CN116827406A - 一种智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法，涉及无线通信的技术领域。本发明的步骤为：DMR由多个DMRU构成，DMRU在Tx的控制下智能地选择有源中继或IRS反射的模式进行信号转发或反射，所有DMR工作模式组成DMR工作模式集合；从DMR工作模式集合中任意地选取的一个工作模式选择矩阵，根据工作模式选择矩阵设置DMR的工作模式；计算迭代时IRS的反射系数矩阵、Tx和DMR的波束成形矩阵以及Rx的数据速率；记录最后的Rx的数据速率；DMR选择Rx的数据速率最大所对应的DMR工作模式，并调整Tx和DMR的波束成形矩阵及IRS的反射系数矩阵。本发明可以在不消耗额外的功率情况下，提高数据速率，综合改善通信性能。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信的技术领域，尤其涉及一种智能反射面辅助的双模中继自适应传输(Dual-Mode Relay based Adaptive Transmission,DMRAT)方法。
背景技术
近年来，无线通信技术的快速发展导致通信***中用户数量和业务流量急剧增加。良好的网络覆盖对于确保用户能够在任何地点进行高质量的数据访问至关重要，特别是对于接入点覆盖边缘的用户，该位置的信号接收信噪比低且易受到邻近接入点的干扰。中继通信技术可以用于解决上述问题，中继技术使用中继节点接收并转发信号，可以扩大通信范围并提高接收信号的质量，但是中继节点需要额外的发射功率开销。智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)是一种无源设备，IRS由多个低成本的被动反射单元组成，每一个反射单元都能够在IRS控制器的控制下动态调整其反射系数，从而实现对入射信号的振幅和相位偏移的改变。IRS能够为信号的转发提供新的设计思路，但IRS的无源特性导致其无法对入射信号进行增强转发，从而对IRS的应用带来了限制。中继和IRS在能量效率、硬件和计算复杂度、覆盖范围等方面有着各自的优缺点。因此，结合二者的优势设计一个结合中继和智能反射面的新型中继传输方案具有重要意义。
现有技术一是协同中继技术，虽然能够有效改善通信质量和信号覆盖，但是，由于中继的工作依赖于载波信号产生、模拟/数字转换器以及功率放大器等有源组件，传统中继通信的硬件和功率开销导致其通信成本的增加。基于此，如何以低成本、低功耗的方式实现信号转发、增加覆盖、改善接收信号质量，是一个亟待解决的问题。现有技术二是后向散射技术，采用无源的后向散射器件将周围环境中的电磁波能量吸收、转换并储存起来，用于后向散射设备发送信号，但是后向散射技术易受到噪声和其它无关信号源的干扰，并且射频信号能量转换效率低下，限制了该技术的应用。现有技术三是IRS辅助通信，由于IRS有限的信号处理能力和无源特性，使得IRS容易受到信道衰落的影响，在实际应用中IRS存在工作频段受限、动态调控能力不足等局限。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)有源中继技术硬件成本高，功耗大。
(2)后向散射技术易受到噪声和环境中其它无关信号源的干扰，射频信号能量转换效率低。
(3)智能反射面容易受到通信环境的影响，动态调控能力弱。
解决以上问题及缺陷的难度为：需要考虑如何结合有源中继和智能反射面设计一种新设备，使得该设备能够同时兼顾通信质量和***能耗，并利用该设备动态地采用不同的模式进行信号中转，实现高质量、低能耗的自适应传输。
解决以上问题及缺陷的意义为：使用一种能够动态选择工作模式的双模中继，将有源中继和智能反射面综合在上述双模中继中，该双模中继设备能根据通信环境选择合适的工作模式，从而在不增加能耗的前提下，改善通信质量。
发明内容
针对现有中继传输方法功耗过大且硬件复杂度高的技术问题，本发明提出一种智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法，通过采用将中继传输方法与智能反射面技相结合，并针对结合后的设备使用交替优化算法来最大限度地提高接收机的数据速率。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法，其步骤如下：
S101：DMR由多个DMRU构成，DMRU在Tx的控制下智能地选择有源中继或IRS反射的模式进行信号转发或反射，所有DMR工作模式组成DMR工作模式集合；初始化最大Rx数据速率工作模式集合，设置收敛阈值和最大迭代次数；
