CN114665938A - 多用户ris预编码方法、装置、计算机设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多用户RIS预编码方法、装置、计算机设备及存储介质,步骤如下:基站通过智能反射面(RIS)反射信号给用户,考虑数字/模拟结构基站和无限/有限分辨率RIS,构建基于发送信号矩阵及RIS反射矩阵优化的多用户干扰能量的最小化问题,同时保证总功率受限;给定发送信号矩阵初始值,利用梯度投影算法更新发送信号矩阵,通过Karush‑Kuhn‑Tucker条件求解发送信号矩阵闭合解;基于更新的发送信号矩阵,利用梯度投影算法再次更新反射矩阵;若目标函数值未达到收敛条件,则继续交替迭代更新发送信号矩阵以及反射矩阵,同时基于非可和下降规则来更新迭代步长。本编码方法可有效降低硬件复杂度和保证低功耗。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域,具体涉及一种多用户RIS预编码方法、装置、计算机设备及存储介质。
背景技术
关键任务多用户通信对低功耗、低硬件复杂度、高可靠性等需求迫切。最近,为满足这些苛刻的要求,提出了不同的方法。其中,最重要的是大规模多输入多输出(MIMO)***、毫米波(mm Wave)频段通信和超密集网络。可重构智能表面(以下简称RIS)是一种可以改变传播环境的革命性传输技术,它可以在通信终端之间提供额外的传播路径。RIS由一组无源反射元件组成,通常仅相位反射系数可控。它的实现具有低复杂度/低能耗,不需要射频(RF)链,因此,对于在mm Wave或太赫兹(THz)波段运行的***特别重要。
此外,预编码方法是优化发射信号的关键环节。一般来说,预编码方法分为两大类。块级预编码(BLP)方法采用只依赖于信道状态信息(CSI)的线性预编码器,因此,它们在信道相干时间的基础上进行更新。另外,预编码方法(SLP)是基于CSI面向用户传输的信息符号的非线性预编码器。因此,预编码器必须以符号速率为基础进行更新。对于RIS辅助***,现有的大部分工作通常研究发射端线性预码器的应用以及RIS反射矩阵的设计。近年来,出现了许多在RIS辅助***中SLP设计的成果,比如将干扰利用的概念应用于多用户多输入单输出***的下行链路,设计了多天线基站预编码矩阵和RIS反射矩阵。除此之外,还研究了多用户***下行链路全数字基站***开发的SLP。另一方面,SLP设计适用于基于模拟硬件的基站***,如上所述。由于RIS也主要基于模拟组件,将RIS***与模拟硬件的基站相结合的解决方案将显示出较低的实现复杂性,并且在能耗方面也有显著收益。此外,有些文献中的技术考虑了基于无限分辨率相移元素的RIS。在已有的开放文献中,基于有限分辨率相移元素的实用SLP设计仍然没有。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的上述缺陷,公开了一种面向多用户RIS预编码方法、装置、计算机设备及存储介质。该方法步骤如下:基站通过智能反射面(RIS)反射信号给用户,考虑数字/模拟结构基站和无限/有限分辨率RIS,构建基于发送信号矩阵以及RIS反射矩阵优化的多用户干扰能量的最小化问题,同时保证总功率受限;给定发送信号矩阵初始值,利用梯度投影算法更新发送信号矩阵,通过Karush-Kuhn-Tucker条件求解发送信号矩阵闭合解;基于更新的发送信号矩阵,利用梯度投影算法再次更新反射矩阵;若目标函数值未达到收敛条件,则继续交替迭代更新发送信号矩阵以及反射矩阵,同时基于非可和下降规则来更新迭代步长。本发明所提供预编码方法可有效降低硬件复杂度和保证低功耗。
