[发明专利]智能反射面辅助无线通信系统的波束成形设计方法

权利要求书

1.一种智能反射面辅助无线通信系统的波束成形设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

其一、基于智能反射面的无线通信系统模型：

在系统模型中，具有N个反射单元的智能反射面被部署用来协助具有M根天线的基站与单天线用户之间的通信；用对角阵来表示智能反射面对信号的操作，其中参数θ_i∈[0，2π)表示第i个反射单元的相移；假设信道服从瑞利块衰落，并且信道的实现是随机的且在块间是独立的，记基站与用户、基站与智能反射面以及智能反射面与用户之间的信道分别为以及直传信道h_d和级联信道h_IRS＝Gh_r均服从复高斯分布，其中矩阵C_d和C_IRS为协方差矩阵；

用和分别描述基站端和用户端的硬件损伤，并且考虑下行链路，协方差矩阵γ_BS和方差v_UE分别为：

v_UE＝κ_UE(1+κ_BS)tr(X) (2)

其中，κ_BS和κ_UE分别表示基站端和用户端硬件损伤程度的比例系数，表示基站所发送的信号，矩阵X为：

智能反射面的硬件损伤则建模为相位噪声；第i个反射单元的相位噪声记为Δθ_i，其服从[-π，π)上的零均值随机分布，即且其概率密度函数是关于均值对称的；智能反射面对信号的实际操作为：

在下行链路中，用户所接收到基站发来的信号为：

其中，表示智能反射面辅助的无线通信系统的整体信道，表示服从复高斯分布的加性噪声；

其二、发射波束成形设计：

基站所发送的信号x＝w_BSx_BS，其中x_BS服从复高斯分布w_BS为单位波束成形向量；由公式(5)得到接收信噪比为：

根据所建立的硬件损伤模型，公式(6)中这一项重写为：

同理，公式(6)中和v_UE这两项分别重写为：

将公式(7)-(9)代入公式(6)，得到：

公式(10)中的矩阵D为：

公式(10)是广义瑞利商形式，给出了最优的发射波束成形向量为：

此时，接收信噪比为：

其三、反射波束成形设计：

对于一个具有N个反射单元的智能反射面辅助无线通信系统，通过优化相移向量θ＝[θ₁，…，θ_N]^T来最大化频谱效率；反射波束成形设计问题被构造为一个优化问题：

(P1)：

其中，优化变量θ隐含在整体信道中；

为了进一步分析问题，本发明利用公式(14)作为引理：对于给定的N×N矩阵B、以及其中B和B+τqq^H可逆，则有

因此，利用公式(14)，P1可以被转换为：

(P2)：

其中，矩阵为：

目标函数的最大值可以通过最大化分子项来获得。目标函数是关于θ_i的以2π为周期的函数，所以优化问题的约束条件可以被忽略。另外，其中向量为矩阵的向量化。从而，P2可以被等价地转换为：

(P3)：

其中，h_d，i为直传信道向量h_d的第i个元素，row_i为矩阵Gdiag(h_r)的第i行向量。值得注意的是，智能反射面的相位噪声对于基站而言是未知的，所以基站只能利用其统计特征，即来进行反射波束成形设计。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由于P3的目标函数具有非凸分式求和的形式，利用梯度下降算法来进行优化得到近似全局最优解：

目标函数是关于向量变量θ的标量函数，通过引入共轭坐标和中间变量保证目标函数是复解析的；

目标函数是一个复合函数，其中间变量为和自变量或优化变量为θ；根据Jacobian矩阵辨识、实值函数对向量求导法则以及复合函数求导法则，得到：

其中，k＝(1+κ_UE)κ_BS，矩阵V为：

基于推导出的梯度，通过在梯度方向上搜索从而快速获得目标函数的局部最优解。