S102：从DMR工作模式集合中任意地选取的一个工作模式选择矩阵，根据工作模式选择矩阵设置DMR的工作模式，将工作模式选择矩阵从DMR工作模式集合中删除；初始化迭代次数和第0次迭代时IRS的反射系数矩阵，并计算第0次迭代时Tx和DMR的波束成形矩阵以及Rx的数据速率；
S103：迭代次数加1，计算迭代时IRS的反射系数矩阵、Tx和DMR的波束成形矩阵以及Rx的数据速率；
S104：计算相邻迭代次数中得到的Rx的数据数率差值的绝对值，若所述Rx的数据速率差值的绝对值大于收敛阈值且迭代次数未超过最大迭代次数，返回步骤S103，否则，记录最后的Rx的数据速率、当前DMR工作模式选择矩阵、Tx和DMR的波束成形矩阵及IRS的反射系数矩阵，并执行步骤S105；
S105：判断DMR工作模式集合是否为空，若DMR工作模式集合不为空，则返回步骤S102；否则，比较所有的Rx的数据速率的大小，DMR选择Rx的数据速率最大所对应的DMR工作模式，并调整Tx和DMR的波束成形矩阵及IRS的反射系数矩阵。
优选地，所述Tx配备NT根发射天线，Rx配置NR根接收天线，Tx以功率PT发射信号；DMR由NDM个DMRU构成，DMRU能够在受控于Tx的控制单元CU的控制下智能地选择有源中继或无源反射模式进行信号/数据转发；当DMRU采用有源中继模式时，以全双工DF中继方式工作，DMR转发信号的发射功率为PDM；Tx通过控制单元CU实现对DMRU的工作模式和参数进行动态选择和配置；在进行正式通信前，Tx会广播导频信号，DMR的所有DMRU都采用无源IRS工作模式，Rx估计其与IRS和Tx之间的信道状态信息并反馈给Tx；
Tx发送数据信息上标T表示转置运算；Tx使用波束成形矩阵对数据信息x进行预处理，并将数据信息x映射至NT根发射天线进行发送；；用和/>表示Tx和DMR之间以及DMR与Rx之间的信道状态信息，H和G具有准静态平坦衰落特性，H和G相互独立，其元素为均值0、单位方差的复高斯随机变量；且NT＝NR＝NDM＝NI＝M，M是正整数。
优选地，所述步骤S101中初始化Rx在DMR的各个工作模式下获得的最佳数据速率集合ΩR、使Rx获得最佳数据速率的DMR工作模式集合使Rx获得最佳数据速率的Tx波束成形矩阵集合/>和DMR波束成形矩阵集合/>使Rx获得最佳数据速率的IRS反射矩阵集合ΩΦ；初始化/> 表示空集合；
Tx以功率发射信号，DMR转发信号的功率为/>Ptotal为***总发射功率；
所有DMR工作模式组成的DMR工作模式集合Sn＝diag(sn,1,…,sn,M)表示第n种DMR工作模式选择矩阵，Tx根据DMR工作模式选择矩阵Sn控制DMR工作模式，元素sn,m＝1表示第m个DMRU采用DF中继转发，sn,m＝0表示第m个DMRU采用IRS反射，其中m∈{1,…,M}，M表示Tx的发射天线数、Rx的接收天线数，以及DMR包含DMRU的数量；
初始化DMR工作模式Sn为S1，即n＝1。
优选地，初始化迭代次数l＝0和第0次迭代时IRS的反射系数矩阵Φ0＝I，并使用迫零波束成形算法计算第0次迭代时Tx的波束成形矩阵WTx,0和DMR的波束成形矩阵WDF,0以及Rx的数据速率。
优选地，使用迫零波束成形算法计算第0次迭代时Tx波束成形矩阵WTx,0和DMR波束成形矩阵WDF,0的方法为：
其中，表示从Tx经DMR中所有采用IRS反射的DMRU到Rx的等效信道矩阵，/>表示DMR中所有采用DF中继转发的DMRU与Rx之间的等效信道矩阵；H表示矩阵的转换，S1表示当前的DMR工作模式选择矩阵，Φ1表示当前的IRS的反射系数矩阵；
计算第0次迭代时Rx的数据速率为：
其中，是等效信道矩阵/>的第m行向量，/>是等效信道矩阵/>的第m行向量，/>表示Rx恢复第m路数据使用的滤波向量；wDF,0,m和wTx,0,m分别表示波束成形矩阵WDF,0和WTx,0的第m列向量，/>表加性高斯白噪声的方差。
优选地，步骤S103中将迭代次数l加1，计算第l次迭代时IRS的反射系数矩阵Φl，使用迫零波束成形算法计算第l次迭代时Tx和DMR的波束成形矩阵WTx,l和WDF,l，计算第l次迭代时Rx的数据速率RDM,l。
优选地，所述计算第l次迭代的IRS反射系数矩阵其计算由下式给出：
s.t.βm∈[0,1],αm∈[0,2π),m∈{1,…,M}
其中，表示第l次迭代时无源IRS的反射系数矩阵，αm和βm分别表示第m个DMRU采用IRS模式时的反射相位系数和反射振幅系数；
使用迫零波束成形算法计算第l次迭代时Tx的波束成形矩阵WTx,l和DMR的波束成形矩阵WDF,l为：
