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专利号: 2021106034923
申请人: 江苏理工学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种波束赋形方法,其特征在于,包括:

根据从用户发射机到从用户接收机的通道、智能反射面到从用户接收机的反射通道、从用户发射机到智能反射面的通道、智能反射面相移矩阵以及主动发射预编码矩阵,确定每个从用户接收机的信噪比;

根据通过智能反射面从从用户发射机到主用户接收机的级联信道、从用户发射机到智能反射面的通道以及主动发射预编码矩阵,确定施加在主用户接收机的干扰温度;

根据所述每个从用户接收机的信噪比、施加在主用户接收机的干扰温度、反射波束形成的单位模量,基于有界信道状态信息误差模型求解最优的主动发射预编码矩阵以及最优的智能反射面相移矩阵;

其中:有界模型采用有界CSI模型,在该模型中假设直接信道和级联信道的CSI误差在以下区域有界:||△gd||2≤εd,||Gr||F≤εr

其中εd和εr是CSI误差有界区域的半径,进而有:

通过优化TPC矩阵W和RED矩阵Φ,根据反射波束形成的单位模、每个SR的SINR要求以及对PR的限制,使ST的总发射功率达到最小;进而将优化问题表述为:约束条件:

在问题(P0)中, 是每个SR的QoS要求,其中γk是SR k的最小SINR,可以被视为 其中rk(bit/s)是相应的所需数据速率,Γ是PR的阈值,IT≤Γ保证施加在PR上的干扰是可以接受的, 是IRS相移的约束,是不确定CSI约束;

该问题是非凸的,发送预编码矩阵和相移矩阵互相耦合且存在不确定性误差,为了解耦去不确定性,通过寻找最坏情况重新构造优化问题,交替求解W和Φ;将问题(P0)重新表述为:约束条件:

将基于有界CSI误差的优化问题转化为确定性问题,其中,用交替算法通过相互固定来交替优化W和Φ,记第t次迭代计算(t) (t)

得到得预编码阵和相移矩阵分别为W 和Φ ,优化W时假定Φ已知,优化Φ时假定W已知,然后各自求解,解决方案如下:写出固定Φ优化W的子问题:

约束条件:

其中, 这个问题是一个二阶锥规划问题,用凸优化工具来解决此问题:写出固定W优化Φ的子问题:

约束条件:

T

其中,τ=[τ1,..,τ2N]是单位模量相位约束的松弛变量,令

提取X的前N行N列元素组成子矩阵B,用b表示由X的第一行到第N行的(N+1)列中的元素组成的向量,bN+1是X第(N+1)行和第(N+1)列元素,μ是用于缩放惩罚项||τ||1的惩罚乘数,该惩罚项可结合调整μ来控制φ的可行性,这个子问题是一个二阶锥规划问题,用凸优化工具来解决此问题。

2.根据权利要求1所述的波束赋形方法,其特征在于,所述根据通过智能反射面从从用户发射机到主用户接收机的级联信道、从用户发射机到智能反射面的通道、智能反射面相移矩阵以及主动发射预编码矩阵,确定施加在主用户接收机的干扰温度的步骤,包括:将通过智能反射面从从用户发射机到主用户接收机的级联信道、从用户发射机到主用户接收机的通道集成为信道等效组合形式;

根据所述信道等效组合形式以及信道的不确定度,获得从用户发射机处的估计综合信道状态信息以及综合信道状态信息误差矩阵;

根据所述从用户发射机处的估计综合信道状态信息、综合信道状态信息误差矩阵、智能反射面相移矩阵以及主动发射预编码矩阵,确定施加在主用户接收机的干扰温度。

3.根据权利要求2所述的波束赋形方法,其特征在于,所述将通过智能反射面从从用户发射机到主用户接收机的级联信道、从用户发射机到智能反射面的通道集成为信道等效组合形式为:其中,G为信道等效组合形式, 表示大小为N×Mt的复矩阵,N×1

