的权重，如用户k对应的边权重为

现在的图是一个单源多目标图，目的找寻所有用户的最大值，而不是单一的最大值，因此采用最小费用最大流算法，先构建超级源点和超级汇点，并不停更新流量和费用，直到无法找到增广路径后，输出的最小权重即为最优解，检查流量大于0的边，可得到每个汇点对应的中间节点。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。