多用户RIS预编码方法、装置、计算机设备及存储介质

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种多用户RIS预编码方法、装置、计算机设备及存储介质。

背景技术

关键任务多用户通信对低功耗、低硬件复杂度、高可靠性等需求迫切。最近，为满足这些苛刻的要求，提出了不同的方法。其中，最重要的是大规模多输入多输出(MIMO)系统、毫米波(mm Wave)频段通信和超密集网络。可重构智能表面(以下简称RIS)是一种可以改变传播环境的革命性传输技术，它可以在通信终端之间提供额外的传播路径。RIS由一组无源反射元件组成，通常仅相位反射系数可控。它的实现具有低复杂度/低能耗，不需要射频(RF)链，因此，对于在mm Wave或太赫兹(THz)波段运行的系统特别重要。

此外，预编码方法是优化发射信号的关键环节。一般来说，预编码方法分为两大类。块级预编码(BLP)方法采用只依赖于信道状态信息(CSI)的线性预编码器，因此，它们在信道相干时间的基础上进行更新。另外，预编码方法(SLP)是基于CSI面向用户传输的信息符号的非线性预编码器。因此，预编码器必须以符号速率为基础进行更新。对于RIS辅助系统，现有的大部分工作通常研究发射端线性预码器的应用以及RIS反射矩阵的设计。近年来，出现了许多在RIS辅助系统中SLP设计的成果，比如将干扰利用的概念应用于多用户多输入单输出系统的下行链路，设计了多天线基站预编码矩阵和RIS反射矩阵。除此之外，还研究了多用户系统下行链路全数字基站系统开发的SLP。另一方面，SLP设计适用于基于模拟硬件的基站系统，如上所述。由于RIS也主要基于模拟组件，将RIS系统与模拟硬件的基站相结合的解决方案将显示出较低的实现复杂性，并且在能耗方面也有显著收益。此外，有些文献中的技术考虑了基于无限分辨率相移元素的RIS。在已有的开放文献中，基于有限分辨率相移元素的实用SLP设计仍然没有。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的上述缺陷，公开了一种面向多用户RIS预编码方法、装置、计算机设备及存储介质。该方法步骤如下：基站通过智能反射面(RIS)反射信号给用户，考虑数字/模拟结构基站和无限/有限分辨率RIS，构建基于发送信号矩阵以及RIS反射矩阵优化的多用户干扰能量的最小化问题，同时保证总功率受限；给定发送信号矩阵初始值，利用梯度投影算法更新发送信号矩阵，通过Karush-Kuhn-Tucker条件求解发送信号矩阵闭合解；基于更新的发送信号矩阵，利用梯度投影算法再次更新反射矩阵；若目标函数值未达到收敛条件，则继续交替迭代更新发送信号矩阵以及反射矩阵，同时基于非可和下降规则来更新迭代步长。本发明所提供预编码方法可有效降低硬件复杂度和保证低功耗。

本发明的第一个目的在于提供一种面向多用户RIS预编码方法，所述预编码方法的实现步骤如下：

S1、基站通过智能反射面反射信号给用户，考虑数字/模拟结构基站和无限/有限分辨率智能反射面，构建多用户干扰能量的最小化问题，同时保证总功率受限，即，

S2、给定反射矩阵Ω的第k次迭代值Ω

其中，x

其中，A

S3、给定第k次迭代的最优发送信号矩阵X

其中，Ω

S4、基于发送信号矩阵以及反射矩阵的第k次迭代值，设计迭代步长μ

S5、迭代收敛模块，给定收敛的最大门限ε，若前后两次迭代值满足收敛条件||(X

进一步地，所述步骤S2中求解发送信号矩阵闭合解的过程如下：

S201、给定反射矩阵的第k次迭代值Ω

S202、通过Karush-Kuhn-Tucker条件求解发送信号矩阵闭合解为

其中，x

进一步地，所述步骤S3求解反射矩阵最优值的过程如下：

S301、给定第k次迭代的最优发送信号矩阵X

S302、通过Karush-Kuhn-Tucker条件，反射矩阵对角向量ω的第k次迭代表达式可以表示为

其中，

本发明的第二个目的在于提供了一种面向多用户RIS预编码通信装置，所述预编码装置包括：

预编码构建模块，用于引入智能反射面，基站通过反射发射信号给单天线用户终端，优化发送信号矩阵和RIS反射矩阵改善信号接收质量，构建多用户干扰能量的最小化问题，即

|ω

其中，

发送信号矩阵模块，用于给定反射矩阵Ω的第k次迭代值Ω

其中，X

其中，A

RIS反射矩阵模块，给定第k次迭代的最优发送信号矩阵X

其中，Ω

步长自适应模块，用于自适应调整每次交替迭代优化的更新步长，其中基于发送信号矩阵以及反射矩阵的第k次迭代值，迭代步长可以表示为

其中，

迭代收敛模块，给定收敛的最大门限ε，若前后两次迭代值满足收敛条件||(X

本发明的第三个目的在于提供了一种计算机设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现多用户RIS预编码方法。