其中，表示从Tx经DMR中所有采用IRS反射的DMRU到Rx的等效信道矩阵，/>表示DMR中所有采用DF中继转发的DMRU与Rx之间的等效信道矩阵；Sl+1表示第l次迭代的DMR工作模式选择矩阵，Φl+1表示第l次迭代的IRS的反射系数矩阵；
计算第l次迭代时Rx的数据速率为：
其中，是等效信道矩阵/>的第m行向量，/>是等效信道矩阵/>的第m行向量，/>表示Rx恢复第m路数据使用的滤波向量；wDF,l,m和wTx,l,m分别表示波束成形矩阵WDF,l和WTx,l的第m列向量，/>表加性高斯白噪声的方差。
优选地，所述步骤S104中计算第l次迭代时Rx的数据数率RDM,l与第l-1次迭代时的Rx的数据数率RDM,l-1的差值的绝对值Rdif＝|RDM,l-RDM,l-1|，若绝对值Rdif大于收敛阈值ε且迭代次数l未超过最大迭代次数lmax，执行步骤S103；否则，将DMR工作模式选择矩阵Sn、第l次迭代Rx的数据速率RDM,l、Tx的波束成形矩阵WTx,l和DMR的波束成形矩阵WDF,l以及IRS的反射系数矩阵Φl分别添加到集合集合ΩR、集合/>集合/>和集合ΩΦ中，即ΩR←ΩR∪{RDM,l}、/>和ΩΦ←ΩΦ∪{Φl}。
优选地，所述步骤S105中比较Rx的最佳数据速率集合ΩR内所有元素的数据速率的大小，DMR选择Rx数据速率集合中值最大的元素对应的DMR工作模式，并调整Tx和DMR的波束成形矩阵和IRS的反射系数矩阵，实现方法为：
从DMR工作模式集合选择获得最佳数据速率RDM,max的DMR工作模式选择矩阵Smax，根据DMR工作模式选择矩阵Smax调整DMR的工作模式，从波束成形矩阵集合/>波束成形矩阵集合/>和IRS反射系数矩阵集合ΩΦ中分别选择获得最佳数据速率RDM,max的Tx的波束成形矩阵WTx,max和DMR的波束成形矩阵WDF,max以及IRS的反射系数矩阵Φmax，根据波束成形矩阵WTx,max、波束成形矩阵WDF,max和IRS的反射系数矩阵Φmax分别调整Tx和DMR的波束成形矩阵以及IRS反射系数矩阵。
一种应用所述一种智能反射表面辅助的双模中继自适应传输方法的无线通信***，包括一个Tx、一个Rx和DMR，Tx与Rx的通信由DMR进行协助。
与现有技术相比，本发明的有益效果：提出一种能够在有源中继和无源智能反射面两种工作模式之间进行动态切换的双模中继DMR，双模中继由多个双模中继单元DMRU构成，每个双模中继单元能够根据无线信道状态智能地选择有源中继或无源反射工作模式，多个双模中继单元对入射信号进行联合处理，完成信号或数据信息的中转，结合智能反射面的无源特性，可以克服有源中继带来的高能耗问题。在发射功率受限的约束下设计了基于交替优化的双模中继自适应传输方法，使用交替优化对智能反射面反射系数矩阵，以及发射机和双模中继波束成形矩阵进行设计，提高接收机的数据速率。本发明使用一种能够动态选择工作模式的双模中继，将有源中继和智能反射面综合在双模中继之中，该双模中继设备能根据通信环境选择合适的工作模式，从而在不增加能耗的前提下，改善通信质量。
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获得其他的附图。
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的***结构示意图。
图3为本发明的实现流程图。
图4为本发明基于图2的***，对比DMRAT与其他固定模式Rx数据速率性能随信噪比的变化情况的MATLAB仿真图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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付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
如图1所示，本发明提供的一种智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法包括以下步骤：
S101：DMR(Dual-Mode Relay，双模中继)由多个双模中继单元(DMR Unit,DMRU)构成，DMRU在Tx(Transmitter，发射机)的控制下智能地选择有源中继或智能反射面(IRS)模式进行信号转发或反射，所有DMR工作模式组成DMR工作模式集合。初始化最大Rx(Receiver，接收机)数据速率工作模式集合，设置收敛阈值和最大迭代次数。最大Rx数据速率工作模式集合用于存储每种DMR工作模式下接收机的最大数据速率。
