CN112272384A - 一种基于可重构智能表面的通信***吞吐量优化方法 - Google Patents
一种基于可重构智能表面的通信***吞吐量优化方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于可重构智能表面的通信***吞吐量优化方法,包括以下步骤:S1:构建以最大化***吞吐量为目标函数的优化问题P1;S2:将优化问题P1转化为迭代优化问题P2;S3:初始化迭代优化参数;S4:求解迭代优化问题P2,得到优化结果;S5:根据优化结果判断***吞吐量是否达到最大化。本发明提供一种基于可重构智能表面的通信***吞吐量优化方法,解决了目前在较长的距离传输中,基站与用户之间存在障碍物时用户不能有效收集到基站传输的能量,导致***吞吐量性能降低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信优化技术领域,更具体的,涉及一种基于可重构智能表面的通信***吞吐量优化方法。
背景技术
可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface,RIS)是一种在无线网络中实现无线电信号传输的智能技术。智能表面是由大量低成本无源反射元件组成的平面阵列,可以无源反射入射电磁波,同时改变其振幅和相移。
随着物联网(Internet-of-Things,IoT)时代的到来,为了满足现代网络不断增长的设备能耗,无线供电通信网络中的主要技术挑战是长距离的低功率传输效率。但是目前在较长的距离传输中,基站与用户之间存在障碍物时用户不能有效收集到基站传输的能量,导致***吞吐量性能降低。
现有技术中,如2018年01月23日公开的中国专利,一种基于无源通信***的上行链路吞吐量优化方法,公开号为CN107623559A,从物理层和MAC层两个方面结合起来提升无源通信***的上行链路吞吐量,但不适用于提高长距离传输的吞吐量。
发明内容
本发明为克服目前在较长的距离传输中,基站与用户之间存在障碍物时用户不能有效收集到基站传输的能量,导致***吞吐量性能降低的技术缺陷,提供一种基于可重构智能表面的通信***吞吐量优化方法。
为解决上述技术问题,本发明的技术方案如下:
一种基于可重构智能表面的通信***吞吐量优化方法,包括以下步骤:
S1:构建以最大化***吞吐量为目标函数的优化问题P1;
S2:将优化问题P1转化为迭代优化问题P2;
S3:初始化迭代优化参数;
S4:求解迭代优化问题P2,得到优化结果;
S5:根据优化结果判断***吞吐量是否达到最大化;
若是,则得到***最大吞吐量;
否则,根据优化结果更新迭代优化参数并返回步骤S4,进行下一次迭代优化。
优选的,设通信***中一共有个用户,被分为K簇,每一簇都有Mk个用户,k∈T={1,...,K},T为簇序号集合;所有用户和基站都配备单个天线,障碍物存在于用户和基站的中间,导致用户和基站的直接链路被阻挡,用户和基站之间的通信通过RIS来辅助实现,RIS具有N个反射元件;
用户uk,m获得的能量Ek,m为:
其中,uk,m表示第k簇的第m个用户,m∈Ω={1,...,Mk},Ω为用户序号集合,η表示能量转换效率,P0是基站的发射功率,gk,m表示从RIS到用户uk,m传输能量的信道, 表示N×1维度的复值矩阵的集合,H表示共轭转置,Φ0=diag(φ1,0,...,φN,0)是下行时隙τ0的RIS反射系数矩阵,φ1,0,...,φN,0均为RIS反射系数矩阵例的元素,gBS表示基站与RIS之间传输能量的信道,
上行链路信息传输期间每个用户的发射功率为:
其中,Pk,m代表用户uk,m的发射功率,τk代表第k簇用户的上行信息的传输时间;
根据NOMA协议,基站使用连续干扰消除来解码每个用户群的信息,即当解码第k簇的用户信息时,为了检测第m个用户的消息,基站首先解码第i个用户的消息,然后从接收的消息中移除该消息,则其它用户的信号则视为干扰信号;基站接收的第k簇用户的信号yk为
其中,hBS表示从RIS到基站传输信息的反射信道,hk,m表示从用户uk,m到IRS传输信息的信道,Φk=diag(φ1,k,...,φN,k)是下行时隙τk的RIS反射系数矩阵,φ1,k,...,φN,k均为RIS反射系数矩阵例的元素,sk,m表示用户uk,m的传输数据符号,其均值为0和方差为1;nk表示零均值和方差σ2的加性噪声;
