有源IRS辅助单发射单接收天线的最大化可达速率优化方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种有源IRS辅助单发射单接收天线的可达速率优化方法。

背景技术

近年来，智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)由于其低电路成本和低功耗，正成为研究热点，成为未来超五代移动通信技术和第六代移动通信等无线网络的一种非常有前途的技术。它具有以下主要优点：扩展覆盖范围，提高用户接收速率，增强通信系统的安全性，加强隐蔽通信，提高空间自由度。根据上述目标，IRS可以与方向调制网络、多输入多输出和中继网络等相结合。在这种情况下，IRS已被应用于来消除无线盲区，并改善无线通信连接。

然而，由于发射机和用户之间的反射信道链路的双衰落效应，与没有IRS的情况相比，无源IRS有助于实现有限的速率性能增益。为了补偿级联信道中严重的双路径损耗，无源IRS需要配备数千个或数万个元件，来实现显著的无源波束形成增益。此外，对于传统的无源结构，IRS只能调整入射信号的相位，这限制了波束形成所带来的增益。当有源IRS出现时，由于应能够同时放大和反射入射信号，因此双衰落效应可以被完全打破。研究人员对无源和有源IRS进行了比较，仿真和推导结果表明后者在典型情况下可比前者获得显著的速率收益。在单用户情况下，提出了一个等增益反射波束形成器，与相应的用户进行相位对齐操作，设置有源IRS相同的放大因子，但是该方法并没有充分利用有源IRS克服的双衰落的优势。目前还没有针对有源IRS辅助的单发射天线单用户的最大化用户的接收速率的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有源IRS辅助单发射单接收天线的可达速率优化方法，通过最大化用户的可达速率对智能反射面的相位和幅度进行优化，最终取得系统速率提升的效果。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种有源IRS辅助单发射单接收天线的最大化可达速率优化方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、构建有源IRS辅助单发射天线单用户的通信模型，确定用户可达速率公式；

步骤2、对有源IRS的向量进行归一化和二范数的操作，构建满足有源IRS的功率约束条件；

步骤3、利用分式规划方法，对用户信噪比中的有源IRS向量进行优化；

步骤4、构建双层循环结构，优化有源IRS的幅度和相位。

一种有源IRS辅助单发射单接收天线的最大化可达速率优化系统，该系统用于实现所述的有源IRS辅助单发射单接收天线的最大化可达速率优化方法，所述系统包括系统模型构建模块、约束条件构建模块、有源IRS向量优化模块和双层循环构建模块，其中：

系统模型构建模块，构建有源IRS辅助单发射天线单用户的通信模型，确定用户可达速率公式；

约束条件构建模块，对有源IRS的向量进行归一化和二范数的操作，构建满足有源IRS的功率约束条件；

有源IRS向量优化模块，利用分式规划方法，对用户信噪比中的有源IRS向量进行优化；

双层循环构建模块，构建双层循环结构，优化有源IRS的幅度和相位。

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有源IRS辅助单发射单接收天线的最大化可达速率优化方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的有源IRS辅助单发射单接收天线的最大化可达速率优化方法中的步骤。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用最大化用户可达速率的方法优化智能反射面的幅度和相位，通过分式规划求解优化问题，提高了系统的可达速率性能；(2)随着有源IRS阵元数的增加，用户的可达速率上升，当有源IRS的阵元数为4时，最大化用户的可达速率方法的可达速率是无源IRS可达速率的两倍；(3)迭代3～5次就可以达到稳定的最优值，具有很快的收敛性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的有源IRS辅助单发射天线单用户的系统模型图。

图2是本发明中优化有源IRS的幅度和相位的双层循环流程图。

图3是用户的可达速率随有源IRS的阵元个数示意图。

图4是λ的平均值与迭代次数的示意图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本发明中描述的本发明实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。

本发明提供一种有源IRS辅助单发射单接收天线的最大化可达速率优化方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、构建有源IRS辅助单发射天线单用户的通信模型，确定用户可达速率公式；

