一种无线通信系统信息传输速率优化方法及装置

技术领域

本发明涉及一种无线通信系统信息传输速率优化方法及装置，属于无线通信领域。

背景技术

虽然5G引入了新技术，如大规模多输入多输出技术、毫米波通信技术等，但会增加部署成本及硬件的复杂性，因此，智能反射面作为一种特殊的中继被提出，具体来说，用户与基站进行信息通信，由于房屋、人体、墙壁遮挡导致通信受阻，可以通过在二者之间部署智能反射面充当无源中继节点，建立一个虚拟视线连接从而避开它们之间的阻塞。

智能反射面是一种全新技术，通过在平面上集成大量低成本的无源器件，智能地重新配置无线传播环境，从而显著提高无线通信网络的性能，智能反射面的不同元件可以通过软件控制其幅度和/或相位来独立地反射入射信号，从而实现细粒度的三维无源波束形成增益，从而重新配置无线传播信道，有利于通信性能的优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于智能反射面选择和有源无源混合波束成形的传输速率优化方法及装置，通过对有源波束成形向量和无源波束成形矩阵进行交替优化，使得整个系统的信息传输速率最大化。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种无线通信系统信息传输速率优化方法，所述无线通信系统包括一个多天线基站、一个单天线用户和部署于基站与用户之间的多个智能反射面，所述方法包括：

获取各智能反射面分别接入系统后基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益；

基于每个智能反射面接入系统后获取的基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益，分别以基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率最大为目标函数，对基站的有源波束成形向量和每个智能反射面的无源波束成形矩阵进行交替优化，获得基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率；

选取使基站到用户的信息传输速率达到最大的智能反射面进行信息传输。

进一步地，所述基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益，包括：基站到各智能反射面的信道增益和各智能反射面到用户的信道增益，其中基站到各智能反射面的信道增益根据以下公式获得：

其中，

各智能反射面到用户的信道增益根据以下公式获得：

其中，

所述基站到用户的直连链路的信道增益由以下公式获得：

其中，

进一步地，所述基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率由以下公式获得：

其中，

进一步地，所述以基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率最大为目标函数，对基站的有源波束成形向量和每个智能反射面的无源波束成形矩阵进行交替优化，采用数学模型表示如下：

s.t:

其中，

进一步地，所述交替优化，包括：

固定

固定求解出的

按照上述顺序不断求解得到新的

进一步地，所述固定

固定

s.t:

利用三角不等式

s.t:

其中，

对式（18）进行求解，得到

所以，第

其中，

第

进一步地，所述固定求解出的

固定求解出的

进一步地，所述按照上述顺序不断求解得到新的

给定初始值

进一步地，通过以下公式选取基站到用户的信息传输速率达到最大的智能反射面：

其中，

另一方面，本发明提供一种无线通信系统信息传输速率优化装置，所述装置包括：

信息获取模块，配置为获取各智能反射面分别接入系统后基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益；

混合优化模块，配置为基于每个智能反射面接入系统后获取的基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益，分别以基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率最大为目标函数，对基站的有源波束成形向量和每个智能反射面的无源波束成形矩阵进行交替优化，获得基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率；

选取模块，选取使基站到用户的信息传输速率达到最大的智能反射面进行信息传输。

本发明所达到的有益技术效果：本发明所提出的一种无线通信系统信息传输速率优化方法，在考虑直连链路的情况下，利用智能反射面作为无源中继节点，通过对有源波束成形向量和无源波束成形矩阵交替优化，选择一个合适的智能反射面为用户提供辅助链路，与传统方案相比，显著提高了系统的信息传输速率。

附图说明

图1为本发明实施例的一种信息传输速率优化方法的系统示意图；

图2为本发明实施例的一种信息传输速率优化方法流程图；

图3为本发明实施例交替优化与智能反射面选择、无智能反射面以及交替优化与循环调度结合三种方案下系统的信息传输速率与基站发射总功率的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种信息传输速率优化方法，该方法应用于无线通信系统，如图1所示，无线通信系统包括一个多天线基站、一个单天线用户和多个部署于建筑物、空中无人机等场景下的分布式智能反射面。其中，基站配备

当将第

实际应用中，以智能反射面作为无源中继节点，分别在通信时隙中，执行本发明实施例的一种信息传输速率优化方法，选择合适的智能反射面接入到无线通信系统中进行辅助通信。如图2所示，所述方法包括：

S1：获取各智能反射面分别接入系统后基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益；

1）基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益

基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益，包括：基站到各智能反射面的信道增益和各智能反射面到用户的信道增益。

基站到各智能反射面的信道增益，根据以下公式获得：

其中，

本发明实施例中，基站配备

其中，

由此，基站到第

其中，

基站有源波束成形矢量的到达角的虚拟正弦由以下公式获得：

其中，

基站有源波束成形矢量的去向角的虚拟正弦由以下公式获得：

其中，

各智能反射面到用户的信道增益，根据以下公式获得：

其中，

第

其中，

第

其中，

第

其中，

2）基站到用户的直连链路的信道增益由以下公式获得：

其中，

S2：基于每个智能反射面接入系统后获取的基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益，分别以基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率最大为目标函数，对基站的有源波束成形向量和每个智能反射面的无源波束成形矩阵进行交替优化，获得基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率；

基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率，由以下公式获得：

其中，

当将

s.t:

其中，

上述优化问题可以分为两部分进行求解：

1）固定

s.t:

利用三角不等式

当且仅当上式等式成立时，目标函数能达到最大，即

由此，上述优化问题等价为：

s.t:

其中，

对式（18）进行求解，得到

所以，第

其中，

进一步，可以求解得到第

2）固定

利用最大比传输，求得

给定初始值

S3：选取使基站到用户的信息传输速率达到最大的智能反射面进行信息传输。

通过以下公式选取基站到用户的信息传输速率达到最大的智能反射面：

其中，

在进一步实施例中，本发明方法还包括：

将选取的智能反射面接入到无线通信系统中进行辅助通信。

下面给出计算机上利用 MATLAB 语言仿真实现发明的一个实例。在仿真中，假设基站含有2个天线，选取4个智能反射面作为参考，智能反射面有4个反射元件，基站到智能反射面以及智能反射面到用户的参考距离为一米时的路径损耗

本发明所提出的一种信息传输速率优化方法，在考虑直连链路的情况下，利用智能反射面作为无源中继节点，通过对有源波束成形向量和无源波束成形矩阵交替优化，选择一个合适的智能反射面为用户提供辅助链路，与传统方案相比，显著提高了系统的信息传输速率。

在另一实施例中，本发明提供了一种无线通信系统信息传输速率优化装置，所述无线通信系统包括一个多天线基站、一个单天线用户和部署于基站与用户之间的多个智能反射面，所述装置包括：

信息获取模块，配置为获取各智能反射面分别接入系统后基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益；

混合优化模块，配置为基于每个智能反射面接入系统后获取的基站到用户的直连链路的信道增益以及基站经各智能反射面反射到用户的间接链路的信道增益，分别以基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率最大为目标函数，对基站的有源波束成形向量和每个智能反射面的无源波束成形矩阵进行交替优化，获得基站经每个智能反射面到用户的信息传输速率；

选取模块，选取使基站到用户的信息传输速率达到最大的智能反射面进行信息传输。

以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。