第k簇中第m个用户的可实现吞吐量Rk,m为:
其中,Pk,i代表用户uk,i的发射功率,hk,i表示从用户uk,i到IRS传输信息的信道;
综上,***总吞吐量R由下式给出:
因此,在步骤S1中,优化问题P1为:
|φn,0|=1,n∈N
|φn,k|=1,n∈N
τ0≥0,τk≥0,k∈T;
其中,Ttotal为总时间。
所述迭代优化问题P2为:
|wn,0|=1,n=1,...,N
τ0≥0,τk≥0,k∈T。
优选的,在步骤S4求解迭代优化问题P2之前,还包括将迭代优化问题P2分解为子问题P6和子问题P7;其中,
子问题P6为:
s.t.|wn,0|≤1,n=1,...,N
子问题P7为:
τ0≥0,τk≥0,k∈T;
优选的,根据迭代优化问题P2得到子问题P6的步骤为:
A1:将迭代优化问题P2转换为子问题P3,所述子问题P3为:
s.t.|wn,0|=1,n=1,...,N
A2:构建与子问题P3等价的子问题P4,所述子问题P4为:
s.t|wn,0|≤1,n=1,...,N
A3:通过引入松弛变量bk,m、ck,m,将子问题P4简化为子问题P5,所述子问题P5为:
s.t.|wn,0|≤1,n=1,...,N
A4:构建得到与子问题P5等价的子问题P6。
优选的,在求解子问题P6之前,还包括将子问题P6分解为子问题P6.1和子问题P6.2;其中,
子问题P6.1为:
s.t.|wn,0|≤1,n=1,...,N
子问题P6.2为:
优选的,在步骤S4中,通过以下步骤求解迭代优化问题P2得到优化结果:
优选的,在步骤S5中,
否则,判断***吞吐量未达到最大化。
与现有技术相比,本发明技术方案的有益效果是:
本发明提供了一种基于可重构智能表面的通信***吞吐量优化方法,使用可重构智能表面重新调整基站与用户之间的信道,创建新的反射链路支持基站与用户之间的通信,通过优化求解以最大化***吞吐量为目标函数的优化问题,实现对通信***吞吐量的优化,提高通信***的能量效率和吞吐量性能。
附图说明
图1为本发明的技术方案实施步骤流程图;
图2为本发明中通信***的应用示意图;
图3为本发明中通信***的时隙与下行能量传输、上行信息传输之间的关系示意图;
图4为本发明中RIS反射元件数量对通信***吞吐量性能的影响示意图;
图5为本发明中通信***吞吐量随用户与RIS的距离变化的趋势示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制;
为了更好说明本实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;
对于本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示,一种基于可重构智能表面的通信***吞吐量优化方法,包括以下步骤:
S1:构建以最大化***吞吐量为目标函数的优化问题P1;
S2:将优化问题P1转化为迭代优化问题P2;
S3:初始化迭代优化参数;
S4:求解迭代优化问题P2,得到优化结果;
S5:根据优化结果判断***吞吐量是否达到最大化;
若是,则得到***最大吞吐量;
否则,根据优化结果更新迭代优化参数并返回步骤S4,进行下一次迭代优化。
更具体的,如图2-3所示,设通信***中一共有个用户,被分为K簇,每一簇都有Mk个用户,k∈T={1,...,K},T为簇序号集合;所有用户和基站都配备单个天线,障碍物存在于用户和基站的中间,导致用户和基站的直接链路被阻挡,用户和基站之间的通信通过RIS(可重构智能表面,reconfigurable intelligent surface)来辅助实现,RIS具有N个反射元件;
用户uk,m获得的能量Ek,m为:
其中,uk,m表示第k簇的第m个用户,m∈Ω={1,...,Mk},Ω为用户序号集合,η表示能量转换效率,P0是基站的发射功率,gk,m表示从RIS到用户uk,m传输能量的信道, 表示N×1维度的复值矩阵的集合,H表示共轭转置,Φ0=diag(φ1,0,...,φN,0)是下行时隙τ0的RIS反射系数矩阵,φ1,0,...,φN,0均为RIS反射系数矩阵例的元素,gBS表示基站与RIS之间传输能量的信道,
