有源RIS中的一种基于部分信道状态信息的波束赋形方法

技术领域

本发明属于无线通信物理层技术领域，涉及波束赋形技术，阵列信号处理技术，有源可重构智能平面覆盖增强技术，更具体地说是涉及一种基于部分信道状态信息的可重构智能表面辅助通信系统的波束赋形设计方法。

背景技术

可重构智能平面技术因其可编程、易部署、低开销、低功耗等特性迅速地吸引了学术界和工业界的广泛关注和研究，并有望成为未来6G移动通信网络的关键技术之一。为了解决无源RIS辅助系统中严重的乘性衰落影响，一种新的有源RIS架构被提出。不同于无源RIS技术，通过给每个相移电路驱动的反射元件配置额外的放大电路，有源RIS技术不仅能调节反射信号的相位形成定向波束，还能放大反射信号的功率缓解乘性衰落影响。因此，基于有源RIS技术的高效波束赋形设计依赖两跳信道独立的高精度信道状态信息。然而，完美获取两跳信道的独立信道状态信息较为困难。传统的无源RIS辅助系统中，无源波束赋形技术只需利用从发射机到RIS再到接收机的级联信道状态信息满足横模约束。将该技术扩展到有源RIS辅助系统中需要解决两个方面问题：(1)有源RIS中两跳信道无法被完美获取时如何考虑波束赋形方案；(2)如何进行联合基站端和RIS端的功率分配。

发明内容

本发明的目的是针对有源RIS设计一种波束赋形方案，一方面能够降低仅利用部分信道状态信息带来的性能损失；另一方面，通过联合分配基站和RIS发射功率，最大化系统平均和速率提升用户服务质量。

本发明的技术方案：首先，基于两跳信道的部分信道状态信息，推导用户平均速率的解析表达式和RIS平均发射功率的解析表达式。其次，构建基于联合基站和RIS发射功率分配的系统和平均速率最大化问题，并基于交替优化方法分别构造针对基站波束赋形和有源RIS波束赋形的优化子问题。最后，分别采用梯度下降和交替方向乘子技术更新基站波束赋形和有源RIS波束赋形，并通过迭代优化的方法获得最优的波束赋形方案。为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

有源RIS中的一种基于部分信道状态信息的波束赋形方法，包括如下步骤：

步骤S1、系统配置

步骤S101、信号传输模型：

基站配置N根天线，传输下行数据

其中,

步骤S102、信道模型：

基站到RIS的信道H

其中，

基站到用户之间的级联信道可表示为

步骤S2、获取用户平均速率下界表达式：

基于步骤S102中给出的RIS到用户信道的部分信道信息，即与角度相关的直达径分量、与距离相关的路损和非直达径分量的分布，可以得到用户平均速率下界

其中，

步骤S3、获取RIS平均发射功率解析表达式：

基于步骤S102中给出的基站到RIS信道的部分信道信息，即与角度相关的直达径分量、与距离相关的路损和非直达径分量的分布，可以推导出基于随机信道H

其中，

步骤S4、波束赋形设计方法：

基于步骤S2中获取的用户平均速率下界解析表达式

其中，P

步骤S401、非凹速率表达式去复杂化：

因为目标函数

其中,

下界替代函数

步骤S402、获取易优化的等效基站波束赋形设计问题：

结合步骤S401中获得的二次替代函数，可以得到便于优化求解的等效基站端波束赋形设计子问题，如下：

其中，

步骤S403、获取易优化的等效RIS波束赋形设计问题：

结合步骤S401中获得的二次替代函数，可以得到便于优化求解的等效RIS端波束赋形设计子问题，如下：

s.t.w

上述问题可以利用交替方向乘子法求得局部最优解w。

本发明相比传统方案的创新点和优势在于：

本发明为有源RIS辅助系统设计了一种鲁棒波束赋形方法，解决了由于有源RIS辅助的两跳信道无法完美辨识而引起的信道状态信息不确定性难题，在保证用户服务质量的前提下实现了绿色节能的通信。与传统方案相比，所设计的方法能有效地缓解由信道不确定性引起的性能损失，保证用户以极低的中断概率实现稳定可靠的通信，极大地提升了用户的服务质量。

附图说明

图1为有源RIS中的一种基于部分信道状态信息的波束赋形方法设计流程图。

图2是本发明研究的有源和无源RIS辅助的下行通信系统示意图。

图3是本发明提出的有源鲁棒性波束赋形方法与三种对比方法(基于遍历速率下界的有源RIS、非鲁棒性有源RIS和无源RIS波束赋形方案)在遍历系统和速率方面的对比图。

图4是本发明提出的有源鲁棒性波束赋形方法与五种对比方法(基于遍历速率下界的有源RIS、非鲁棒性有源RIS、基于完美信道的有源RIS、无源RIS和无RIS波束赋形方案)在遍历系统和速率方面的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和仿真示例，以证明本发明的有效性和实用性，显然，所描述的仿真示例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例：

本发明的具体实施方法分为如下几步：

步骤1：确定系统参数，包括基站天线数N，RIS反射元件数M，用户数K；基站、RIS和用户的位置及相应的通信距离和直达径角度；载波频率，大尺度衰落系数β＝-PL

步骤2：根据步骤1中的系统参数计算基站到用户的信道

步骤3：给定RIS波束赋形w，利用梯度下降方法更新基站波束赋形矩阵F。梯度下降法中基站端波束赋形矩阵及对偶变量更新方法如下：

在梯度下降方法的第v次迭代中，

相应地，对偶变量按照如下规则更新：

其中，

步骤4：根据步骤3中得到的F固定基站波束赋形，利用交替方向乘子法更新RIS波束赋形向量w。交替方向乘子法的RIS端波束赋形向量及对偶变量更新方法如下：

在交替乘子法的第i+1次迭代中，RIS端的波束赋形向量w

其中，u

η

步骤5：交替重复步骤3和4，直到通过迭代产生的目标函数值序列收敛。

仿真实例分析

为了公平对比，仿真中RIS和基站的总功耗也包含电路功耗。即，RIS总功耗为P

表1系统仿真参数

图3给出了所发明的鲁棒性波束赋形方法与三种基准算法的遍历可达速率随着用户个数变化的性能曲线图，其中RIS反射元素个数M设为32。

图4给出了所发明的鲁棒性波束赋形方法与五种基准算法的遍历可达速率随着RIS反射元素个数变化的性能曲线图，其中用户数K设为4。

从图3可以看出，所提出的遍历速率下界闭合表达式方案能完美拟合遍历速率，且所提出的鲁棒性方案比非鲁棒性方法有明显的系统速率提升，这意味着所提出的方案能缓解两跳信道的部分信道状态信息引起的不确定性。

从图4可以看出，相较于无RIS辅助的系统，无源RIS能将系统速率增益提升59.69％，而消耗相同系统功率的有源RIS能将系统速率增益提升至688.57％，极大的改善了用户通信服务质量。