一种基于智能反射面辅助的双向中继通信方法与流程

1.本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种基于智能反射面辅助的双向中继通信方法。


背景技术：

2.随着超密集网络、大规模多输入多输出以及毫米波等关键技术的发展，第5代移动通信技术(5-th generation,5g)已实现大规模商业化部署，实现了万物互联的目标。但与此同时，5g技术在硬件成本、能耗以及部署的复杂度等问题上仍存在不足，给未来通信技术的发展带来了新的挑战。基于此，智能反射面(intelligent reflecting surface,irs)技术以其无源、低成本以及高能效的等特点成为了下一代移动通信网络的关键技术之一，并得到了广泛的研究。智能反射面是由大量低成本的被动无源反射单元组成的平面，放置于发送方与接收方之间。每个反射单元都能够独立地对入射信号进行相位的改变，通过调整反射单元上的相移设置，实现对无线传播环境的改变，由此提高无线通信系统性能。
3.鉴于irs低成本、低功耗以及易部署等特点，irs被广泛应用于各种移动通信系统中，并与现有的技术整合，以期实现更高性能的移动通信。irs与传统的中继技术在协助端到端通信方面有相似之处，但相比于独立地将两种技术进行比较，混合irs和中继的无线通信网络，达到了两种技术的优势互补，提升系统性能的目的。在目前现有的混合irs和中继技术的研究中，仅考虑到了单向通信场景，在此场景下，两个通信端用户之间交换信息所消耗的时间比双向通信场景高一倍，在一定程度上造成频谱资源浪费。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷及改进需求，本发明提供了一种基于智能反射面辅助的双向中继通信方法，其目的在于实现两个通信端之间高效及低复杂度通信，同时通过对智能反射面上的反射单元相移进行联合优化调整，实现系统通信性能的提升。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于智能反射面辅助的双向中继通信方法，应用于双向中继通信系统，所述系统包括：第一用户端u1、第二用户端u2、第一智能反射面irs1、第二智能反射面irs2和中继；其中，u1和u2之间的直接链路被阻挡；中继部署在u1和u2之间，并与u1和u2存在直接链路；irs1和irs2各具有n个反射单元，irs1部署在u1和中继之间，irs2部署在u2和中继之间；u1、u2和中继均配备单个天线；
6.所述方法包括：
7.第一个时隙下，u1以发射功率p1向中继和irs1发射信号x1，u2以发射功率p2向中继和irs2发射信号x2，irs1和irs2分别将其接收到的信号反射给中继；中继对其接收到的叠加信号yr进行放大，并以发射功率pr将放大信号xr以广播方式转发给u1、u2、irs1和irs2；
8.第二个时隙下，u1接收来自中继的放大信号和irs1反射的信号，u2接收来自中继的放大信号和irs2反射的信号；u1和u2分别将其接收到的叠加信号中自身发出的信号进行消除，从而实现u1和u2之间的信息交换。
9.进一步地，所述叠加信号yr表示为：
[0010][0011]
其中，hd为u1和中继间的直接信道，h1为u1和irs1间的信道，h2为irs1和中继间的信道，为h2的共轭转置，θ＝diag(θ1,θ2...,θn)表示irs1上的反射相移矩阵，θn表示irs1上第n个反射单元上的相移；gd为u2和中继间的直接信道，g1为u2和irs2间的信道，g2为irs2和中继间的信道，为g2的共轭转置，表示irs2上的反射相移矩阵，表示irs2上第n个反射单元上的相移，n∈{1,...,n}；nr表示中继处的加性高斯白噪声awgn；
[0012]
所述放大信号xr＝βyr，其中β为放大因子。
[0013]
进一步地，u1和u2分别将其接收到的叠加信号中自身发出的信号进行消除后，u1处接收到的信号为：
[0014][0015]
其中，n1表示u1处的awgn，相应的u1处的可达速率为：
[0016][0017]
u2处接收到的信号为：
[0018][0019]
其中，n2表示u2处的awgn，相应的u2处的可达速率为：
[0020][0021]
所述系统端到端和可达速率r
sum
＝r1 r2；γr表示中继处的信噪比。
[0022]