上行链路信息传输期间每个用户的发射功率为:
其中,Pk,m代表用户uk,m的发射功率,τk代表第k簇用户的上行信息的传输时间;
根据NOMA协议,基站使用连续干扰消除来解码每个用户群的信息,即当解码第k簇的用户信息时,为了检测第m个用户的消息,基站首先解码第i个用户的消息,然后从接收的消息中移除该消息,则其它用户的信号则视为干扰信号;基站接收的第k簇用户的信号yk为
其中,hBS表示从RIS到基站传输信息的反射信道,hk,m表示从用户uk,m到IRS传输信息的信道,Φk=diag(φ1,k,...,φN,k)是下行时隙τk的RIS反射系数矩阵,φ1,k,...,φN,k均为RIS反射系数矩阵例的元素,sk,m表示用户uk,m的传输数据符号,其均值为0和方差为1;nk表示零均值和方差σ2的加性噪声;
第k簇中第m个用户的可实现吞吐量Rk,m为:
其中,Pk,i代表用户uk,i的发射功率,hk,i表示从用户uk,i到IRS传输信息的信道;
综上,***总吞吐量R由下式给出:
因此,在步骤S1中,优化问题P1为:
|φn,0|=1,n∈N (8)
|φn,k|=1,n∈N (9)
τ0≥0,τk≥0,k∈T (10)
其中,Ttotal为总时间。
在具体实施过程中,通信***包括基站、用户、障碍物和RIS,通信***的工作被分成两个部分,其中包括下行传输能量和上行传输信息。通过优化上行信息传输时间、下行能量传输时间以及不同时隙中RIS的反射系数来最大化***吞吐量。(7)是总时间约束。由于优化问题P1的目标函数是非凹的,约束(8)和(9)都是非凸的约束,使得优化问题P1难以求解。
所述迭代优化问题P2为:
|wn,0|=1,n=1,...,N (13)
τ0≥0,τk≥0,k∈T (15)。
在具体实施过程中,从问题P2看出,约束(12)和(15)只包含变量τ0、τk;约束(13)只包含变量w0,约束(14)只包含变量wk,因此我们可以通过交替优化τ0、τk和w0、wk来解决问题P2。
更具体的,在步骤S4求解迭代优化问题P2之前,还包括将迭代优化问题P2分解为子问题P6和子问题P7;其中,
子问题P6为:
s.t.|wn,0|≤1,n=1,...,N(17)
子问题P7为:
τ0≥0,τk≥0,k∈T(23);
在具体实施过程中,通过迭代求解子问题P6和子问题P7来求解迭代优化问题P2。子问题P7的目标函数是关于τ0、τk的联合凹函数,约束(22)和(23)都是凸约束,所以子问题P7是标准的凸优化问题,可以使用内点法或者通过标准的凸优化问题求解器如CVX工具箱有效地解决。
更具体的,根据迭代优化问题P2得到子问题P6的步骤为:
A1:将迭代优化问题P2转换为子问题P3,所述子问题P3为:
s.t.|wn,0|=1,n=1,...,N (25)
A2:构建与子问题P3等价的子问题P4,所述子问题P4为:
s.t|wn,0|≤1,n=1,...,N (28)
A3:通过引入松弛变量bk,m、ck,m,将子问题P4简化为子问题P5,所述子问题P5为:
s.t.|wn,0|≤1,n=1,...,N (31)
A4:构建得到与子问题P5等价的子问题P6。
在具体实施过程中,子问题P3为用给定的时隙τ0、τk优化w0、wk。
通过将子问题P3的约束(25)和(26)松弛为不等式约束从而构建与子问题P3等价的子问题P4。通过以下数学证明松弛后的子问题P4和子问题P3是等价的:
1≤L≤N,假设有向量α=[α1,...,αL,I1×(N-L)]T,βk=[β1,k,...,βL,k,I1×(N-L)]T,I1×x表示1×x维度元素全为1的向量,其中假设存在一组可行解 且满足我们可以推导出以下不等式:
可以由上面的讨论中得出:
因此,子问题P5可以等价为子问题P6。
更具体的,在求解子问题P6之前,还包括将子问题P6分解为子问题P6.1和子问题P6.2;其中,
子问题P6.1为:
s.t.|wn,0|≤1,n=1,...,N (36)
子问题P6.2为:
在具体实施过程中,由于子问题P6的目标函数仍然不是bk,m,ck,m联合凹函数,所以需要将问题P6分成两个子问题求解。子问题P6.1和P6.2分别是w0,bk,m和wk,ck,m的凸优化问题,可以通过标准的凸优化问题求解器如CVX工具箱有效地解决。