为通过智能反射面从从用户发射机到主用户接收机的级联信道,gr∈C 为智能反射面到主用户接收机的反射通道, 为从用户发射机到智能反射面的通道, 为从用户发射机到主用户接收机的通道,Mt为从用户发射机的天线数,智能反射面由N个反射元素组成。

4.根据权利要求2所述的波束赋形方法,其特征在于,所述根据所述从用户发射机处的估计综合信道状态信息、综合信道状态信息误差矩阵、智能反射面相移矩阵以及主动发射预编码矩阵,确定施加在主用户接收机的干扰温度的公式为:其中,IT是施加在主用户接收机上的干扰温度,是ST处的估计综合信道状态信息,△G是综合信道状态信息误差矩阵, 为主动发射预编码矩阵,Φ=diag{φ1,φ2,...,φN}是智能反射面相移矩阵。

5.根据权利要求1所述的波束赋形方法,其特征在于,所述根据所述每个从用户接收机的信噪比、施加在主用户接收机的干扰温度、反射波束形成的单位模量,基于有界信道状态信息误差模型求解最优的主动发射预编码矩阵以及最优的智能反射面相移矩阵的步骤,包括:基于有界信道状态信息误差模型,随机预置初始主动发射预编码矩阵和初始智能反射面相移矩阵;

根据所述每个从用户接收机的信噪比、施加在主用户接收机的干扰温度、反射波束形成的单位模量,固定所述初始智能反射面相移矩阵,求解优化主动发射预编码矩阵;

根据所述每个从用户接收机的信噪比、施加在主用户接收机的干扰温度、反射波束形成的单位模量,固定所述初始主动发射预编码矩阵,求解优化智能反射面相移矩阵;

当判断当前数据速率与前一迭代下的数据速率不满足误差规定时,则将所述优化主动发射预编码矩阵以及优化智能反射面相移矩阵作为新一代的初始主动发射预编码矩阵以及新一代的智能反射面相移矩阵,并返回所述根据所述每个从用户接收机的信噪比、施加在主用户接收机的干扰温度、反射波束形成的单位模量,固定所述初始智能反射面相移矩阵,求解优化主动发射预编码矩阵的步骤;

当判断当前数据速率与前一迭代下的数据速率满足误差规定时,则将当前优化主动发射预编码矩阵以及优化智能反射面相移矩阵,确定为最优的主动发射预编码矩阵以及最优的智能反射面相移矩阵。

6.一种波束赋形装置,其特征在于,包括:

信噪比确定单元,用于根据从用户发射机到从用户接收机的通道、智能反射面到从用户接收机的反射通道、从用户发射机到智能反射面的通道、智能反射面相移矩阵以及主动发射预编码矩阵,确定每个从用户接收机的信噪比;

干扰温度确定单元,用于根据通过智能反射面从从用户发射机到主用户接收机的级联信道、从用户发射机到智能反射面的通道以及主动发射预编码矩阵,确定施加在主用户接收机的干扰温度;以及最优矩阵确定单元,用于根据所述每个从用户接收机的信噪比、施加在主用户接收机的干扰温度、反射波束形成的单位模量,基于有界信道状态信息误差模型求解最优的主动发射预编码矩阵以及最优的智能反射面相移矩阵;

其中:有界模型采用有界CSI模型,在该模型中假设直接信道和级联信道的CSI误差在以下区域有界:||Δgd||2≤εd,||Gr||F≤εr

其中εd和εr是CSI误差有界区域的半径,进而有:

通过优化TPC矩阵W和RED矩阵Φ,根据反射波束形成的单位模、每个SR的SINR要求以及对PR的限制,使ST的总发射功率达到最小;进而将优化问题表述为:约束条件:

在问题(P0)中, 是每个SR的QoS要求,其中γk是SR k的最小SINR,可以被视为 其中rk(bit/s)是相应的所需数据速率,Γ是PR的阈值,IT≤Γ保证施加在PR上的干扰是可以接受的, 是IRS相移的约束,是不确定CSI约束;