本发明的第一个目的在于提供一种面向多用户RIS预编码方法,所述预编码方法的实现步骤如下:
S1、基站通过智能反射面反射信号给用户,考虑数字/模拟结构基站和无限/有限分辨率智能反射面,构建多用户干扰能量的最小化问题,同时保证总功率受限,即,其中,智能反射面以下简称RIS,表示时隙内的发送信号矩阵,表示T×N维的复空间,X=[x1,…,xN],表示基站在时隙n发送的信号矢量,T为基站均匀平面天线阵列单元数,N为总时隙数,Pmax表示总发射功率,Ω表示RIS的L×L维反射矩阵,L表示RIS的反射单元数, 分别表示基站与M个单天线用户终端、基站与RIS、和RIS与M个用户终端之间的通道矩阵,S=[s1,…,sN]表示从基站到用户终端的期望信号,反射矩阵的对角元素ωi,j必须位于单位模复矩阵集合中,即
S2、给定反射矩阵Ω的第k次迭代值Ωk,最优发送信号矩阵X,采用梯度投影算法更新X,其中发送信号矩阵的第k次迭代值为
其中,Ak=(H+G2ΩkG1);
S3、给定第k次迭代的最优发送信号矩阵Xk+1,RIS的最优反射矩阵Ωk更新表达式为
S4、基于发送信号矩阵以及反射矩阵的第k次迭代值,设计迭代步长μk,采用非可和的步长递减规律,即,其中,γk≥0, 表示关于发送信号矩阵X的第k次迭代梯度矩阵,表示关于反射矩阵Ω的第k次迭代梯度矩阵;
S5、迭代收敛模块,给定收敛的最大门限ε,若前后两次迭代值满足收敛条件||(Xk+1,Ωk+1)-(Xk,Ωk)||≤ε,则停止迭代,反之,则返回步骤S2继续交替迭代优化发送信号矩阵以及反射矩阵,其中(Xk,Ωk)为分块矩阵,符号|| ||表示求矩阵范数。
进一步地,所述步骤S2中求解发送信号矩阵闭合解的过程如下:
S202、通过Karush-Kuhn-Tucker条件求解发送信号矩阵闭合解为
进一步地,所述步骤S3求解反射矩阵最优值的过程如下:
S302、通过Karush-Kuhn-Tucker条件,反射矩阵对角向量ω的第k次迭代表达式可以表示为
本发明的第二个目的在于提供了一种面向多用户RIS预编码通信装置,所述预编码装置包括:
预编码构建模块,用于引入智能反射面,基站通过反射发射信号给单天线用户终端,优化发送信号矩阵和RIS反射矩阵改善信号接收质量,构建多用户干扰能量的最小化问题,即
|ωi,i|=1,1≤i≤L
其中,表示时隙内的发送信号矩阵,表示T×N维的复空间,X=[x1,...,xN],表示基站在时隙n发送的信号矢量,T为基站均匀平面天线阵列单元数,Pmax表示总发射功率,Ω表示RIS的L×L维反射矩阵,L表示RIS的反射单元数,分别表示基站与M个单天线用户终端、基站与RIS、和RIS与M个用户终端之间的通道矩阵,S=[s1,…,sN]表示从基站到用户终端的期望信号,反射矩阵的对角元素ωi,j必须位于单位模复矩阵集合中,即
发送信号矩阵模块,用于给定反射矩阵Ω的第k次迭代值Ωk,迭代优化发送信号矩阵X,其中发送信号矩阵的第k次迭代值为
其中,Ak=(H+G2ΩkG1);
RIS反射矩阵模块,给定第k次迭代的最优发送信号矩阵Xk+1,优化RIS反射矩阵Ω,其中反射矩阵的第k次迭代值为
迭代收敛模块,给定收敛的最大门限ε,若前后两次迭代值满足收敛条件||(Xk+1,Ωk+1)-(Xk,Ωk)||≤ε,则停止迭代,反之,则返回发送信号矩阵模块继续交替迭代优化发送信号矩阵以及反射矩阵,其中(Xk,Ωk)为分块矩阵,符号|| ||表示求矩阵范数。
