一种极化感知旋转天线辅助共生通信的联合优化方法

本发明属于无线通信，具体涉及一种极化感知旋转天线辅助共生通信的联合优化方法。

背景技术：

1、共生无线电通过使反向散射设备在不配置专用射频链路、且不额外占用频谱资源的条件下调制并反射主传输信号，实现主传输与次传输的频谱共享。智能反射面可作为大规模反向散射设备，利用多个无源反射单元调节传播环境，从而增强次传输。然而，基站至智能反射面再至共生用户的级联链路经历两段传播衰减，容易产生严重的双重衰落；同时，反射信号及基站直达信号还可能向共存的非共生用户泄漏干扰。

2、现有智能反射面赋能共生无线电系统主要通过数字波束成形和反射面相移控制调节空间能量分布。由于基站天线在部署后通常保持固定朝向，其定向辐射增益难以根据共生用户、智能反射面和非共生用户的空间分布进行灵活调整。在同时满足主传输速率、次传输速率和非共生用户干扰约束的情况下，仅依靠数字波束成形和反射面相移优化，往往需要配置较多的智能反射单元并进行高精度的联合波束成形设计，从而增加系统的硬件规模、信道估计负担和控制开销。

3、可旋转天线能够在保持阵列位置不变的条件下改变天线朝向，通过将高增益主瓣指向期望传播方向获得额外的空间自由度。但是，天线的三维旋转不仅改变波束指向，还会同步改变天线本地水平极化方向和垂直极化方向。若只优化波束指向而忽略该几何耦合，天线旋转可能造成发射极化基底与信道到达极化基底失配，使定向辐射增益被极化失配损耗抵消。多径反射与散射还会引起交叉极化耦合和信道去极化，使所述问题在智能反射面级联链路中更加突出。与此同时，双极化智能反射面的不同反射单元对应不同的物理极化方向，其无源反射相移与基站天线旋转、发射极化状态以及共生用户接收极化状态进一步形成耦合。

4、因此，如何在满足主传输速率、次传输速率、非共生用户干扰温度和实际硬件约束的条件下，联合设计数字波束成形、天线旋转、收发极化状态及双极化智能反射面相移，充分挖掘波束指向、极化匹配与智能反射面调控之间的协同增益，是现有共生无线电系统亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明旨在缓解智能反射面赋能共生无线电系统中级联反向散射链路双重衰落以及非共生用户干扰的问题，提供一种双极化智能反射面赋能共生无线电系统的极化感知旋转天线联合优化方法。该方法在基站设置兼具三维旋转和极化重构能力的天线阵列，在共生用户设置极化可调接收天线，并利用双极化智能反射面实现无源反射和次传输符号调制；通过联合优化数字波束成形、天线旋转矩阵、收发极化状态和双极化智能反射面相移，充分利用可旋转天线的定向辐射增益和极化匹配增益，增强主传输及次传输性能，缓解级联反向散射链路的双重衰落，同时抑制对非共生用户的干扰。

2、本发明的技术方案为：

3、一种双极化智能反射面赋能共生无线电系统的极化感知旋转天线联合优化方法，定义通信系统包括基站、双极化智能反射面、一个共生用户和  个非共生用户；基站配置 个排列为均匀平面阵列的极化可重构旋转天线，双极化智能反射面配置 个水平极化与垂直极化交错排列的反射单元。基站向共生用户发送主传输符号，双极化智能反射面通过改变反射系数调制次传输符号， 个非共生用户与所述系统共存并受干扰温度约束保护。其中，、 和  均为正整数。

4、建立全局直角坐标系，将未旋转天线的初始波束指向、水平极化方向和垂直极化方向分别记为：

5、。

6、第  个基站天线的三维旋转矩阵记为，并满足特殊正交群约束：

7、

8、旋转后，第  个天线的波束指向、水平极化方向和垂直极化方向依次为 ,和；天线波束指向相对于初始波束方向的最大偏转角受机械硬件限制:

9、

10、其中，表示天线相对于初始波束方向允许的最大机械偏转角。基站通过功率分配器和移相器调节第 个天线的两个正交极化端口，其发射极化状态矢量为：

11、；

12、其中， 和  分别为水平极化端口与垂直极化端口的幅度系数，和为对应的相位。旋转后的三维发射极化矢量为

13、。

14、共生用户的可调接收极化状态记为，满足；第 k 个非共生用户采用预设固定接收极化状态。令和分别表示双极化智能反射面在全局坐标系中的水平、垂直极化方向，第 个反射单元的物理极化方向属于集合{,}。双极化智能反射面相移矩阵定义为：

15、。

16、其中，为第个反射单元的可调相移，为虚数单位，表示由输入元素构成对角矩阵。

17、基于视距路径与非视距路径的极化传播关系，建立基站至双极化智能反射面的信道矩阵、基站至用户的直达信道矢量以及双极化智能反射面至用户的反射信道矢量；其中表示共生用户，表示非共生用户。上述信道同时取决于传播距离、路径损耗、天线定向增益、三维旋转、收发极化状态和信道去极化效应，具体构造过程在具体实施方式中给出。