该问题是非凸的,发送预编码矩阵和相移矩阵互相耦合且存在不确定性误差,为了解耦去不确定性,通过寻找最坏情况重新构造优化问题,交替求解W和Φ;将问题(P0)重新表述为:约束条件:

将基于有界CSI误差的优化问题转化为确定性问题,其中,用交替算法通过相互固定来交替优化W和Φ,记第t次迭代计算(t) (t)

得到得预编码阵和相移矩阵分别为W 和Φ ,优化W时假定Φ已知,优化Φ时假定W已知,然后各自求解,解决方案如下:写出固定Φ优化W的子问题:

约束条件:

其中, 这个问题是一个二阶锥规划问题,用凸优化工具来解决此问题:写出固定W优化Φ的子问题:

约束条件:

T

其中,τ=[τ1,..,τ2N]是单位模量相位约束的松弛变量,令

提取X的前N行N列元素组成子矩阵B,用b表示由X的第一行到第N行的(N+1)列中的元素组成的向量,bN+1是X第(N+1)行和第(N+1)列元素,μ是用于缩放惩罚项||τ||1的惩罚乘数,该惩罚项可结合调整μ来控制φ的可行性,这个子问题是一个二阶锥规划问题,用凸优化工具来解决此问题。

7.根据权利要求6所述的波束赋形装置,其特征在于,所述干扰温度确定单元,包括:通道集成模块,用于将通过智能反射面从从用户发射机到主用户接收机的级联信道、从用户发射机到主用户接收机的通道集成为信道等效组合形式;

误差矩阵获取模块,用于根据所述信道等效组合形式以及信道的不确定度,获得从用户发射机处的估计综合信道状态信息以及综合信道状态信息误差矩阵;以及干扰温度确定模块,用于根据所述从用户发射机处的估计综合信道状态信息、综合信道状态信息误差矩阵、智能反射面相移矩阵以及主动发射预编码矩阵,确定施加在主用户接收机的干扰温度。

8.根据权利要求6所述的波束赋形装置,其特征在于,所述最优矩阵确定单元,包括:预置初始矩阵模块,用于基于有界信道状态信息误差模型,随机预置初始主动发射预编码矩阵和初始智能反射面相移矩阵;

优化主动发射预编码矩阵求解模块,用于根据所述每个从用户接收机的信噪比、施加在主用户接收机的干扰温度、反射波束形成的单位模量,固定所述初始智能反射面相移矩阵,求解优化主动发射预编码矩阵;

优化智能反射面相移矩阵求解模块,用于根据所述每个从用户接收机的信噪比、施加在主用户接收机的干扰温度、反射波束形成的单位模量,固定所述初始主动发射预编码矩阵,求解优化智能反射面相移矩阵;

第一判断模块,用于当判断当前数据速率与前一迭代下的数据速率不满足误差规定时,则将所述优化主动发射预编码矩阵以及优化智能反射面相移矩阵作为新一代的初始主动发射预编码矩阵以及新一代的智能反射面相移矩阵,并返回所述根据所述每个从用户接收机的信噪比、施加在主用户接收机的干扰温度、反射波束形成的单位模量,固定所述初始智能反射面相移矩阵,求解优化主动发射预编码矩阵的步骤;以及第二判断模块,用于当判断当前数据速率与前一迭代下的数据速率满足误差规定时,则将当前优化主动发射预编码矩阵以及优化智能反射面相移矩阵,确定为最优的主动发射预编码矩阵以及最优的智能反射面相移矩阵。

9.一种计算机设备,其特征在于,包括存储器和处理器,所述存储器中存储有计算机程序,所述计算机程序被所述处理器执行时,使得所述处理器执行权利要求1至5中任一项权利要求所述波束赋形方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,使得所述处理器执行权利要求1至5中任一项权利要求所述波束赋形方法的步骤。