本发明的第三个目的在于提供了一种计算机设备,包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器,所述处理器执行存储器存储的程序时,实现多用户RIS预编码方法。
本发明的第四个目的在于提供一种存储介质,存储有程序,所述程序被处理器执行时,实现多用户RIS预编码方法。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
1、不同于现有的方法,本发明基于多用户干扰最小化准则,提出了一种新的预编码方法,与没有RIS辅助的***相比,所提出的方法在性能上具有明显增益。
2、与数字基站体系结构相比,模拟基站结构可以进一步提高能源效率,进而降低功耗。
3、利用梯度投影和循环坐标下降算法求解基于无限分辨率/有限分辨率相移元素的RIS和数字/模拟基站***的优化设计天然适用于低功耗、低硬件复杂度的多用户通信。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中面向多用户RIS预编码方法的实施流程图***模型;
图2是本发明实施例1中面向多用户RIS预编码方法的***模型示意图;
图3是本发明实施例1中所提算法在不同情况下的能量效率最优值的对比图;
图4是本发明实施例2中面向多用户RIS预编码方法的结构框图;
图5是本发明实施例3中计算机设备的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1:
为便于说明本实施例,首先进行以下符号的定义:粗体大写和小写字母分别用于表示矩阵和向量;和分别是复数域和实数域;|·|表示复数的模;表示对变量x的梯度;是期望算子;||·||2和||·||F分别表示l2范数和Frobenius范数。(·)H和(·)T分别表示厄密特向量/矩阵和向量/矩阵的转置。vec(·)是向量化操作符;当将diag(·)应用于一个矩阵时,它将以向量的形式检索其对角线项,当应用于向量时,它将创建一个将向量的项置于其对角线中的对角线矩阵;是矩阵A和矩阵B的克罗内克积。
(一)***模型与性能指标
考虑一个***的下行链路,该***由一个具有T=Tv×Th个均匀平面阵列单元(UPA)的基站构成,同时为M个单天线用户终端(UT)服务,除此之外,该***还由一个具有L=Lv×Lh个反射单元的RIS辅助,反射元件的相位可以通过连接到基站的控制器来设置。
***的基站考虑两种体系结构,第一个是常规的全数字结构,每个阵列单元需要一个射频(RF)链。第二个是仅基于模拟元件,因此,不需要基带处理,它由简单的相移器(PS)模块实现,该模块驱动发射器天线阵列单元,并由一个可变增益放大器(VGA)调整输出信号的模量,本发明考虑了无限和有限分辨率PS的情况,
Y=(H+G2ΩG1)X+Z (1)
其中,是UT处接收的信号矩阵,分别表示基站与M个单天线用户终端、基站与RIS、和RIS与M个UT之间的信道矩阵,Ω表示RIS的L×L维发射矩阵,表示加性高斯白噪声,它会破坏相应的传输,在此发明中,我们考虑了无限和有限分辨率相移单元的情况。
对于全数字基站结构的情况,由于总发射功率的限制,X的每一列向量xn,1≤n≤N必须满足此外,对于模拟基站结构的情况,发射矩阵可以分解为X=UQ,其中T×N维矩阵U=[u1,…,uN]包含每个时隙发射的矢量信号,1≤n≤N,un是一个T×1维的单位模向量,N×N维对角矩阵Q包含VGA为每个时隙设置的天线单元的公共模数,Q的每个对角线项必须满足|ql,l|2≤Pmax/T才能满足上式的总发射功率约束,注意,标量变量q(l,l)被假设在复数域中,而不损失一般性,因为同相位分量可能被PS吸收,
