irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化方法及装置
技术领域
1.本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化方法及装置。
背景技术：2.在传统的通信系统中，无线环境是不可控的，这将对通信服务质量产生很大的影响。智能反射(intelligent reflecting surface,irs)由于能够智能地重新配置无线信道环境，受到了广大用户的欢迎。目前，智能反射面已被广泛应用于不同的无线网络中，以提高数据速率、覆盖范围、安全性或能量采集，如定向调制、空间调制、安全无线信息和功率传输、mimo和中继网。要实现智能反射面创造的智能无线环境，如何将智能反射面与现有的无线技术相结合是至关重要的。
3.由于智能反射面是一种低成本、低功耗的无源反射器，将智能反射面与中继网相结合可以在成本、性能和覆盖范围之间取得良好的平衡。最近，有一些关于继电保护和irs相结合的研究工作。其中e.bjrnson对智能反射面和单向译码转发中继进行了比较，发现在具有数百个元素的智能反射面中，在能量效率方面可能优于解码转发中继。z.abdullah提出了一种适用于未来无线网络的新型混合单天线中继和智能反射面辅助系统，推导了可达速率的严格上界，并发现在中低信噪比区域，使用单天线解码转发中继可以节省大量的反射元件来达到相同的性能。另外，x.wan在中继处增加了天线，并提出了三种高性能的最大化接收功率的方法，分别是交替迭代结构、零空间投影+最大比合并和智能反射面元素选择+最大比合并。通过对中继端的波束形成和智能反射面端的相移进行优化，码率性能得到了明显的改善。j.wang考虑了一种ris辅助的双向放大转发中继网络。在智能反射面辅助的多天线基站中，采用信噪比上界最大化方法和遗传信噪比最大化方法得到相移矩阵。z.sun研究了智能反射面辅助的双向中继网络中的导频模式和信道估计，以证明hadamard矩阵对于使用低分辨率移相器的信道估计是理想的。
4.但是，目前还没有针对irs辅助的多天线解码转发中继网络中相位的相关研究。
技术实现要素：5.本发明的目的在于提供一种智能反射面辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化方法及装置，从最大化和速率角度对智能反射面相位进行优化，最终取得系统速率提升的效果。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：一种irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化方法，包括以下步骤：
7.步骤1、构建智能反射面irs辅助的双向解码转发中继网络的系统模型，第一时隙中继处于多址接入阶段；
8.步骤2、在第一时隙中继接收端，通过最大化和速率构造优化问题；
9.步骤3、通过广义幂迭代对优化问题进行求解，实现智能反射面的相位优化。
10.一种irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化装置，包括：
11.模型构建模块，用于构建智能反射面irs辅助的双向解码转发中继网络的系统模型，第一时隙中继处于多址接入阶段；
12.优化问题构建模块，用于在第一时隙中继接收端，通过最大化和速率构造优化问题；
13.优化问题求解模块，用于通过广义幂迭代对优化问题进行求解，实现智能反射面的相位优化。
14.一种移动终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化方法。
15.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化方法中的步骤。
16.本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用最大化和速率方法优化智能反射面的相位，通过广义幂迭代求解优化问题，提高了系统的和速率性能；(2)针对第一时隙采用最大化和速率的方法，比在随机相位下获得了至少20％的和速率增益；(3)当中继和智能反射面位于源和目标之间时，可以获得最优和速率。
17.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
18.图1是本发明irs辅助的双向解码转发中继网络的结构示意图。
19.图2是本发明中的广义幂迭代流程图。
20.图3是本发明中的广义幂迭代收敛图。
21.图4是本发明中的和速率-距离图。
具体实施方式
22.本发明一种irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化方法，包括以下步骤：
23.步骤1、构建智能反射面irs辅助的双向解码转发中继网络的系统模型，第一时隙中继处于多址接入阶段；
24.步骤2、在第一时隙中继接收端，通过最大化和速率构造优化问题；
25.步骤3、通过广义幂迭代对优化问题进行求解，实现智能反射面的相位优化。
26.作为一种具体示例，步骤3之后还包括：
27.步骤4、通过和速率-距离仿真结果，对相位优化结果进行验证。
28.作为一种具体示例，步骤1所述构建智能反射面irs辅助的双向解码转发中继网络的系统模型，具体如下：
29.假设源和目标配1根天线，智能反射面有n个反射单元，中继配m根天线；
30.第一时隙中继处于多址接入阶段，中继收到信号表达式是
[0031][0032]
式中，ps和pd分别为源和目标的发射功率；h
sr
、h
ir
、h
si
、h
dr
、h
di