如图2所示，本实施例利用的***考虑由一个发射机(Transmitter,Tx)、一个接收机(Receiver,Rx)和双模中继(DMR)组成的通信***。Tx配备NT根发射天线，Rx配置NR根接收天线。Tx以功率PT发射信号。假设Tx与Rx之间存在障碍物或信道衰落严重，导致Tx与Rx之间不存在符合通信质量要求的直接传输链路。因此，Tx与Rx的通信需要由DMR进行协助。DMR由NDM个双模中继单元(DMRU)构成，DMRU能够在受控于Tx的控制单元(Control Unit,CU)的控制下智能地选择有源中继或无源反射模式进行信号/数据转发。当DMRU采用有源中继模式时，其以全双工DF(有源解码转发)中继方式工作，DMR转发信号的发射功率为PDM。DF中继对入射信号进行解码转发，借助瞬时中继技术，该处理时延可以忽略。于是，所有DMRU中(有源)转发和(无源)反射的信号可以同时到达Rx。Tx通过CU实现对DMRU的工作模式和参数进行动态选择和配置。在进行正式通信前，Tx会广播导频信号，DMR的所有DMRU都采用无源IRS工作模式，Rx估计其与IRS和Tx之间的信道状态信息(Channel State Information,CSI)即图2中的H和G，并反馈给Tx，借此Tx可以获知信道信息。
Tx发送数据信息上标T表示转置运算。Tx使用波束成形矩阵对x进行预处理，并将x映射至NT根发射天线进行发送。用/>和表示Tx和DMR之间以及DMR与Rx之间的CSI。假设H和G具有准静态平坦衰落特性，H和G相互独立，其元素为0均值、单位方差的复高斯随机变量。本实施例假设NT＝NR＝NDM＝NI＝M，M是正整数。
S102：从DMR工作模式集合中任意地选取的一个工作模式选择矩阵，根据工作模式选择矩阵设置DMR的工作模式，将工作模式选择矩阵从DMR工作模式集合中删除；初始化迭代次数和第0次迭代时IRS的反射系数矩阵，并计算第0次迭代时Tx和DMR的波束成形矩阵以及Rx的数据速率；
S103：将迭代次数加1，计算迭代时的IRS的反射系数矩阵，计算Tx和DMR的波束成形矩阵，计算Rx的数据速率；
S104：计算相邻迭代次数中得到的Rx的数据数率差值的绝对值，若所述Rx的数据速率差值的绝对值大于收敛阈值，且迭代次数未超过最大迭代次数，返回步骤S103，否则，记录最后的Rx的数据速率、当前DMR工作模式选择矩阵、Tx和DMR的波束成形矩阵及IRS的反射系数矩阵，并执行步骤S105。
S105：判断DMR工作模式集合是否为空，若DMR工作模式集合不为空，则执行步骤S102，否则，比较所有的Rx的数据速率的大小，DMR选择Rx的数据速率最大所对应的DMR工作模式，并调整Tx和DMR的波束成形矩阵及IRS的反射系数矩阵。
本发明提供的智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法仅仅是一个具体实施例而已。
实施例2
下面结合附图3对本发明的技术方案作进一步的描述。本发明提供的一种智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法应包括以下步骤：
步骤一：考虑由一个发射机(Transmitter,Tx)、一个接收机(Receiver,Rx)和双模中继(DMR)组成的无线通信***，Tx和Rx分别配置M根发射天线。DMR由M个双模中继单元(DMR Unit,DMRU)构成，DMRU在Tx的控制下智能地选择解码转发中继或智能反射面(IRS)模式进行信号转发或反射，所有DMR工作模式组成DMR工作模式集合ΩS。定义Rx在DMR的各个工作模式下获得的最佳数据速率集合ΩR，定义使Rx获得最佳数据速率的DMR工作模式集合定义使Rx获得最佳数据速率的Tx波束成形矩阵集合/>和DMR波束成形矩阵集合定义使Rx获得最佳数据速率的IRS反射矩阵集合ΩΦ。设置收敛阈值ε和最大迭代次数lmax。
所述步骤一的实现步骤为：
考虑由一个发射机(Tx)、一个接收机(Rx)和双模中继(DMR)组成的通信***，Tx和Rx分别配置M根发射天线。DMR由M个双模中继单元(DMR Unit,DMRU)构成，DMRU在Tx的控制下智能地选择解码转发中继或智能反射面(IRS)模式进行信号转发或反射，所有DMR工作模式组成DMR工作模式集合ΩS，用和/>表示Tx和DMR之间以及DMR与Rx之间的信道状态信息；Tx以功率/>发射信号，DMR转发信号的功率为/>Ptotal为***总发射功率。
定义所有DMR工作模式组成的DMR工作模式集合为ΩS＝{S1,…,Sn,…,S2M}，Sn＝diag(sn,1,…,sn,M)表示第n种DMR工作模式选择矩阵，Tx根据DMR工作模式选择矩阵Sn控制DMR工作模式，元素sn,m＝1表示第m个DMRU采用DF中继转发，sn,m＝0表示第m个DMRU采用IRS反射，其中m∈{1,…,M}，M表示Tx的发射天线数、Rx的接收天线数以及DMR包含的DMRU的数量；