信道矩阵建模如下:
其中,d0,d1,d2分别表示基站和UT,基站和RIS,RIS和UT之间的距离,r表示衰减因子,K0,K1,K2是瑞利分布K因子,为可视路线元素,为随机散射/非视距分量,建模为零均值和单位方差的复高斯变量。
信道的确定性分量由以下公式给出:
其中,θBS,φBS分别表示与基站的垂直(AOA)和水平偏离角(AoD),θRISA,φRISA表示距离RIS的垂直和水平角度,θRISD,φRISD表示从RIS出发的垂直和水平角度(AoD),对于A=Av×Ah维UPA阵列响应a(θ,φ,Av,Ah)定义为:
θ∈(0,π)/φ∈(-π/2,π/2)分别为垂直/水平AOA/AOD,且av(θ,Av)和ah(θ,φ,Ah)定义为:
信道的随机分量可以写为:
其中,H′∈CM×T,G′1∈CL×T,G′2∈CM×L服从独立同分布,为零均值单位方差的复高斯矩阵;RBS和RRIS分别表示基站和RIS处的相关矩阵。对于所考虑的基于UPA的BS和RIS***,上述相关矩阵可近似为:
其中,RBS,h,RRIS,h和RBS,v,RRIS,v分别是水平域和垂直域的相关矩阵,对于这样的相关矩阵(水平域或垂直域)R,采用已知的指数模型,根据该矩阵R的第(i,j)项,ri,j可以表示为:
其中,0≤ρ<1,且θ为相应的水平或垂直AoD/AoA。
本发明主要研究联合基站预编码器和RIS反射矩阵的设计问题。因此,假设基站已知信道矩阵H、G1和G2,
基于上述,***的目标是在第n个符号时间内,期望的符号从基站传输到第m个UT。在每个符号时间内,需要传输到UT的符号矢量表示为考虑到CSI和S=[s1,…,sN],包括在N个符号时间传输给第M个UT的符号,基站的目的是设计一个发射信号矩阵X和反射矩阵Ω,以便在这N个符号时间中,UT的接收信号矩阵Y尽可能接近S。
后者可以通过最小化“多用户干扰(MUI)能量”来实现,其公式为:
第m个UT在第n个符号时间的接收信号可以写为:
对于第m,1≤m≤M个用户,接收信噪比(SINR)定义为:
其中sm,n是S的第(m,n)个元素,分子中的期望算子被应用于sm,n,分母中的期望算子应用于sm,n和Xn。
第m个用户的可达信息率为ξm,因此,通信部分可实现的和速率表示为:
假设符号sm,n,1≤m≤M,1≤n≤N来自同一个星座集合并且具有固定能量,除此之外,信号功率也是固定的,因此,通过最小化MUI能量,可以使每个用户的SINR最大化,从通信部分可实现的和速率可以直接看出,通过最大化UT的SINR,它们的可实现和速率也会最大化,
也就是说,MUI能量最小化是优化***速率性能的合适准则。
本发明指出,要传输的信号是以块为基础设计的,也就是说,对于N个符号时间(矩阵X)。将所需符号传递给预定UT的最佳发射信号是直接通过最小化MUI的最小二乘函数来设计。也就是说,发射信号矩阵X是以非线性方式得出的,不需要线性预编码器。
(二)问题公式化
在本节中,制定了四个优化问题,共同优化最优发射信号矩阵X和反射矩阵Ω。这些问题是基于MUI代价函数式(15)定义的,与所采用的***架构(图2)和所采用的移相网络类型(无限或有限相位分辨率)相关的约束集不同。
A.数字结构基站和无限分辨率RIS
|ωi,i|=1,1≤i≤L
B.模拟结构基站与无限分辨率PS和无限分辨率RIS
|ωi,i|=1,1≤i≤L
|ql,l|2≤Pmax/T,1≤i≤L.
C.数字结构基站和有限分辨率RIS
其中,RIS中的相移元素假定为b比特分辨率。
D.模拟结构基站与有限分辨率PS和有限分辨率RIS
s.t.