进一步地，通过改变irs1和irs2上各反射单元的相移，分别调整u1和中继以及u2和中继间的有效信道，以最大化所述系统端到端和可达速率r
sum
；其中，u1和中继间的有效信道为u2和中继间的有效信道为
[0023]
进一步地，所述通过改变irs1和irs2上各反射单元的相移，分别调整u1和中继以及u2和中继间的有效信道，以最大化所述系统端到端和可达速率r
sum
，具体为：
[0024]
s1：以最大化所述系统端到端和可达速率r
sum
为目标，构建所述系统端到端性能优化问题，如下：
[0025][0026]
[0027][0028]
s2：将所述s1中含有两变量的优化问题拆分为两个子问题：对irs1的相移矩阵θ的优化问题和对irs2的相移矩阵φ的优化问题
[0029]
s3：对优化算法涉及的参数进行初始化；
[0030]
s4：给定irs2的相移矩阵φ
t
，对irs1的相移矩阵θ进行优化，得到最优相移矩阵θ
t 1
；
[0031]
s5：利用所述s4中的优化结果，给定irs1的相移矩阵θ
t 1
，对irs2的相移矩阵φ进行优化，得到最优相移矩阵φ
t 1
；
[0032]
s6：计算当前参数设置下，系统端到端和可达速率r
sum
(φ
t 1
,θ
t 1
)；
[0033]
s7：判断r
sum
(φ
t 1
,θ
t 1
)与r
sum
(φ
t
,θ
t
)的差值是否小于门限值，若是，则迭代停止，输出最优相移矩阵θ
t 1
和φ
t 1
；若否，令t＝t 1，并重复s4至s6，t为迭代次数。
[0034]
进一步地，所述通过改变irs1和irs2上各反射单元的相移，分别调整u1和中继以及u2和中继间的有效信道，以最大化所述系统端到端和可达速率r
sum
，具体为：
[0035]
s1＇：以最大化所述系统端到端和可达速率r
sum
为目标，构建所述系统端到端性能优化问题，如下：
[0036][0037][0038][0039]
对优化变量做等价代换，提取主对角线元素，令θ＝(θ1,θ2...,θn)和则所述系统端到端性能优化问题等价为：
[0040][0041][0042][0043]
s2＇：将所述s1＇中含有两变量的优化问题拆分为两个子问题：对irs1的相移向量θ的优化问题和对irs2的相移向量的优化问题
[0044]
s3＇：对优化算法涉及的参数进行初始化；
[0045]
s4＇：给定irs2的相移向量对irs1的相移向量θ进行优化，得到最优相移向量θ
t 1
；
[0046]
s5＇：利用所述s4＇中的优化结果，给定irs1的相移向量θ
t 1
，对irs2的相移向量进
行优化，得到最优相移向量
[0047]
s6＇：计算当前参数设置下，系统端到端和可达速率
[0048]
s7＇：判断与的差值是否小于门限值，若是，则迭代停止，输出最优相移向量θ
t 1
和若否，令t＝t 1，并重复s4＇至s6＇，t为迭代次数。
[0049]
进一步地，所述优化算法为黎曼流形优化算法。
[0050]
总体而言，本发明方法与现有的技术方案相比，能够取得下列有益效果：
[0051]
(1)本发明提出的基于irs辅助的双向中继通信系统，包括两个单天线用户端、两个具备多个独立反射单元的智能反射面以及一个单天线放大转发中继，其中智能反射面用以辅助其相邻用户端与中继间的通信，中继用以接收来自两用户端的信号并进行放大转发，在此基础上两用户端实现双向中继通信，从而有效提高了端到端通信的频谱效率，同时降低了系统能耗。
[0052]
(2)本发明提出的基于irs辅助的双向中继通信系统端到端和可达速率优化算法，通过将原优化问题拆分为两个子问题，并对两个子问题进行交替迭代求解，实现了对系统中的两个irs的联合优化，显著提升系统端到端和可达速率，提高系统通信可靠性。
附图说明
[0053]
图1为本发明实施例提供的基于irs辅助的双向中继通信系统结构示意图；
[0054]
图2为本发明实施例提供的基于irs辅助的双向中继通信系统端到端和可达速率优化算法流程图；
[0055]
图3为本发明实施例提供的不同的反射单元个数条件下发射功率-系统和可达速率仿真图；
[0056]
图4为本发明实施例提供的不同相移设置条件下发射功率-系统和可达速率仿真图；
[0057]
图5为本发明实施例提供的不同相移设置条件下信号传输的两时隙之间的功率分配系数-系统和可达速率仿真图。
具体实施方式