分别代表源到中继、智能反射面到中继、源到智能反射面之间、目标到中继和目标到智能反射面的信道，θ为智能反射面的相位矩阵；xs、xd为源和目标发射的信号；wr为中继处的高斯白噪声。
[0033]
作为一种具体示例，步骤2所述在第一时隙中继接收端，通过最大化和速率构造优化问题，具体如下：
[0034]
接下来描述优化问题用到的转换和第一时隙的速率公式：
[0035]
为了方便第一时隙速率公式的表达，首先将相移矩阵与信道矩阵的乘积进行等式变换
[0036]
diag(h
si
)θ＝θh
si
，diag(h
di
)θ＝θh
di
[0037]
进一步进行以下定义：
[0038][0039][0040][0041]
因此得到第一时隙中源到中继的表达式和目标到中继的表达式：
[0042][0043][0044]
接下来先描述最大化和速率：
[0045][0046][0047]
式中式中代表智能反射面的第n个反射单元，n∈[1,n+1]，的第n+1个元素为单位1；|| ||2代表向量2范数的平方；
[0048]
优化问题等价为
[0049][0050][0051]
其中
[0052][0053]
[0054]
式中i
n+1
代表n+1维单位矩阵，n代表智能那反射面的有n个反射单元；
[0055]
放松得到最终的优化问题：
[0056][0057][0058]
作为一种具体示例，步骤3所述通过广义幂迭代对优化问题进行求解，实现智能反射面的相位优化，具体如下：
[0059]
最终的优化问题重写为
[0060][0061][0062]
由于(n+1)2是一个常数，上式重写为
[0063][0064][0065]
通过广义幂迭代来解决上式描述的问题，广义幂迭代算法流程如下：
[0066]
①
初始化变量为初始化迭代次数k＝1；
[0067]
②
计算矩阵
[0068]
③
计算
[0069]
④
计算
[0070]
⑤
如果停止；否则设置k＝k+1，然后返回步骤
②
；
[0071]
其中
[0072]
式中|| ||2代表列向量的二范数、κ代表跳出广义幂迭代算法循环的条件；
[0073]
通过广义幂迭代找到智能反射面的最优相位。
[0074]
本发明一种irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化装置，包括：
[0075]
模型构建模块，用于构建智能反射面irs辅助的双向解码转发中继网络的系统模型，第一时隙中继处于多址接入阶段；
[0076]
优化问题构建模块，用于在第一时隙中继接收端，通过最大化和速率构造优化问题；
[0077]
优化问题求解模块，用于通过广义幂迭代对优化问题进行求解，实现智能反射面的相位优化。
[0078]
作为一种具体示例，所述模型构建模块，具体如下：
[0079]
假设源和目标配1根天线，智能反射面有n个反射单元，中继配m根天线；第一时隙中继处于多址接入阶段，确定中继收到信号表达式。
[0080]
作为一种具体示例，所述的irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化装置，还包括效果验证模块，用于通过和速率-距离仿真结果，对相位优化结果进行验证。
[0081]
一种移动终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化方法。
[0082]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化方法中的步骤。
[0083]
下面结合附图和具体实例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
[0084]
实施例
[0085]
结合图1，本发明假设源和目标配1根天线，智能反射面有n个反射单元，中继配m根天线。第一时隙中继处于多址接入阶段，中继收到信号表达式是
[0086][0087]
ps和pd为源和目标的发射功率；h
sr
、h
ir
、h
si
、h
dr
、h
di
代表源、中继、智能反射面之间的信道，θ为智能反射面的相位矩阵；xs、xd为源和目标发射的信号；wr为中继处的高斯白噪声。
[0088]
本发明提出了最大化和速率的相位优化方法。
[0089]
首先描述优化问题用到的转换和第一时隙的速率公式。
[0090][0091][0092][0093][0094][0095]
接下来我们先描述最大化和速率。
[0096][0097][0098]
上述优化问题等价为
[0099][0100]
[0101]
其中
[0102][0103][0104]
上述问题放松得到
[0105][0106][0107]
这里计划通过广义幂迭代来解决这个问题，算法总结在下面表格，上述优化问题可以重写为
[0108][0109][0110]
由于(n+1)2是一个常数，上述问题可以重写为
[0111][0112][0113]
广义幂迭代算法总结如下
[0114][0115]
其中通过广义幂迭代可以找到最优相位。
[0116]
图2为广义幂迭代流程图，展示了最大化和速率所用到的幂迭代的流程。
[0117]
图3为广义幂迭代收敛图，展示了在智能反射面不同数目反射单元下和速率的收敛情况，智能反射面反射单元数量越多收敛的越慢，迭代后提升的速率性能也越大。最大化和速率所用到的广义幂迭代方法复杂度低，因此适用于大规模相位优化。
[0118]
图4为和速率-距离图，从上到下依次表示最大化和速率、在随机相位下的智能反射面辅助双向解码转发中继网络、只有中继、在随机相位下只有智能反射面4种情况下的曲
线。从曲线中可以看出，最大化和速率的和速率最好，最大化和速率相对随机相位，速率至少提高了20％。