|ql,l|2≤Pmax/T,1≤i≤L
(三)解决方案
A、数字结构基站和无限分辨率RIS
从问题P1开始,一般来说,这是一个很难解决的问题,没有已知的解决方案。为此,每次只优化一个变量,其他变量保持固定。这种方法避免了对X和Ω变量进行联合优化,因为这两个变量会使推导过程变得非常复杂。采用梯度投影算法是为了更新第k次迭代索引中的解,即,
总结上述步骤为初始化k=0,X0和Ω0,然后不断迭代计算(24),(25)的梯度,并且使用(20)-(23),(26)和(27)更新Xk+1和Ωk+1,直到上述迭代收敛,即最优MUI能量差值小于事先给定门限ε,||(Xk+1,Ωk+1)-(Xk,Ωk)||≤ε。B.模拟结构基站与无限分辨率PS和无限分辨率RIS
Qk+1=ΠQ{diag(Q(k+1))}, (31)
完整的过程为,初始化k=0,X0和Ω0,然后不断迭代计算(34)-(36)的梯度,并且使用(28)-(33),(27)和(37)更新Uk+1,Qk+1和Ωk+1,直到上述迭代收敛,即最优MUI能量差值小于事先给定门限差值ε,||(Xk+1,Ωk+1)-(Xk,Ωk)||≤ε。
C.数字结构基站和有限分辨率RIS
换句话说,被量化到中更接近的值。为了得到X,Ω变量的解,完整的步骤如下,初始化ω(0)=diag{Ωk},令t=Bω(0),然后不断迭代计算,并在1≤l≤L的情况下,令然后利用(39)求出ω的逐元解,并再次利用更新t,直到上述迭代收敛,即最优MUI能量差值小于事先给定门限差值ε,||(Xk+1,Ωk+1)-(Xk,Ωk)||≤ε,并返回Ωk+1=diag{ω*}。
D.模拟结构基站与有限分辨率PS和有限分辨率RIS
显然,关于Ω变量的优化问题可以写成
整个过程如数字结构基站和有限分辨率RIS所提到的算法所示。引用前面算法中出现的辅助矢量变量t,是为了在CCD的迭代/循环中有效地更新数量在推导出Ωk+1后,还需要推导出Uk+1和Qk+1的迭代更新值。通过设置Ak+1=H+G2Ωk+1G1,可以看出等价于解决以下N个解耦问题,
通过求解优化问题,可以得到qn,n的更新迭代函数,
得到封闭形式的解为,
实施例2:
如图4所示,本实施例提供了一种面向多用户RIS预编码通信装置,该装置包括预编码构建模块401、发送信号矩阵模块402、RIS反射矩阵模块403、步长自适应模块404、迭代收敛模块405,各个模块的具体功能如下:
预编码构建模块401,用于引入智能反射面,基站通过反射发射信号给单天线用户终端,优化发送信号矩阵和RIS反射矩阵改善信号接收质量,构建多用户干扰能量的最小化问题,即
|ωi,i|=1,1≤i≤L
其中,表示时隙内的发送信号矩阵,表示T×N维的复空间,X=[x1,...,xN],表示基站在时隙n发送的信号矢量,T为基站均匀平面天线阵列单元数,Pmax表示总发射功率,Ω表示RIS的L×L维反射矩阵,L表示RIS的反射单元数,分别表示基站与M个单天线用户终端、基站与RIS、和RIS与M个用户终端之间的通道矩阵,S=[s1,…,sN]表示从基站到用户终端的期望信号,反射矩阵的对角元素ωi,j必须位于单位模复矩阵集合中,即
发送信号矩阵模块402,用于给定反射矩阵Ω的第k次迭代值Ωk,迭代优化发送信号矩阵X,其中发送信号矩阵的第k次迭代值为
其中,Ak=(H+G2ΩkG1);
RIS反射矩阵模块403,给定第k次迭代的最优发送信号矩阵Xk+1,优化RIS反射矩阵Ω,其中反射矩阵的第k次迭代值为
步长自适应模块404,用于自适应调整每次交替迭代优化的更新步长,其中基于发送信号矩阵以及反射矩阵的第k次迭代值,迭代步长可以表示为其中, 表示关于发送信号矩阵X的第k次迭代梯度矩阵,表示关于反射矩阵Ω的第k次迭代梯度矩阵;
迭代收敛模块405,给定收敛的最大门限ε,若前后两次迭代值满足收敛条件||(Xk+1,Ωk+1)-(Xk,Ωk)||≤ε,则停止迭代,反之,则返回发送信号矩阵模块继续交替迭代优化发送信号矩阵以及反射矩阵。