初始化 表示空集合；初始化DMR工作模式Sn为S1，即n＝1。设置收敛阈值ε＝10-5和最大迭代次数lmax＝50。
步骤二：从DMR工作模式集合ΩS中任意地选取的一个工作模式选择矩阵Sn(Sn∈ΩS)，根据工作模式选择矩阵Sn设置DMR的工作模式，并将工作模式选择矩阵Sn从DMR工作模式集合ΩS中删除；初始化迭代次数l＝0和第0次迭代时IRS的反射系数矩阵Φ0＝I，使用迫零波束成形算法计算第l次迭代时Tx和DMR的波束成形矩阵WTx,0和WDF,0以及Rx的数据速率RDM,0。
根据工作模式选择矩阵Sn调整DMR的工作模式即根据工作模式选择矩阵Sn中的元素的值M个DMRU采用DF中继转发或IRS反射。将工作模式选择矩阵Sn从DMR工作模式集合ΩS中删除，即ΩS＝ΩS-{Sn}，表示已经对DMR在工作模式Sn下的Tx和DMR的波束成形矩阵、以及IRS的反射系数矩阵进行了优化设计。
初始化迭代次数l＝0，设置第0次迭代时IRS的反射系数矩阵Φ0＝I。使用迫零波束成形(Zero-Forcing,ZF)算法计算第0次迭代时Tx波束成形矩阵WTx,0和DMR波束成形矩阵WDF,0，其计算由下式给出：
其中，表示从Tx经DMR中所有采用IRS反射的DMRU到Rx的等效信道矩阵，/>表示DMR中所有采用DF中继转发的DMRU与Rx之间的等效信道矩阵；H表示矩阵的转换，S1表示当前的DMR工作模式选择矩阵、Φ1表示当前的IRS的反射系数矩阵
计算第0次迭代时Rx的数据速率为：
其中，是等效信道矩阵/>的第m行向量，/>是等效信道矩阵/>的第m行向量，/>表示Rx恢复第m路数据使用的滤波向量；wDF,0,m和wTx,0,m分别表示波束成形矩阵WDF,0和WTx,0的第m列向量，/>表加性高斯白噪声的方差。
步骤三：将迭代次数l加1，即l←l+1，计算第l次迭代时IRS的反射系数矩阵Φl，使用迫零波束成形算法计算第l次迭代时Tx和DMR的波束成形矩阵WTx,l和WDF,l，计算第l次迭代时Rx的数据速率RDM,l。
计算第l次迭代的IRS反射系数矩阵其计算由下式给出：
s.t.βm∈[0,1],αm∈[0,2π),m∈{1,…,M}
其中，表示第l次迭代时无源IRS的反射系数矩阵，αm和βm分别表示第m(m∈{1,…,M})个DMRU采用IRS模式时的反射相位系数和反射振幅系数。
使用迫零波束成形算法计算第l次迭代时Tx的波束成形矩阵WTx,l和DMR的波束成形矩阵WDF,l，其计算由下式给出：
其中，表示从Tx经DMR中所有采用IRS反射的DMRU到Rx的等效信道矩阵，/>表示DMR中所有采用DF中继转发的DMRU与Rx之间的等效信道矩阵；Sl+1表示第l次迭代的DMR工作模式选择矩阵，Φl+1表示第l次迭代的IRS的反射系数矩阵。
计算第l次迭代时Rx的数据速率为：
其中，是等效信道矩阵/>的第m行向量，/>是等效信道矩阵/>的第m行向量，/>表示Rx恢复第m路数据使用的滤波向量；wDF,l,m和wTx,l,m分别表示波束成形矩阵WDF,l和WTx,l的第m列向量，/>表加性高斯白噪声的方差。
步骤四：计算第l次迭代时Rx的数据数率RDM,l与第l-1次迭代时的Rx的数据数率RDM,l-1的差值的绝对值Rdif＝|RDM,l-RDM,l-1|，若Rdif大于收敛阈值ε，且迭代次数l未超过最大迭代次数lmax，执行步骤三，否则，将DMR工作模式选择矩阵Sn、Rx的数据速率RDM,l、Tx和DMR的波束成形矩阵WTx,l和WDF,l，及IRS的反射系数矩阵Φl分别添加到集合ΩR、/> 和ΩΦ中，并执行步骤五。
若绝对值Rdif＞ε且l≤lmax，执行步骤三，否则，将DMR工作模式选择矩阵Sn、第l次迭代Rx的数据速率RDM,l、Tx的波束成形矩阵WTx,l和DMR的波束成形矩阵WDF,l以及IRS的反射系数矩阵Φl分别添加到集合ΩR、/>和ΩΦ中，即/>ΩR←ΩR∪{RDM,l}、/>和ΩΦ←ΩΦ∪{Φl}，并执行步骤五。
步骤五：判断DMR工作模式集合ΩS是否为空，若DMR工作模式集合不为空，则执行步骤二，否则，比较Rx数据速率集合ΩR内所有元素的数据速率的大小，DMR选择Rx数据速率集合中值最大的元素对应的DMR工作模式，并调整Tx和DMR的波束成形矩阵和IRS的反射系数矩阵，算法结束。
判断ΩS是否为空集，若表示还没有对所有DMR工作模式下Tx和DMR的波束成形矩阵、以及IRS的反射系数矩阵进行优化设计，设置n←n+1，切换其他DMR工作模式，并执行步骤二。
