[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

说明书

本发明提出了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。该方法中，用户发送信号经IRS反射被基站接收，IRS的反射单元能改变入射信号的相位。本发明利用部分信道状态信息，同时考虑IRS反射系数能够连续取值和离散取值的两种不同情况，通过交替优化方法、确定性等同原理、二次惩罚方法、MM方法和加速投影梯度下降等方法，联合设计各用户的预编码矩阵和IRS的反射系数最大化能效和谱效的加权和。当信道状态信息变化时，中央控制器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。本发明实现复杂度低，能够有效提高多用户MIMO上行通信的能效和谱效，实现两者的平衡。

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种利用部分信道状态信息的智能反射面辅助的多用户MIMO上行能效谱效联合优化方法。

背景技术

智能反射面(Intelligent Reflecting Surface，IRS)是由一种由被动无源的反射单元组成的可编程表面，通过控制反射元件的形状、大小和方向等，每一个反射单元能够独立地改变入射信号的相位或幅度。

在IRS辅助的无线通信系统中，在发送端和接收端之间加入IRS，信号由发送端发出经IRS反射到达接收端。IRS的每个元件独立地对入射信号进行相位或幅度的改变，因此能够智能地重新配置无线传播环境，从而显著提高无线通信网络的性能。

在IRS辅助的多用户MIMO上行通信中，为了更好地平衡系统的能效和谱效，需要联合设计各用户上行发送信号的功率分配矩阵和IRS的反射系数最大化能效和谱效的加权和。传统的无线传输方法设计通常基于瞬时信道状态信息，但是在高移动性等场景下，瞬时信道状态信息获取困难，因此本发明给出了一种基于部分信道状态信息的IRS辅助的多用户MIMO上行传输方法。对于最大化能效谱效加权和的优化问题，由于目标函数是非凸的且IRS反射系数的约束也是非凸的，求解通常较为困难。此外，目标函数需要求期望，当IRS反射单元数量较多时，计算复杂度很高。

发明内容

发明目的：针对IRS辅助的多用户MIMO上行链路传输，本发明提供一种利用部分信道状态信息的能效谱效联合优化的IRS辅助多用户MIMO上行链路传输方法，能够有效提高系统的能效和谱效，实现能效和谱效的平衡，并降低实现复杂度。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的能效谱效联合优化的IRS辅助的多用户MIMO上行链路传输方法，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，即各用户上行发送信号的方向，可由各用户到IRS的信道矩阵的发送相关阵的特征向量确定；中央控制器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、Minorization-Maximization(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，中央控制器更新部分信道状态信息，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。