[发明专利]智能反射面辅助的多用户MIMO上行能效谱效联合优化方法

权利要求书

1.一种智能反射面辅助的多用户MIMO上行能效谱效联合优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

在多用户MIMO上行传输中，各用户发送信号到达智能反射面IRS，IRS的每个反射单元能够独立地改变入射信号的相位，经IRS反射后的信号到达基站；各用户最优发送信号协方差矩阵的特征向量由各用户到IRS的信道矩阵的发送相关阵的特征向量确定；

利用部分信道状态信息，包括各用户到IRS的统计信道状态信息和IRS到基站的瞬时信道状态信息，以能效谱效联合优化为准则联合设计各用户的功率分配矩阵和IRS的反射系数；所述能效谱效联合优化问题的目标为在满足各用户发送功率约束和IRS各反射系数的约束下最大化系统能效和谱效的加权和，其中谱效为系统遍历和速率，能效为系统带宽与谱效的乘积，再与系统总功率消耗的比值；

其中各用户的功率分配矩阵和IRS反射系数的联合优化基于如下交替优化方法：在给定IRS反射系数的条件下，利用确定性等同原理和Quadratic变换，迭代优化得到局部最优的功率分配矩阵；在给定各用户功率分配矩阵的条件下，利用块坐标下降法、二次惩罚方法、MM方法和加速投影梯度下降法设计IRS的反射系数；迭代、交替实施各用户功率分配矩阵和IRS端反射系数的优化过程直至相邻两次能效和谱效的加权和之差小于某个给定的阈值；

随着通信过程中各用户和IRS之间的统计信道状态信息以及IRS和基站之间的瞬时信道状态信息发生变化，动态实施能效谱效联合优化的多用户MIMO上行发送功率分配和IRS反射系数调整；

系统谱效表示为：

其中，为IRS到基站的信道矩阵，M为基站接收天线数，N_R为IRS反射单元数，为第k个用户到IRS的信道矩阵，U_2，k和V_2，k是确定性酉矩阵，分别表示接收和发送相关阵的特征矩阵，N_k为第k个用户的发送天线数，为对角矩阵，表示IRS的反射系数矩阵，第n个对角线元素φ_n为IRS的第n个反射单元的反射系数，为各用户功率分配矩阵的集合，Λ_k为第k个用户的发送功率分配矩阵，K为小区中用户总数，I_M表示一个M×M的单位矩阵，σ²表示噪声方差，log表示对数运算，det表示取矩阵的行列式运算，E{.}表示期望运算；

所述系统能效表示为：

其中，W表示系统带宽，ξ_k为第k个用户功率放大器效率的倒数，P_c，k为第k个用户处的静态电路功耗，P_BS和N_RP_s分别为基站和IRS的静态硬件耗散功率，tr{·}表示取矩阵迹的运算；

所述系统能效和谱效的联合优化问题表示为：

s.t.tr{Λ_k}≤P_max，k，

Λ_k≥0，k＝1，...，K，

其中，

β＞0为加权系数，P_max，k为第k个用户的最大发送功率约束，为IRS反射系数的约束，当IRS反射系数的相位可以连续取值时，其中j是虚数单位，θ是IRS的反射系数的相位；当IRS反射系数的相位只能取有限个离散值时，τ是可取的离散相位值的个数；

利用Quadratic变换引入辅助变量转换后一系列凹优化子问题表示为：

其中q指示迭代次数，y^(q+1)是引入的辅助变量，由第q次的迭代结果Λ^(q)计算

和分别为系统谱效和能效的确定性等同表达。