从DMR工作模式集合选择获得最佳数据速率RDM,max的DMR工作模式选择矩阵Smax，根据DMR工作模式选择矩阵Smax Smax调整DMR的工作模式，从波束成形矩阵集合/>波束成形矩阵集合/>和IRS反射系数矩阵集合ΩΦ中分别选择获得最佳数据速率RDM,max的Tx和DMR的波束成形矩阵WTx,max和WDF,max以及IRS的反射系数矩阵Φmax，根据波束成形矩阵WTx,max、波束成形矩阵WDF,max和IRS的反射系数矩阵Φmax分别调整Tx和DMR的波束成形矩阵以及IRS反射系数矩阵，从而在不增加能耗的前提下，提高接收机的数据速率，算法结束。
下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。
1、仿真条件：
仿真参数：仿真中设置M＝2，***总发射功率设置为Ptotal＝PT+PDM，令设置收敛阈值ε＝10-5和最大迭代次数lmax＝50。当DMR包含的所有DMRU都采用IRS无源反射时，DMR不需要消耗功率，此时PDM＝0，为了公平比较，将DMR的功率/>全部分配给Tx，即令PT＝Ptotal。定义信噪比/>并设置SNR∈[0,20]dB。当M＝2时，初始化DMR工作模式集合ΩS＝{S1,S2,S3,S4}，其元素S1,S2,S3,S4分别为diag(0,0)、diag(0,1)、diag(1,0)以及diag(1,1)。
2、仿真内容及分析：
采用MATLAB对本发明进行仿真，首先根据S1设置DMR的工作模式，初始化迭代次数l＝0和第0次迭代时IRS的反射系数矩阵Φ0＝I，根据迫零波束成形算法计算第0次迭代时Tx和DMR的波束成形矩阵WTx,0和WDF,0，需要注意的是，当所有DMRU都采用IRS模式工作即diag(0,0)，DMR不需要进行波束成形，此时WDF,0＝O，其中表示零矩阵，然后计算Rx的数据速率RDM,0；将迭代次数l加1，即l←l+1，计算第l次迭代时IRS的反射系数矩阵Φl及第l次迭代时Tx和DMR的波束成形矩阵WTx,l和WDF,l，计算第l次迭代时Rx的数据速率RDM,l，计算第l次迭代时Rx的数据数率RDM,l与第l-1次迭代时的Rx的数据数率RDM,l-1的差值的绝对值Rdif，若Rdif大于收敛阈值ε，且迭代次数l未超过最大迭代次数lmax，将迭代次数l加1，即l←l+1，重新调整IRS的反射系数矩阵Φl，计算第l次迭代时Tx和DMR的波束成形矩阵WTx,l和WDF,l，并计算RDM,l及Rdif，直到满足若Rdif小于收敛阈值ε或迭代次数l大于最大迭代次数lmax，将DMR工作模式选择矩阵Sn、Rx的数据速率RDM,l、Tx和DMR的波束成形矩阵WTx,l和WDF,l及IRS反射矩阵Φl分别添加到/>ΩR、/>和ΩΦ中。按照上述过程，对S2,S3,S4进行仿真。
下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。本发明采用MATLAB对不同方法的平均数据速率的进行仿真，其结果如图4所示，DMRAT-AO表示本发明方法获得的Rx的数据速率，DMR-R表示DMR随机选择工作模式时Rx的数据速率，DMR-IRS表示DMR的全部DMRU均采用IRS模式对来自Tx的信号进行反射时Rx的数据速率，DMR-DF表示DMR的全部DMRU均采用DF模式对Tx发送的信号进行解码转发时Rx的数据速率。由图4可知，本发明设计的DMRAT-AO的数据速率最高，能够选择数据速率性能最佳的DMR工作模式，因此可以显著提高Rx的速率性能。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法，其特征在于，其步骤如下：
S101：DMR由多个DMRU构成，DMRU在Tx的控制下智能地选择有源中继或IRS反射的模式进行信号转发或反射，所有DMR工作模式组成DMR工作模式集合；设置收敛阈值和最大迭代次数；
S102：从DMR工作模式集合中任意地选取的一个工作模式选择矩阵，根据工作模式选择矩阵设置DMR的工作模式，将工作模式选择矩阵从DMR工作模式集合中删除；初始化迭代次数和第0次迭代时IRS的反射系数矩阵，并计算第0次迭代时Tx和DMR的波束成形矩阵以及Rx的数据速率；
S103：迭代次数加1，计算迭代时IRS的反射系数矩阵、Tx和DMR的波束成形矩阵以及Rx的数据速率；
S104：计算相邻迭代次数中得到的Rx的数据数率差值的绝对值，若所述Rx的数据速率差值的绝对值大于收敛阈值且迭代次数未超过最大迭代次数，返回步骤S103，否则，记录最后的Rx的数据速率、当前DMR工作模式选择矩阵、Tx和DMR的波束成形矩阵及IRS的反射系数矩阵，并执行步骤S105；