18、令为数字波束成形矢量；双极化智能反射面采用二进制相移键控次传输符号，即。设一个次传输符号周期包含个主传输符号周期，则用户的接收信号为：

19、。

20、其中，为方差的复高斯噪声。共生用户在给定次传输符号时的主传输可达速率为：

21、。

22、共生用户完成主传输符号解码后，采用串行干扰消除去除直达链路的主信号分量，并对一个次传输符号周期内的个剩余样本进行最大比合并，得到次传输可达速率：

23、

24、由于两个次传输符号等概率出现，第  个非共生用户接收到的平均干扰功率为：

25、。

26、以最小化基站发射功率为目标，联合优化数字波束成形矢量、旋转矩阵集合、发射极化状态集合、共生用户接收极化状态和双极化智能反射面相移矩阵，建立联合优化问题：

27、

28、其中，和分别为主传输和次传输最低速率门限，为非共生用户干扰温度门限。前两项分别保证两个次传输符号状态下的主传输可靠性和次传输性能；第三项限制每个非共生用户承受的直达干扰与反射干扰之和；其余各项依次保证旋转矩阵属于特殊正交群、旋转角不超过硬件阈值、收发极化状态归一化以及每个双极化智能反射单元的反射系数恒模。

29、采用交替优化框架求解所述联合优化问题。每轮外层迭代依次更新、、、和；前四个物理变量在固定数字波束成形矢量时分别更新，最后在固定物理变量时更新数字波束成形矢量。

30、在固定时，定义半正定矩阵及主传输等效信道为：

31、；

32、。

33、则数字波束成形子问题等价写为：

34、

35、上述主传输迹约束对  和  同时成立，次传输迹约束和  个干扰迹约束均保留。利用下式将秩一约束转化为矩阵迹与最大特征值之差：

36、。

37、引入秩一惩罚参数 ，并在第  次内层迭代中用上一迭代矩阵的最大特征值对应单位特征向量对最大特征值项进行一阶线性化，得到凸差子问题：

38、

39、迭代增大直至满足秩一判据，再由的主特征值及其单位特征向量恢复数字波束成形矢量。由此，发射功率更新过程始终同时考虑两个主传输状态、次传输速率和全部非共生用户的干扰温度约束。

40、在固定数字波束成形矢量时，当前发射功率不变。为提高各通信约束的可行裕度并为下一次数字波束成形更新释放降功率空间，定义两个主传输状态、次传输和第  个非共生用户的归一化指标：

41、；

42、。

43、其中，、和分别表示相应速率约束得到满足，表示第 个非共生用户的干扰温度约束得到满足。以最大化三个传输裕度中的最小值为目标，其等价最小化形式为：

44、。

45、采用 log-sum-exp 函数平滑近似最小值，其参数  控制近似精度，得到：

46、。

47、采用下式所示 softplus 函数平滑近似约束违反量，其中  为平滑参数：

48、。

49、两个主传输状态、次传输、非共生用户干扰及旋转角度的平滑平方惩罚项分别为：

50、；

51、；

52、；

53、。

54、其中，分别为各 softplus 项的平滑参数。随后按照下列顺序分别更新物理变量：

55、第一，固定发射极化状态、接收极化状态和双极化智能反射面相移矩阵，在旋转矩阵流形上更新天线旋转矩阵集合：

56、。

57、第二，固定旋转矩阵、接收极化状态和双极化智能反射面相移矩阵，在复单位球面乘积流形上更新发射极化状态集合：

58、。

59、第三，固定旋转矩阵、发射极化状态和双极化智能反射面相移矩阵，在复单位球面上更新共生用户接收极化状态：

60、。

61、第四，固定旋转矩阵及收发极化状态，在复圆流形上更新双极化智能反射面相移矩阵：

62、。

63、其中，为相应约束违反惩罚权重；旋转矩阵子问题包含旋转角度惩罚项，其余三个子问题因对应变量不改变旋转角度而省略该项。各物理变量子问题采用黎曼共轭梯度算法求解，具体投影、线搜索和收缩映射在具体实施方式中给出。

64、本发明的有益效果为：

65、1）实现空间、极化与反射相移的协同设计。通过将天线三维旋转对波束指向和本地极化基底的影响纳入统一信道模型，本发明能够在获取高定向辐射增益的同时补偿旋转及多径传播造成的极化失配，并使双极化智能反射面相移与收发极化状态相匹配。

66、2）同时增强主传输和次传输。天线旋转提高面向共生用户及双极化智能反射面的入射增益，极化重构提高直达链路和级联反射链路的极化匹配程度，反射相移优化进一步获得无源波束成形增益，从而缓解反向散射级联链路的双重衰落。

67、3）抑制对非共生用户的干扰。通过在联合优化问题中设置干扰温度约束，并利用可旋转天线的方向选择性减少面向非共生用户的辐射泄漏，本发明能够在保障主传输和次传输速率的同时保护共存通信。

68、4）算法收敛性强，具有工程部署的可行性。所述交替优化方法分别在特殊正交群、复单位球面和复圆流形上执行更新，能够始终保持旋转矩阵正交、极化状态归一化和反射系数恒模等硬件约束，在保证算法严格单调收敛的同时，维持了较低的计算复杂度。