本实施例中各个模块的具体实现可以参见上述实施例1,在此不再一一赘述;需要说明的是,本实施例提供的装置仅以上述各功能模块的划分进行举例说明,在实际应用中,可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成,即将内部结构划分成不同的功能模块,以完成以上描述的全部或者部分功能。
实施例3:
本实施例提供了一种计算机设备,该计算机设备可以为计算机,如图5所示,其通过***总线501连接的处理器502、存储器、输入装置503、显示器504和网络接口505,该处理器用于提供计算和控制能力,该存储器包括非易失性存储介质506和内存储器507,该非易失性存储介质506存储有操作***、计算机程序和数据库,该内存储器507为非易失性存储介质中的操作***和计算机程序的运行提供环境,处理器502执行存储器存储的计算机程序时,实现上述实施例1提出的一种面向多用户RIS预编码通信方法,如下:
|ωi,i|=1,1≤i≤L
其中,智能反射面以下简称RIS,表示时隙内的发送信号矩阵,表示T×N维的复空间,X=[x1,…,xN],表示基站在时隙n发送的信号矢量,T为基站均匀平面天线阵列单元数,N为总时隙数,Pmax表示总发射功率,Ω表示RIS的L×L维反射矩阵,L表示RIS的反射单元数, 分别表示基站与M个单天线用户终端、基站与RIS、和RIS与M个用户终端之间的通道矩阵,S=[s1,…,sN]表示从基站到用户终端的期望信号,反射矩阵的对角元素ωi,j必须位于单位模复矩阵集合中,即
S2、给定反射矩阵Ω的第k次迭代值Ωk,最优发送信号矩阵X,采用梯度投影算法更新X,其中发送信号矩阵的第k次迭代值为
其中,Ak=(H+G2ΩkG1);
S3、给定第k次迭代的最优发送信号矩阵Xk+1,RIS的最优反射矩阵Ωk更新表达式为
S4、基于发送信号矩阵以及反射矩阵的第k次迭代值,设计迭代步长μk,采用非可和的步长递减规律,即,其中,γk≥0, 表示关于发送信号矩阵X的第k次迭代梯度矩阵,表示关于反射矩阵Ω的第k次迭代梯度矩阵;
S5、给定收敛的最大门限ε,若前后两次迭代值满足收敛条件||(Xk+1,Ωk+1)-(Xk,Ωk)||≤ε,则停止迭代,反之,则返回步骤S2继续交替迭代优化发送信号矩阵以及反射矩阵。
实施例4:
本实施例提供了一种存储介质,该存储介质为计算机可读存储介质,其存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,实现上述实施例1的一种面向多用户RIS预编码通信方法,如下:
S1、基站通过智能反射面反射信号给用户,考虑数字/模拟结构基站和无限/有限分辨率智能反射面,构建多用户干扰能量的最小化问题,同时保证总功率受限,即,
|ωi,i|=1,1≤i≤L
其中,智能反射面以下简称RIS,表示时隙内的发送信号矩阵,表示T×N维的复空间,X=[x1,…,xN],表示基站在时隙n发送的信号矢量,T为基站均匀平面天线阵列单元数,N为总时隙数,Pmax表示总发射功率,Ω表示RIS的L×L维反射矩阵,L表示RIS的反射单元数, 分别表示基站与M个单天线用户终端、基站与RIS、和RIS与M个用户终端之间的通道矩阵,S=[s1,…,sN]表示从基站到用户终端的期望信号,反射矩阵的对角元素ωi,j必须位于单位模复矩阵集合中,即
S2、给定反射矩阵Ω的第k次迭代值Ωk,最优发送信号矩阵X,采用梯度投影算法更新X,其中发送信号矩阵的第k次迭代值为
其中,Ak=(H+G2ΩkG1);
S3、给定第k次迭代的最优发送信号矩阵Xk+1,RIS的最优反射矩阵Ωk更新表达式为
S4、基于发送信号矩阵以及反射矩阵的第k次迭代值,设计迭代步长μk,采用非可和的步长递减规律,即,其中,γk≥0, 表示关于发送信号矩阵X的第k次迭代梯度矩阵,表示关于反射矩阵Ω的第k次迭代梯度矩阵;
S5、给定收敛的最大门限ε,若前后两次迭代值满足收敛条件||(Xk+1,Ωk+1)-(Xk,Ωk)||≤ε,则停止迭代,反之,则返回S2继续交替迭代优化发送信号矩阵以及反射矩阵。