更具体的,在步骤S4中,通过以下步骤求解迭代优化问题P2得到优化结果:
更具体的,在步骤S5中,
否则,判断***吞吐量未达到最大化。
在本实施例中,通过采用本发明中所述的一种基于可重构智能表面的通信***吞吐量优化方法进行实验,得到如图4和图5所示的数据,从图中可以看出,本发明中所述的一种基于可重构智能表面的通信***吞吐量优化方法与其他优化方法相比,***的吞吐量性能得到提高,并且当反射元件数量增大时,***的吞吐量也随着增大。其中,Optimized RISfor different durations w/TA表示优化时隙和每个时隙的不同的RIS反射矩阵;Optimized RIS for all durations w/TA表示优化每一段时隙和多时隙中优化相同的RIS反射矩阵;Optimized RIS for different durations w/oTA表示时隙固定,只优化每个时隙不同的RIS反射矩阵;Optimized RIS forall durations w/oTA表示时隙固定,只优化每个时隙中的相同的RIS反射矩阵;Random RIS w/TA表示优化每段时隙,RIS的相移为随机相移;Random RIS w/oTA表示时隙固定,RIS的相移位随机相移。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于可重构智能表面的通信***吞吐量优化方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:构建以最大化***吞吐量为目标函数的优化问题P1;
S2:将优化问题P1转化为迭代优化问题P2;
S3:初始化迭代优化参数;
S4:求解迭代优化问题P2,得到优化结果;
S5:根据优化结果判断***吞吐量是否达到最大化;
若是,则得到***最大吞吐量;
否则,根据优化结果更新迭代优化参数并返回步骤S4,进行下一次迭代优化。
2.根据权利要求1所述的一种基于可重构智能表面的通信***吞吐量优化方法,其特征在于,设通信***中一共有个用户,被分为K簇,每一簇都有Mk个用户,k∈T={1,...,K},T为簇序号集合;所有用户和基站都配备单个天线,障碍物存在于用户和基站的中间,导致用户和基站的直接链路被阻挡,用户和基站之间的通信通过RIS来辅助实现,RIS具有N个反射元件;
用户uk,m获得的能量Ek,m为:
其中,uk,m表示第k簇的第m个用户,m∈Ω={1,...,Mk},Ω为用户序号集合,η表示能量转换效率,P0是基站的发射功率,gk,m表示从RIS到用户uk,m传输能量的信道, 表示N×1维度的复值矩阵的集合,H表示共轭转置,Φ0=diag(φ1,0,...,φN,0)是下行时隙τ0的RIS反射系数矩阵,φ1,0,...,φN,0均为RIS反射系数矩阵例的元素,gBS表示基站与RIS之间传输能量的信道,
上行链路信息传输期间每个用户的发射功率为:
其中,Pk,m代表用户uk,m的发射功率,τk代表第k簇用户的上行信息的传输时间;
根据NOMA协议,基站使用连续干扰消除来解码每个用户群的信息,即当解码第k簇的用户信息时,为了检测第m个用户的消息,基站首先解码第i个用户的消息,然后从接收的消息中移除该消息,则其它用户的信号则视为干扰信号;基站接收的第k簇用户的信号yk为
其中,hBS表示从RIS到基站传输信息的反射信道,hk,m表示从用户uk,m到IRS传输信息的信道,Φk=diag(φ1,k,...,φN,k)是下行时隙τk的RIS反射系数矩阵,φ1,k,...,φN,k均为RIS反射系数矩阵例的元素,sk,m表示用户uk,m的传输数据符号,其均值为0和方差为1;nk表示零均值和方差σ2的加性噪声;
第k簇中第m个用户的可实现吞吐量Rk,m为:
其中,Pk,i代表用户uk,i的发射功率,hk,i表示从用户uk,i到IRS传输信息的信道;
综上,***总吞吐量R由下式给出:
因此,在步骤S1中,优化问题P1为:
|φn,0|=1,n∈N
|φn,k|=1,n∈N
τ0≥0,τk≥0,k∈T;
其中,Ttotal为总时间。
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