本发明的第四个目的在于提供一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现多用户RIS预编码方法。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、不同于现有的方法，本发明基于多用户干扰最小化准则，提出了一种新的预编码方法，与没有RIS辅助的系统相比，所提出的方法在性能上具有明显增益。

2、与数字基站体系结构相比，模拟基站结构可以进一步提高能源效率，进而降低功耗。

3、利用梯度投影和循环坐标下降算法求解基于无限分辨率/有限分辨率相移元素的RIS和数字/模拟基站系统的优化设计天然适用于低功耗、低硬件复杂度的多用户通信。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中面向多用户RIS预编码方法的实施流程图系统模型；

图2是本发明实施例1中面向多用户RIS预编码方法的系统模型示意图；

图3是本发明实施例1中所提算法在不同情况下的能量效率最优值的对比图；

图4是本发明实施例2中面向多用户RIS预编码方法的结构框图；

图5是本发明实施例3中计算机设备的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

为便于说明本实施例，首先进行以下符号的定义：粗体大写和小写字母分别用于表示矩阵和向量；

(一)系统模型与性能指标

考虑一个系统的下行链路，该系统由一个具有T＝T

系统的基站考虑两种体系结构，第一个是常规的全数字结构，每个阵列单元需要一个射频(RF)链。第二个是仅基于模拟元件，因此，不需要基带处理,它由简单的相移器(PS)模块实现，该模块驱动发射器天线阵列单元，并由一个可变增益放大器(VGA)调整输出信号的模量，本发明考虑了无限和有限分辨率PS的情况，

基站在时隙n发送信号矩阵

Y＝(H+G

其中，

对于全数字基站结构的情况,由于总发射功率的限制，X的每一列向量x

信道矩阵建模如下：

其中，

信道的确定性分量由以下公式给出：

其中，θ

θ∈(0,π)/φ∈(-π/2,π/2)分别为垂直/水平AOA/AOD，且a

信道的随机分量可以写为：

其中，H′∈C

其中，R

其中，0≤ρ＜1，且θ为相应的水平或垂直AoD/AoA。

本发明主要研究联合基站预编码器和RIS反射矩阵的设计问题。因此，假设基站已知信道矩阵H、G

基于上述，系统的目标是在第n个符号时间内，期望的符号

后者可以通过最小化“多用户干扰(MUI)能量”来实现，其公式为：

第m个UT在第n个符号时间的接收信号可以写为：

其中，h

对于第m，1≤m≤M个用户，接收信噪比(SINR)定义为：

其中s

第m个用户的可达信息率为ξ

假设符号s

也就是说，MUI能量最小化是优化系统速率性能的合适准则。

本发明指出,要传输的信号是以块为基础设计的,也就是说,对于N个符号时间(矩阵X)。将所需符号传递给预定UT的最佳发射信号是直接通过最小化MUI的最小二乘函数来设计。也就是说，发射信号矩阵X是以非线性方式得出的，不需要线性预编码器。

(二)问题公式化

在本节中，制定了四个优化问题，共同优化最优发射信号矩阵X和反射矩阵Ω。这些问题是基于MUI代价函数式(15)定义的，与所采用的系统架构(图2)和所采用的移相网络类型(无限或有限相位分辨率)相关的约束集不同。

A.数字结构基站和无限分辨率RIS

当基站被假定由图2中的数字体系结构实现时，发射信号满足总发射功率约束

|ω

问题

B.模拟结构基站与无限分辨率PS和无限分辨率RIS

图2是模拟结构基站的情况。发射信号分解为X＝UQ,矩阵U的单元也在单位模复矩阵

|ω

|q

问题

C.数字结构基站和有限分辨率RIS

考虑将数字结构基站与有限分辨率RIS相结合的机制。由于Ω中相移元素的分辨率有限，其单元位于一个集合

其中，RIS中的相移元素假定为b比特分辨率。

问题

问题

D.模拟结构基站与有限分辨率PS和有限分辨率RIS

在这种情况下，假设RIS和基站中的相移元素都是有限分辨率的，因此，它们都属于

s.t.