[0058]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0059]
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0060]
如图1所示，为本发明实施例提供的基于irs辅助的双向中继通信系统结构示意图，该系统包括两个单天线用户端u1和u2，一个单天线放大转发中继r，两个各具有n个反射单元的irs。本发明中假设u1和u2之间相隔较远或被障碍物阻挡，故认为u1和u2之间不存在直接通信链路，由此需要借助中继节点转发信息；中继r部署在两用户之间，用以转发用户
端信息，中继与用户端间存在直接链路；irs1和irs2分别用以辅助其各自相邻的用户端与中继间的通信，其中irs1用以辅助u1和r之间的通信，irs2用以辅助u2和r之间的通信，两个irs部署在其所服务的用户端与中继r之间。
[0061]
具体的，u1和中继之间的直接信道表示为hd，u2和中继间的直接信道表示为gd，u1和irs1间的信道表示为h1，irs1和中继间的信道表示为h2，u2和irs2间的信道表示为g1，irs2和中继间的信道g2。irs与用户端和中继之间均存在视距链路，故irs和用户端之间的信道，irs和中继之间的信道服从莱斯分布：
[0062][0063][0064]
其中，和表示确定性的视距分量，和表示非视距分量，d
hi
和d
gi
表示下标对应信道的距离；α
hi
和α
gi
表示下标对应信道的路径损耗指数；k
hi
和k
gi
为下标对应信道的莱斯因子值，其中i∈{1,2}。
[0065]
具体的，用户端与中继之间不存在视距链路，故用户端和中继之间的信道服从瑞利分布，表示为和其中，d
hd
和d
gd
表示下标对应信道的距离；α
hd
和α
gd
表示对应信道的路径损耗指数。
[0066]
具体的，irs上的每个反射单元可以独立地实现对入射信号的相移的调整，通过改变两个irs上的相移，能够进一步调整用户端和中继之间的有效信道。irs1上的反射相移矩阵表示为θ＝diag(θ1,θ2...,θn)，θn为相移矩阵θ主对角线元素，表示irs1上第n个反射单元上的相移；irs2上的反射相移矩阵表示为元上的相移；irs2上的反射相移矩阵表示为为相移矩阵φ主对角线元素，表示irs2上第n个反射单元上的相移。
[0067]
进一步的，本发明实施例还提供了一种基于智能反射面辅助的双向中继通信方法，应用于图1所示的系统，该方法包括一下步骤：
[0068]
s1：第一个时隙下，u1以发射功率p1向中继和irs1发射信号x1，其中irs1将其接收到的信号反射给中继；u2以发射功率p2向中继和irs2发射信号x2，其中irs2将其接收到的信号反射给中继；
[0069]
s2：中继接收到来自u1和u2直接链路的信号，同时接收到来自irs1和irs2所反射的信号，中继所接收到的叠加信号yr表示为：
[0070][0071]
其中，nr表示中继r处的加性高斯白噪声(additive white gaussian noise,awgn)。
[0072]
进一步的，中继r将其所接收到的信号进行放大，得到放大信号xr＝βyr，其中β为放大因子，中继进一步以发射功率pr将放大信号xr以广播方式转发给两个用户端和两个irs；
[0073]
s3：第二个时隙下，u1和u2分别接收到来自中继的放大信号和来自其各自附近的
irs所反射的信号，通过自干扰消除技术，在用户端将所接收到的叠加信号中自身发出的信号进行消除，进一步得到其所需的来自对方用户的信号，实现两个用户之间的信息交换。
[0074]
具体的，利用自干扰消除后，用户u1处接收到的信号为：
[0075][0076]
其中，n1表示用户u1处的awgn，相应的u1处的可达速率为:
[0077][0078]
利用自干扰消除后，用户u2处接收到的信号为：
[0079][0080]
其中，n2表示用户u2处的awgn，相应的u2处的可达速率为:
[0081][0082]
进一步的，可得到系统端到端和可达速率r
sum
，其值为u1处的可达速率r1与u2处的可达速率r2之和，即r
sum
＝r1 r2。
[0083]
如图2所示，为最大化系统端到端和可达速率，本发明提供了一种基于irs辅助的双向中继通信系统端到端和可达速率优化算法，对系统中两个irs的相移进行优化，包括步骤s21至s27：
