[发明专利]一种IRS辅助下行多用户通信系统的相移优化方法

说明书

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及到一种IRS辅助下行多用户通信系统的相移优化方法包括建立移动用户的IRS辅助通信系统模型，并基于最优解码矩阵的均方误差矩阵和信道容量之间的关系，以信道容量最大化为目标构建IRS辅助通信系统的信道容量优化模型；求解信道容量优化模型中最优解码矩阵、辅助矩阵以及预编码矩阵，根据信道容量优化模型及其已知矩阵构建IRS相移优化模型；采用黎曼信赖域方法对IRS相移优化模型进行求解，获得最佳相移，并将其作为IRS相移矩阵的主对角元素；本发明在未损失吞吐量的情况下，极大降低复杂度，并且本发明获得的信道容量均大于同等情况下传统方法获得的信道容量。

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及到一种使智能反射表面(IntelligentReflecting Surfaces，IRS)辅助下行多用户通信系统的相移优化方法。

背景技术

随着第五代(5G)无线通信网络的商业化，意味着未来的无限网络的频谱效率更高、传输速率更快、系统容量更大，理论上，其频谱效率能够比4G高出5到15倍，其峰值传输速度能够达到10Gbit/s。大规模天线阵列(M-MIMO)和毫米波(mm-Wave)通信等5G关键技术为实现此功能做出了有效贡献。然而，额外的高硬件成本，巨大的功耗或者能源消耗以及5G基站的选址是它们在实践中实施的主要障碍。因此，为了在5G和无线网络之外实现绿色和可持续发展，寻找频谱和高能效技术的研究对于可持续容量增长仍然至关重要。为了解决上述挑战，在5G和下一代移动通信系统中，智能反射面(Intelligent ReflectingSurfaces，IRS)被认为是一种有前途的绿色，高成本效益，节能和频谱高效的技术。为了满足新一代无线网络的要求，能够达到更高频谱速率、连接更多的用户数、实现更大的系统容量，传统的5G技术无法完美的满足这些要求，智能反射表面技术的提出为这一方向找到了突破口。

IRS是由电磁材料组成的人造表面，可以通过在表面上集成大量低成本的无源反射元件来智能地调整无线传播环境。此外，IRS外形小巧，重量轻，为实际实施提供了很高的灵活性。例如，IRS可以轻松地从墙壁，天花板，广告板甚至衣服上安装/拆卸。并且，与传统的多用户通信系统相比，多天线基站使用不同的线性预编码器同时服务不同的用户，这比单天线的基站极大地提高了频谱效率。但是当相邻的用户靠得比较近时，会产生较严重的共信道干扰，那么传统的线性预编码器对消除用户间的干扰无效。但是通过有效地布置IRS可以解决用户间干扰问题，因为IRS通过优化其反射系数来提供额外的控制信号路径，这可以有效的消除相邻用户间的信道干扰。

在IRS辅助通信系统中，基站信号在经过IRS时，IRS通过在表面施加外部刺激(外部电流变化)进而从特定方向反射入射电磁波。IRS作为未来移动通信的关键技术，为了使其在实际应用中发挥出更优越的性能，得到更高的频率效率，更高的系统容量以及更好的能量效率，对IRS辅助通信系统中IRS相移优化研究尤为重要。现有的IRS辅助通信系统相移优化算法大都采用半定松弛技术(Semi-Definite Relaxation，SDR)，这种算法虽然可以最大化系统吞吐量，但是不仅算法实现复杂度高而且获得的只是一个近似解，在具体实现时可能产生不可避免的误差。

发明内容

为了在总功率限制和IRS相移所引起的单位模量约束的条件下最大化信道容量，本发明提出一种IRS辅助下行多用户通信系统的相移优化方法，具体包括以下步骤：

建立移动用户的IRS辅助通信系统模型，并基于最优解码矩阵的均方误差矩阵和信道容量之间的关系，以信道容量最大化为目标构建IRS辅助通信系统的信道容量优化模型；

求解信道容量优化模型中最优解码矩阵、辅助矩阵以及预编码矩阵，根据信道容量优化模型及其已知矩阵构建IRS相移优化模型；

采用黎曼信赖域方法对IRS相移优化模型进行求解，获得最佳相移，并将其作为IRS相移矩阵的主对角元素。

进一步的，以信道容量最大化为目标构建IRS辅助通信系统的信道容量优化模型表示为：