步骤2、对有源IRS的向量进行归一化和二范数的操作，构建满足有源IRS的功率约束条件；

步骤3、利用分式规划方法，对用户信噪比中的有源IRS向量进行优化；

步骤4、构建双层循环结构，优化有源IRS的幅度和相位。

作为一种具体示例，在步骤1中，构建有源IRS辅助单发射天线单用户的通信模型，确定用户可达速率公式，具体如下：

用户接收到的信号表示为：

y

式中，h*是基站到用户的信道，s是基站发射的信号，P＝diag(p)是有源IRS的反射向量，p是有源IRS反射单元，w

用户接收到的信号总功率为：

式中P

用户的信噪比SNR表示为：

用户的可达速率R表示为：

作为一种具体示例，在步骤2中，对有源IRS的向量进行归一化和二范数的操作，构建满足有源IRS的功率约束条件，具体如下：

由有源IRS反射的信号y

y

式中，x

定义有源IRS的反射向量的归一化向量

式中λ

有源IRS反射的总功率P

式中，G＝diag(g)为基站到有源IRS信道的对角矩阵；

由上式推导出λ

作为一种具体示例，在步骤3中，利用分式规划方法，对用户信噪比中的有源IRS向量进行优化，具体如下：

用户的信噪比重写为：

s.t.p

式中

上式转化为以下优化问题：

s.t.p

式中

y是引入的辅助变量，以上优化问题由迭代更新完成：

其中t是迭代次数；p[t]是第t次迭代的有源IRS向量、y[t+1]是第t+1次迭代的辅助变量；

由于上式的分子是非凹的，于是将上式分子部分进行连续凸近似操作，被重新写为下式：

其中p

通过分式规划进行迭代有源IRS的向量，是内层循环的迭代过程。

作为一种具体示例，在步骤4中，构建双层循环结构，优化有源IRS的幅度和相位，具体如下：

a)选择最大比合并的初始值λ

b)设置k＝0，迭代阈值∈

c)进行内层p(t)，y(t)的迭代循环，直至满足‖p(t+1)-p(t)‖≤∈

d)直至满足λ

本发明还提供一种有源IRS辅助单发射单接收天线的最大化可达速率优化系统，该系统用于实现所述的有源IRS辅助单发射单接收天线的最大化可达速率优化方法，所述系统包括系统模型构建模块、约束条件构建模块、有源IRS向量优化模块和双层循环构建模块，其中：

系统模型构建模块，构建有源IRS辅助单发射天线单用户的通信模型，确定用户可达速率公式；

约束条件构建模块，对有源IRS的向量进行归一化和二范数的操作，构建满足有源IRS的功率约束条件；

有源IRS向量优化模块，利用分式规划方法，对用户信噪比中的有源IRS向量进行优化；

双层循环构建模块，构建双层循环结构，优化有源IRS的幅度和相位。

本发明还提供一种移动终端，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有源IRS辅助单发射单接收天线的最大化可达速率优化方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的有源IRS辅助单发射单接收天线的最大化可达速率优化方法中的步骤。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例

结合图1，本实施例提供一种有源IRS辅助单发射单接收天线的最大化可达速率优化方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、构建有源IRS辅助单发射天线单用户的通信模型，建立用户可达速率公式；

步骤2、对有源IRS的向量进行归一化和二范数的操作，让两者迭代来满足有源IRS的功率限制；

步骤3、利用分式规划方法对用户的信噪比中的有源IRS向量进行迭代优化；

步骤4、构建双层迭代结构，优化有源IRS的幅度和相位。

用户接收到的信号可以表示为：

y

式中h*是基站到用户的信道，s是基站发射的信号，P＝diag(p)是有源IRS的反射向量,W

用户接收到的信号总功率为：

式中P

用户的信噪比表示为：

用户的可达速率表示为：

根据权利要求2所述的一种有源IRS辅助的单发射天线单用户系统的最大化用户的信噪比方法，其特征在于，在步骤S2中，源IRS的向量进行归一化和二范数的操作，构建满足有源IRS的功率约束条件，具体如下：

由有源IRS反射的信号表示为：

y

定义有源IRS的反射向量的归一化向量

由有源IRS反射的总功率表示为：

式中P

由上式可以推导出λ

式中λ

根据权利要求3所述的一种有源IRS辅助的单发射天线单用户系统的最大化用户的信噪比方法，其特征在于，在步骤S3中，利用分式规划方法，对用户信噪比中的有源IRS向量进行优化，具体如下：

用户的信噪比可以重写为：

s.t.p

式中

上式可以转化为以下优化问题：

s.t.p

式中

由于上式的分子是非凹的，于是将上式分子部分进行连续凸近似操作，被重新写为下式：

其中p

通过分式规划进行迭代有源IRS的向量，是内层循环的迭代过程。

根据权利要求4所述的一种有源IRS辅助的单发射天线单用户系统的最大化用户的信噪比方法，其特征在于，在步骤S4中，构建如图2所示的双层循环结构，优化有源IRS的幅度和相位，具体如下：

a)选择最大比合并的初始值λ

b)设置k＝0，迭代阈值∈

c)进行内层p(t)，y(t)的迭代循环，直到满足‖p(t+1)-p(t)‖≤∈

d)直到满足λ

图3绘制了用户的可达速率与有源IRS的阵元数的关系。随着有源IRS阵元数的增加，用户的可达速率上升。当有源IRS的阵元数为4时，最大化用户的可达速率方法的可达速率是无源IRS可达速率的两倍。

图4绘制了λ平均值与迭代次数的关系。从图4可以看出，迭代3-5次就可以达到稳定的最优值。说明本文提出的算法具有很快的收敛性能，并且具有较高的可达速率性能。

综上所述，本发明采用最大化用户可达速率的方法优化智能反射面的幅度和相位，通过分式规划求解优化问题，提高了系统的可达速率性能。