本發(fā)明涉及無線通信，具體涉及一種智能超表面輔助高速移動(dòng)場(chǎng)景下無線通信的交替優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)、無線通信網(wǎng)絡(luò)和人工智能的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出了實(shí)時(shí)在線游戲、智能城市等越來越多的應(yīng)用，例如傳感器、手機(jī)等移動(dòng)用戶設(shè)備更是迎來了爆炸式的增長。車載通信網(wǎng)絡(luò)作為5g的重要應(yīng)用，對(duì)于車內(nèi)用戶通信的傳輸速率、時(shí)延和可靠性提出了更高的要求。盡管專用進(jìn)程通信標(biāo)準(zhǔn)的提出，為傳統(tǒng)車載通信提供了很大的支撐，然而，受限于專用進(jìn)程通信標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋范圍和通信容量，車內(nèi)用戶高數(shù)據(jù)速率通信的要求無法得到很好的滿足。為解決這一問題，部分研究通過將毫米波運(yùn)用于車載網(wǎng)絡(luò)，利用其豐富的頻譜資源來實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸速率，但是毫米波由于其本身高頻特點(diǎn)，在傳播過程中發(fā)生嚴(yán)重的路徑損耗，從而帶來毫米波鏈路易受阻擋、頻繁中斷的問題，導(dǎo)致車載通信的中斷概率較高，覆蓋率較低。另一種解決方案則是在發(fā)射端發(fā)射更大的功率以滿足車輛所需的通信需求，但這顯然會(huì)造成能源的浪費(fèi)，不是一種經(jīng)濟(jì)可行的方法。

2、智能超表面的出現(xiàn)為上述瓶頸提供了一種具有成本效益的解決方案，其可以通過調(diào)節(jié)信號(hào)反射或者折射實(shí)現(xiàn)智能和可重構(gòu)的無線電環(huán)境，此外，這種技術(shù)能夠在不產(chǎn)生額外噪聲的條件下，幾乎完全將入射的電磁波能量反射或者折射出去。要獲得智能超表面的高無源波束成型增益，獲取智能超表面與其相關(guān)基站和用戶之間鏈路的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息至關(guān)重要。然而，由于以下原因，使得這在實(shí)踐中具有挑戰(zhàn)性。首先，智能超表面只能進(jìn)行無源信號(hào)反射/折射，這就使得通過需要有源發(fā)射機(jī)/接收機(jī)的傳統(tǒng)方法獲取信道狀態(tài)信息變得不可行。其次，智能超表面通常由大量無源元件組成，這可能會(huì)導(dǎo)致信道估計(jì)所需的訓(xùn)練開銷顯著增加，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝慨a(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了提出一種智能超表面輔助高速移動(dòng)場(chǎng)景下無線通信的交替優(yōu)化方法，通過靈活的智能超表面配置消除多普勒頻移等干擾以充分發(fā)揮傳輸方案的性能；相比基于瞬時(shí)信道狀態(tài)信息的智能超表面?zhèn)鬏敺桨?，本發(fā)明的基于統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息的傳輸方案對(duì)信道估計(jì)要求低，在實(shí)際高速移動(dòng)通信中更具可行性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

3、一種智能超表面輔助高速移動(dòng)場(chǎng)景下無線通信的交替優(yōu)化方法，所述交替優(yōu)化方法包括以下步驟：

4、s1，根據(jù)高速移動(dòng)場(chǎng)景下基站與車輛的位置及相關(guān)環(huán)境信息，搭建由基站、智能超表面、車輛和用戶組成的場(chǎng)景模型；

5、s2，基于統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息，對(duì)場(chǎng)景模型進(jìn)行分析，建立包括m根基站天線、n個(gè)智能超表面單元和k個(gè)用戶的智能超表面輔助多用戶通信系統(tǒng)模型，得到系統(tǒng)總遍歷頻譜效率；

6、s3，各用戶獲取智能超表面-用戶的信道狀態(tài)并反饋?zhàn)陨硗ㄐ判枨螅?/p>

7、s4，根據(jù)各用戶獲取到的環(huán)境狀態(tài)信息，針對(duì)智能超表面相移配置和用戶間功率分配問題，以最大化系統(tǒng)遍歷頻譜效率為目標(biāo)建立交替優(yōu)化模型；

8、s5，在高信噪比場(chǎng)景下，采用等功率分配，利用遍歷迭代法獲取智能超表面的最優(yōu)相移；

9、s6，在智能超表面采取最優(yōu)相移配置情況下，利用注水算法得到用戶間的功率分配方式。

10、步驟s2進(jìn)一步包括：

11、s21，建立智能超表面輔助高速移動(dòng)場(chǎng)景下的多用戶傳輸系統(tǒng)模型，系統(tǒng)包括帶有m個(gè)天線的基站、n個(gè)單元的智能超表面和k個(gè)用戶；系統(tǒng)中信號(hào)傳輸采用正交頻分復(fù)用技術(shù)，各用戶間信道相互之間是正交的，互不干擾；