S105：判断DMR工作模式集合是否为空，若DMR工作模式集合不为空，则返回步骤S102；否则，比较所有的Rx的数据速率的大小，DMR选择Rx的数据速率最大所对应的DMR工作模式，并调整Tx和DMR的波束成形矩阵及IRS的反射系数矩阵。
2.根据权利要求1所述的智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法，其特征在于，所述Tx配备NT根发射天线，Rx配置NR根接收天线，Tx以功率PT发射信号；DMR由NDM个DMRU构成，DMRU能够在受控于Tx的控制单元CU的控制下智能地选择有源中继或无源反射模式进行信号/数据转发；当DMRU采用有源中继模式时，以全双工DF中继方式工作，DMR转发信号的发射功率为PDM；Tx通过控制单元CU实现对DMRU的工作模式和参数进行动态选择和配置；在进行正式通信前，Tx会广播导频信号，DMR的所有DMRU都采用无源IRS工作模式，Rx估计其与IRS和Tx之间的信道状态信息并反馈给Tx；
Tx发送数据信息上标T表示转置运算；Tx使用波束成形矩阵对数据信息x进行预处理，并将数据信息x映射至NT根发射天线进行发送；用和/>表示Tx和DMR之间以及DMR与Rx之间的信道状态信息，H和G具有准静态平坦衰落特性，H和G相互独立，其元素为均值0、单位方差的复高斯随机变量；且NT＝NR＝NDM＝NI＝M，M是正整数。
3.根据权利要求1或2所述的智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法，其特征在于，所述步骤S101中初始化Rx在DMR的各个工作模式下获得的最佳数据速率集合ΩR、使Rx获得最佳数据速率的DMR工作模式集合使Rx获得最佳数据速率的Tx波束成形矩阵集合/>和DMR波束成形矩阵集合/>使Rx获得最佳数据速率的IRS反射矩阵集合ΩΦ；初始化/> 表示空集合；
Tx以功率发射信号，DMR转发信号的功率为/>Ptotal为***总发射功率；
所有DMR工作模式组成的DMR工作模式集合Sn＝diag(sn,1,…,sn,M)表示第n种DMR工作模式选择矩阵，Tx根据DMR工作模式选择矩阵Sn控制DMR工作模式，元素sn,m＝1表示第m个DMRU采用DF中继转发，sn,m＝0表示第m个DMRU采用IRS反射，其中m∈{1,…,M}，M表示Tx的发射天线数、Rx的接收天线数，以及DMR包含DMRU的数量；
初始化DMR工作模式Sn为S1。
4.根据权利要求3所述的智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法，其特征在于，初始化迭代次数l＝0和第0次迭代时IRS的反射系数矩阵Φ0＝I，并使用迫零波束成形算法计算第0次迭代时Tx的波束成形矩阵WTx,0和DMR的波束成形矩阵WDF,0以及Rx的数据速率。
5.根据权利要求4所述的智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法，其特征在于，使用迫零波束成形算法计算第0次迭代时Tx波束成形矩阵WTx,0和DMR波束成形矩阵WDF,0的方法为：
其中，表示从Tx经DMR中所有采用IRS反射的DMRU到Rx的等效信道矩阵，/>表示DMR中所有采用DF中继转发的DMRU与Rx之间的等效信道矩阵；H表示矩阵的转换，S1表示当前的DMR工作模式选择矩阵，Φ1表示当前的IRS的反射系数矩阵；
计算第0次迭代时Rx的数据速率为：
其中，是等效信道矩阵/>的第m行向量，/>是等效信道矩阵/>的第m行向量，/>表示Rx恢复第m路数据使用的滤波向量；wDF,0,m和wTx,0,m分别表示波束成形矩阵WDF,0和WTx,0的第m列向量，/>表加性高斯白噪声的方差。
6.根据权利要求2、4或5所述的智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法，其特征在于，步骤S103中将迭代次数l加1，计算第l次迭代时IRS的反射系数矩阵Φl，使用迫零波束成形算法计算第l次迭代时Tx和DMR的波束成形矩阵WTx,l和WDF,l，计算第l次迭代时Rx的数据速率RDM,l。
7.根据权利要求6所述的智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法，其特征在于，所述计算第l次迭代的IRS反射系数矩阵其计算由下式给出：
s.t.βm∈[0,1],αm∈[0,2π),m∈{1,…,M}