|q

问题

(三)解决方案

A、数字结构基站和无限分辨率RIS

从问题P1开始，一般来说，这是一个很难解决的问题，没有已知的解决方案。为此，每次只优化一个变量，其他变量保持固定。这种方法避免了对X和Ω变量进行联合优化，因为这两个变量会使推导过程变得非常复杂。采用梯度投影算法是为了更新第k次迭代索引中的解，即，

其中，μ

其中，A

问题

定义ω

对于第k次迭代步长参数μ

总结上述步骤为初始化k＝0,X

一般来说，问题

Q

其中，μ

梯度矩阵

集合

对于步长参数μ

完整的过程为，初始化k＝0,X

C.数字结构基站和有限分辨率RIS

也就是说，只需要计算集合

可以看出，问题

换句话说，

D.模拟结构基站与有限分辨率PS和有限分辨率RIS

反射矩阵Ω和发射信号矩阵U的最优解都位于离散集

首先考虑变量U和Q都是固定的，然后对变量Ω进行优化。假设在第k次迭代时，U和Q的最优值分别为U

显然，关于Ω变量的优化问题可以写成

现在使用循环坐标下降法来解决

其中，

整个过程如数字结构基站和有限分辨率RIS所提到的算法所示。引用前面算法中出现的辅助矢量变量t，是为了在CCD的迭代/循环中有效地更新数量

其中，1≤n≤N且s

其中，

通过求解优化问题，可以得到q

得到封闭形式的解为，

实施例2：

如图4所示，本实施例提供了一种面向多用户RIS预编码通信装置，该装置包括预编码构建模块401、发送信号矩阵模块402、RIS反射矩阵模块403、步长自适应模块404、迭代收敛模块405，各个模块的具体功能如下：

预编码构建模块401，用于引入智能反射面，基站通过反射发射信号给单天线用户终端，优化发送信号矩阵和RIS反射矩阵改善信号接收质量，构建多用户干扰能量的最小化问题，即

|ω

其中，

发送信号矩阵模块402，用于给定反射矩阵Ω的第k次迭代值Ω

其中，X

其中，A

RIS反射矩阵模块403，给定第k次迭代的最优发送信号矩阵X

其中，Ω

步长自适应模块404，用于自适应调整每次交替迭代优化的更新步长，其中基于发送信号矩阵以及反射矩阵的第k次迭代值，迭代步长可以表示为

迭代收敛模块405，给定收敛的最大门限ε，若前后两次迭代值满足收敛条件||(X

本实施例中各个模块的具体实现可以参见上述实施例1，在此不再一一赘述；需要说明的是，本实施例提供的装置仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

实施例3：

本实施例提供了一种计算机设备，该计算机设备可以为计算机，如图5所示，其通过系统总线501连接的处理器502、存储器、输入装置503、显示器504和网络接口505，该处理器用于提供计算和控制能力，该存储器包括非易失性存储介质506和内存储器507，该非易失性存储介质506存储有操作系统、计算机程序和数据库，该内存储器507为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境，处理器502执行存储器存储的计算机程序时，实现上述实施例1提出的一种面向多用户RIS预编码通信方法，如下：

S1、基站通过智能反射面反射信号给用户，考虑数字/模拟结构基站和无限/有限分辨率智能反射面，构建多用户干扰能量的最小化问题，同时保证总功率受限，即，

|ω

其中，智能反射面以下简称RIS，

S2、给定反射矩阵Ω的第k次迭代值Ω

其中，x

其中，A

S3、给定第k次迭代的最优发送信号矩阵X

其中，Ω

S4、基于发送信号矩阵以及反射矩阵的第k次迭代值，设计迭代步长μ

S5、给定收敛的最大门限ε，若前后两次迭代值满足收敛条件||(X

实施例4：

本实施例提供了一种存储介质，该存储介质为计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述实施例1的一种面向多用户RIS预编码通信方法，如下：

S1、基站通过智能反射面反射信号给用户，考虑数字/模拟结构基站和无限/有限分辨率智能反射面，构建多用户干扰能量的最小化问题，同时保证总功率受限，即，

|ω

其中，智能反射面以下简称RIS，

S2、给定反射矩阵Ω的第k次迭代值Ω

其中，x

其中，A

S3、给定第k次迭代的最优发送信号矩阵X

其中，Ω

S4、基于发送信号矩阵以及反射矩阵的第k次迭代值，设计迭代步长μ

S5、给定收敛的最大门限ε，若前后两次迭代值满足收敛条件||(X

本实施例中所述的存储介质可以是磁盘、光盘、计算机存储器、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、U盘、移动硬盘等介质。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。