技术特征：1.一种irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、构建智能反射面irs辅助的双向解码转发中继网络的系统模型，第一时隙中继处于多址接入阶段；步骤2、在第一时隙中继接收端，通过最大化和速率构造优化问题；步骤3、通过广义幂迭代对优化问题进行求解，实现智能反射面的相位优化。2.根据权利要求1所述的irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化方法，步骤3之后还包括：步骤4、通过和速率-距离仿真结果，对相位优化结果进行验证。3.根据权利要求2所述的irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化方法，其特征在于，步骤1所述构建智能反射面irs辅助的双向解码转发中继网络的系统模型，具体如下：假设源和目标配1根天线，智能反射面有n个反射单元，中继配m根天线；第一时隙中继处于多址接入阶段，中继收到信号表达式是式中，p
s
和p
d
分别为源和目标的发射功率；h
sr
、h
ir
、h
si
、h
dr
、h
di
分别代表源到中继、智能反射面到中继、源到智能反射面之间、目标到中继和目标到智能反射面的信道，θ为智能反射面的相位矩阵；x
s
、x
d
为源和目标发射的信号；w
r
为中继处的高斯白噪声。4.根据权利要求3所述的irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化方法，其特征在于，步骤2所述在第一时隙中继接收端，通过最大化和速率构造优化问题，具体如下：接下来描述优化问题用到的转换和第一时隙的速率公式：为了方便第一时隙速率公式的表达，首先将相移矩阵与信道矩阵的乘积进行等式变换diag(h
si
)θ＝θh
si
，diag(h
di
)θ＝θh
di
进一步进行以下定义：进一步进行以下定义：进一步进行以下定义：因此得到第一时隙中源到中继的表达式和目标到中继的表达式：的表达式：接下来先描述最大化和速率：
式中式中代表智能反射面的第n个反射单元，n∈[1,n+1]，的第n+1个元素为单位1；|| ||2代表向量2范数的平方；优化问题等价为优化问题等价为其中其中式中i
n+1
代表n+1维单位矩阵，n代表智能那反射面的有n个反射单元；放松得到最终的优化问题：放松得到最终的优化问题：5.根据权利要求4所述的irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化方法，其特征在于，步骤3所述通过广义幂迭代对优化问题进行求解，实现智能反射面的相位优化，具体如下：最终的优化问题重写为最终的优化问题重写为由于(n+1)2是一个常数，上式重写为是一个常数，上式重写为通过广义幂迭代来解决上式描述的问题，广义幂迭代算法流程如下：
①
初始化变量为初始化迭代次数k＝1；
②
计算矩阵
③
计算
④
计算
⑤
如果停止；否则设置k＝k+1，然后返回步骤
②
；其中式中|| ||2代表列向量的二范数、κ代表跳出广义幂迭代算法循环的条件；通过广义幂迭代找到智能反射面的最优相位。6.一种irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化装置，其特征在于，包括：模型构建模块，用于构建智能反射面irs辅助的双向解码转发中继网络的系统模型，第一时隙中继处于多址接入阶段；优化问题构建模块，用于在第一时隙中继接收端，通过最大化和速率构造优化问题；优化问题求解模块，用于通过广义幂迭代对优化问题进行求解，实现智能反射面的相位优化。7.根据权利要求6所述的irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化装置，其特征在于，所述模型构建模块，具体如下：假设源和目标配1根天线，智能反射面有n个反射单元，中继配m根天线；第一时隙中继处于多址接入阶段，确定中继收到信号表达式。8.根据权利要求6所述的irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化装置，其特征在于，还包括效果验证模块，用于通过和速率-距离仿真结果，对相位优化结果进行验证。9.一种移动终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至5中任一项的irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化方法。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1至5中任一项所述irs辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化方法中的步骤。
技术总结本发明公开了一种IRS辅助的双向解码转发中继网络中最大化和速率的相位优化方法及装置，所述方法为：构建智能反射面IRS辅助的双向解码转发中继网络的系统模型，第一时隙中继处于多址接入阶段；在第一时隙中继接收端，通过最大化和速率构造优化问题；通过广义幂迭代对优化问题进行求解，实现智能反射面的相位优化。所述装置包括模型构建模块、优化问题构建模块、优化问题求解模块。本发明针对第一时隙提出了最大化和速率的方法，比在随机相位下获得了至少20％的和速率增益；此外，还证明了当中继和智能反射面位于源和目标之间时，可以获得最优和速率。得最优和速率。得最优和速率。
技术研发人员：束锋 张鹏 王雪辉 揭琦娟 丁耀晖 邹骏 董榕恩 张旗
受保护的技术使用者：海南大学
技术研发日：2022.06.30
技术公布日：2022/11/1