其中，表示第l次迭代时无源IRS的反射系数矩阵，αm和βm分别表示第m个DMRU采用IRS模式时的反射相位系数和反射振幅系数；
使用迫零波束成形算法计算第l次迭代时Tx的波束成形矩阵WTx,l和DMR的波束成形矩阵WDF,l为：
其中，表示从Tx经DMR中所有采用IRS反射的DMRU到Rx的等效信道矩阵，/>表示DMR中所有采用DF中继转发的DMRU与Rx之间的等效信道矩阵；Sl+1表示第l次迭代的DMR工作模式选择矩阵，Φl+1表示第l次迭代的IRS的反射系数矩阵；
计算第l次迭代时Rx的数据速率为：
其中，是等效信道矩阵/>的第m行向量，/>是等效信道矩阵/>的第m行向量，/>表示Rx恢复第m路数据使用的滤波向量；wDF,l,m和wTx,l,m分别表示波束成形矩阵WDF,l和WTx,l的第m列向量，/>表加性高斯白噪声的方差。
8.根据权利要求4、5、或7所述的智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法，其特征在于，所述步骤S104中计算第l次迭代时Rx的数据数率RDM,l与第l-1次迭代时的Rx的数据数率RDM,l-1的差值的绝对值Rdif＝|RDM,l-RDM,l-1|，若绝对值Rdif大于收敛阈值ε且迭代次数l未超过最大迭代次数lmax，执行步骤S103；否则，将DMR工作模式选择矩阵Sn、第l次迭代Rx的数据速率RDM,l、Tx的波束成形矩阵WTx,l和DMR的波束成形矩阵WDF,l以及IRS的反射系数矩阵Φl分别添加到集合集合ΩR、集合/>集合/>和集合ΩΦ中，即/>ΩR←ΩR∪{RDM,l}、/>和ΩΦ←ΩΦ∪{Φl}。
9.根据权利要求1所述的智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法，其特征在于，所述步骤S105中比较Rx的最佳数据速率集合ΩR内所有元素的数据速率的大小，DMR选择Rx数据速率集合中值最大的元素对应的DMR工作模式，并调整Tx和DMR的波束成形矩阵和IRS的反射系数矩阵，实现方法为：
从DMR工作模式集合选择获得最佳数据速率RDM,max的DMR工作模式选择矩阵Smax，根据DMR工作模式选择矩阵Smax调整DMR的工作模式，从波束成形矩阵集合/>波束成形矩阵集合/>和IRS反射系数矩阵集合ΩΦ中分别选择获得最佳数据速率RDM,max的Tx的波束成形矩阵WTx,max和DMR的波束成形矩阵WDF,max以及IRS的反射系数矩阵Φmax，根据波束成形矩阵WTx,max、波束成形矩阵WDF,max和IRS的反射系数矩阵Φmax分别调整Tx和DMR的波束成形矩阵以及IRS反射系数矩阵。
10.一种应用权利要求1～9任意一项所述一种智能反射表面辅助的双模中继自适应传输方法的无线通信***，包括一个Tx、一个Rx和DMR，Tx与Rx的通信由DMR进行协助。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310801888.8A CN116827406A (zh) | 2023-06-30 | 2023-06-30 | 一种智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310801888.8A CN116827406A (zh) | 2023-06-30 | 2023-06-30 | 一种智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116827406A true CN116827406A (zh) | 2023-09-29 |
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ID=88114309
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310801888.8A Pending CN116827406A (zh) | 2023-06-30 | 2023-06-30 | 一种智能反射面辅助的双模中继自适应传输方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116827406A (zh) |
-
2023
- 2023-06-30 CN CN202310801888.8A patent/CN116827406A/zh active Pending
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