本实施例中所述的存储介质可以是磁盘、光盘、计算机存储器、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、U盘、移动硬盘等介质。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种多用户RIS预编码方法,其特征在于,所述预编码方法的实现步骤如下:
S1、基站通过智能反射面反射信号给用户,考虑数字/模拟结构基站和无限/有限分辨率智能反射面,构建多用户干扰能量的最小化问题,同时保证总功率受限,即,
|ωi,i|=1,1≤i≤L
其中,智能反射面以下简称RIS,表示时隙内的发送信号矩阵,表示T×N维的复空间,表示基站在时隙n发送的信号矢量,T为基站均匀平面天线阵列单元数,N为时隙总数,Pmax表示总发射功率,Ω表示RIS的L×L维反射矩阵,L表示RIS的反射单元数, 分别表示基站与M个单天线用户终端、基站与RIS、和RIS与M个用户终端之间的通道矩阵,S=[s1,...,sN]表示从基站到用户终端的期望信号,反射矩阵的对角元素ωi,j必须位于单位模复矩阵集合中,即
S2、给定反射矩阵Ω的第k次迭代值Ωk,最优发送信号矩阵X,采用梯度投影算法更新X,其中发送信号矩阵的第k次迭代值为
其中,Ak=(H+G2ΩkG1);
S3、给定第k次迭代的最优发送信号矩阵Xk+1,RIS的最优反射矩阵Ωk更新表达式为
S4、基于发送信号矩阵以及反射矩阵的第k次迭代值,设计迭代步长μk,采用非可和的步长递减规律,即,其中,γk≥0, 表示关于发送信号矩阵X的第k次迭代梯度矩阵,表示关于反射矩阵Ω的第k次迭代梯度矩阵;
S5、给定收敛的最大门限ε,若前后两次迭代值满足收敛条件||(Xk+1,Ωk+1)-(Xk,Ωk)||≤ε,则停止迭代,反之,则返回步骤S2继续交替迭代优化发送信号矩阵以及反射矩阵,其中(Xk,Ωk)为分块矩阵,符号|| ||表示求矩阵范数。
4.一种基于权利要求1至3任一所述多用户RIS预编码方法的预编码装置,其特征在于,所述预编码装置包括:
预编码构建模块,用于引入智能反射面,基站通过反射发射信号给单天线用户终端,优化发送信号矩阵和RIS反射矩阵改善信号接收质量,构建多用户干扰能量的最小化问题,即
|ωi,i|=1,1≤i≤L
其中,表示时隙内的发送信号矩阵,表示T×N维的复空间,表示基站在时隙n发送的信号矢量,T为基站均匀平面天线阵列单元数,Pmax表示总发射功率,Ω表示RIS的L×L维反射矩阵,L表示RIS的反射单元数,分别表示基站与M个单天线用户终端、基站与RIS、和RIS与M个用户终端之间的通道矩阵,S=[s1,...,sN]表示从基站到用户终端的期望信号,反射矩阵的对角元素ωi,j必须位于单位模复矩阵集合中,即
发送信号矩阵模块,用于给定反射矩阵Ω的第k次迭代值Ωk,迭代优化发送信号矩阵X,其中发送信号矩阵的第k次迭代值为
其中,Ak=(H+G2ΩkG1);
RIS反射矩阵模块,给定第k次迭代的最优发送信号矩阵Xk+1,优化RIS反射矩阵Ω,其中反射矩阵的第k次迭代值为
迭代收敛模块,给定收敛的最大门限ε,若前后两次迭代值满足收敛条件||(Xk+1,Ωk+1)-(Xk,Ωk)||≤ε,则停止迭代,反之,则返回发送信号矩阵模块继续交替迭代优化发送信号矩阵以及反射矩阵,其中(Xk,Ωk)为分块矩阵,符号|| ||表示求矩阵范数。
5.一种计算机设备,包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器,其特征在于,所述处理器执行存储器存储的程序时,实现权利要求1-3任一项所述的多用户RIS预编码方法。
6.一种存储介质,存储有程序,其特征在于,所述程序被处理器执行时,实现权利要求1-3任一项所述的多用户RIS预编码方法。
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