12、s22，下行傳輸鏈路中，用戶的接收信號(hào)表示為：

13、????（1）；

14、其中，，表示智能超表面到第個(gè)用戶的信道；ris的透射系數(shù)矩陣由表示，其中代表ris第個(gè)透射單元的相移；為系統(tǒng)的預(yù)編碼矩陣，代表第個(gè)用戶的預(yù)編碼向量；為系統(tǒng)的功率分配矩陣，代表分配給第個(gè)用戶功率；表示個(gè)用戶的發(fā)射信號(hào)，表示復(fù)高斯噪聲；為基站到ris之間的信道，表示為：

15、??（2）；

16、其中，代表信道的萊斯因子；代表信道的nlos分量矩陣，其中的元素遵循復(fù)高斯分布，均值為0、方差為1；代表信道的los分量，表示為：

17、??（3）；

18、其中，和分別為基站上均勻線陣發(fā)射信號(hào)的陣列響應(yīng)矢量和ris上均勻線陣接收信號(hào)的陣列響應(yīng)矢量；代表由相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移；

19、在用戶側(cè)，第個(gè)用戶到ris的信道表示為：

20、????????（4）；

21、其中，為ris上均勻線陣發(fā)射信號(hào)的陣列響應(yīng)矢量，表示用戶到ris的距離向量；

22、s23，基站處采用最大比傳輸預(yù)編碼器，，第k個(gè)用戶接收到的信號(hào)表示為：

23、???（5）；

24、式中，代表ris到第k個(gè)用戶的信道，表示發(fā)送給第k個(gè)用戶的信號(hào)，代表第k個(gè)用戶受到的噪聲干擾；

25、第個(gè)用戶的信噪比表示為：

26、????（6）；

27、其中，是噪聲功率，為目標(biāo)信號(hào)功率；第個(gè)用戶的遍歷頻譜效率表示為：

28、??（7）；

29、系統(tǒng)的總遍歷頻譜效率為：

30、????????????????????????????（8）。

31、步驟s4進(jìn)一步包括：

32、s41，基站的總發(fā)射功率為，功率分配矩陣表示為：

33、????（9）；

34、其中，為第k個(gè)用戶所分配得到的功率；

35、s42，智能超表面精度受限情況下，第n個(gè)單元的相移表示為：

36、（10）；

37、其中，代表量化比特?cái)?shù)；；幅度為；

38、s43，建立如下目標(biāo)函數(shù)：

39、（11）；

40、以及相應(yīng)約束條件：

41、

42、????（12）；

43、

44、其中，目標(biāo)函數(shù)maxy是最大化系統(tǒng)總遍歷頻譜效率，約束條件c1和c2將系統(tǒng)的總發(fā)射功率限制在，也即分配給每個(gè)用戶發(fā)射功率的上限。約束條件c3指定了離散集合，確保每個(gè)ris單元的相移都取自該離散集合。

45、步驟s5進(jìn)一步包括：

46、s51，第k個(gè)用戶的遍歷頻譜效率表示為：

47、??（13）；

48、其中，為噪聲方差，表達(dá)式由下式給出：

49、??（14）；

50、得到：

51、??（15）；

52、s52，將系統(tǒng)的功率分配設(shè)置為等功率分配，，功率分配矩陣為；當(dāng)功率分配矩陣固定為時(shí)，優(yōu)化目標(biāo)簡化為：

53、??（16）；

54、s53，隨機(jī)生成一組智能超表面相移，計(jì)算此時(shí)系統(tǒng)總遍歷頻譜效率；

55、s54，從第一個(gè)智能超表面單元開始，遍歷搜索c3約束條件下的所有可能性，同時(shí)保持其他單元相移不變，計(jì)算每種相移情況下系統(tǒng)的總遍歷頻譜效率；

56、s55，比較每種相移情況下系統(tǒng)的總遍歷頻譜效率，將系統(tǒng)總遍歷頻譜效率最大時(shí)的智能超表面單元相移作為智能超表面單元的最優(yōu)相移；

57、s56，在智能超表面單元采用最優(yōu)相移配置時(shí)，依次優(yōu)化剩余智能超表面單元，直至所有智能超表面單元優(yōu)化完成；

58、s57，輸出智能超表面最優(yōu)相移配置。

59、步驟s6進(jìn)一步包括：

60、s61，在智能超表面所有單元采取遍歷迭代法得到的最優(yōu)相移配置時(shí)，定義，優(yōu)化目標(biāo)可簡化為：

61、????（17）；

62、s62，建立拉格朗日函數(shù)對(duì)目標(biāo)函數(shù)求解：

63、??（18）；

64、其中是與約束條件相關(guān)的拉格朗日乘子；用上式對(duì)求導(dǎo)可得：

65、（19）；

66、令上述導(dǎo)函數(shù)為0，解得：

67、??（20）；

68、其中，為注水算法中的注水面；

69、s63，由約束條件c1和c2，和修正為：

70、??（21）；

71、???（22）；

72、s64，輸出各用戶的功率分配。

73、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

74、本發(fā)明的智能超表面輔助高速移動(dòng)場(chǎng)景下無線通信的交替優(yōu)化方法，能夠計(jì)算出高速移動(dòng)場(chǎng)景下智能超表面的最優(yōu)相移配置和功率分配方式，克服了多普勒頻移等影響，提升了系統(tǒng)的總遍歷頻譜效率。