[0084]
s21：以最大化系统端到端和可达速率为目标，构建所述系统端到端性能优化问题，如下：
[0085][0086][0087][0088]
其中，约束条件表示两个irs上的每一个反射单元的相移模量均为1，进一步的，对优化变量做等价代换，提取主对角线元素，令θ＝(θ1,θ2...,θn)和则优化问题等价为：
[0089][0090][0091][0092]
s22：将所述步骤s21中含有两变量的优化问题拆分为两个子问题，即子问题1，对
irs1的相移向量θ的优化问题子问题2，对irs2的相移向量优化问题
[0093]
s23：设定所述优化算法的初始参数，包括优化变量的初始值和θ0、迭代停止时的门限值ε、初始迭代次数t＝0以及初始的端到端和速率
[0094]
s24：给定irs2的相移向量值对irs1的相移θ进行优化，使用黎曼流形优化算法求解子问题1，得到子问题1的最优相移值θ
t 1
，其过程为在约束条件所构成的黎曼流形空间下进行梯度下降，过程如下：
[0095]
s241：计算子问题1的目标函数r
sum
(θ)的欧式梯度
[0096]
s242：计算子问题1的目标函数r
sum
(θ)的黎曼梯度gradr
sum
(θ)，为欧式梯度在黎曼流形的正切空间下的投影；
[0097]
s243：确定正切空间下的下降方向d，按负黎曼梯度方向更新，确定下一目标点；
[0098]
s244：将正切空间上的目标点回溯至黎曼流形空间，即找到黎曼流形空间下的下一目标位置；
[0099]
s245：重复s241-s244，直至子问题1目标函数r
sum
(θ)收敛，由此得到子问题1的最优相移值θ
t 1
；
[0100]
s25：利用所述步骤s24中的优化结果，给定irs1的相移值θ
t 1
，对irs2的相移进行优化，使用黎曼流形优化算法求解子问题2，其过程与s24中的s241-s245步骤类似，即将目标函数变为得到子问题2的最优相移值
[0101]
s26：计算当前参数设置下，系统端到端和速率
[0102]
s27：判断优化问题的目标函数与上一次优化结果的差值是否小于门限值ε，若大于门限值，则所得相移θ和结果作为下一次迭代初始值，重复步骤s24至s26，同时迭代次数增加一次t＝t 1；若小于门限值，则迭代停止，输出此时的irs1相移θ
*
和irs2相移作为最优相移。
[0103]
如图3所示，设置两个irs上的反射单元个数n均为16、32和64条件下的发射功率p-系统和可达速率r
sum
仿真图，其中p＝p1＝p2＝pr。此时irs相移设置利用相位对齐得到，定义为基准条件，设置irs1相移，使得irs1级联信道h1和h2与用户u1-中继r直接链路信道hd相位对齐，得到每一个反射单元的相移：θn＝arg(hd)-arg([h1]n[h2]n)；同理，设置irs2相移，使得irs2级联信道g1和g2与用户u2-中继r直接链路信道gd相位对齐，得到每一个反射单元的相移：观察图3可得，随着发射功率p的增加或随着irs上反射单元个数n增加，系统和速率相应增加。这是由于增加发射功率，或增加irs上反射单元个数，使得发射端的更多信号能量在接收端被接收或被irs反射。
[0104]
图4为不同相移设置条件下发射功率p-系统和速率r
sum
仿真图。设置两个irs反射单元个数均为32，观察图4可得，相比于基准条件，随机设置irs相移条件，和没有irs部署的条件，在同样的发射功率条件下，本发明所提供的基于智能反射面辅助的双向中继通信系统端到端和速率优化算法，能够使系统端到端和速率最大。这是由于使用交替迭代优化算法，实现了对两个irs上相移的联合优化，因此能够有效提高系统端到端和速率。进一步可得到，在双向中继系统中部署irs能够有效提高系统性能，在相同发射功率条件下，达到更优的效果，这是因为通过irs辅助通信，改善了无线传播环境，使得接收端能够接收到高质量的信号。
[0105]
图5为不同相移设置条件下信号传输的两时隙之间的功率分配系数α-系统和速率r
sum
仿真图。设置系统总发射功率为p
t
＝p1 p2 pr，令pr＝αp
t
，则进一步有由图5可得，当功率分配系数设置为0.5时，系统和可达速率达到最大值，进一步表明对两时隙下的功率进行合理分配可提高系统端到端和速率。
[0106]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。