[发明专利]一种波束赋形方法、装置、计算机设备和存储介质

说明书

本发明适用无线通信领域，提供波束赋形方法、装置、计算机设备和存储介质，包括：根据从用户发射机到从用户接收机的通道、智能反射面到从用户接收机的反射通道、从用户发射机到智能反射面的通道、智能反射面相移矩阵及主动发射预编码矩阵，确定每个从用户接收机的信噪比；根据通过智能反射面从从用户发射机到主用户接收机的级联信道、从用户发射机到智能反射面的通道及主动发射预编码矩阵，确定施加在主用户接收机的干扰温度；根据信噪比、干扰温度、反射波束形成的单位模量，基于有界信道状态信息误差模型求解最优的主动发射预编码矩阵及最优的智能反射面相移矩阵。本发明可以实现在主从用户间信道状态信息不精确时从用户发送功率的显著降低。

技术领域

本发明属于无线通信领域，尤其涉及一种波束赋形方法、装置、计算机设备和存储介质。

背景技术

作为一项革命性的技术，智能反射面(IRS)通过预编程的控制器可以提高无线通信系统的频谱和能效，因此受到了学术界和工业界的广泛关注。IRS配备了大量由特殊材料制成的元件，通过调节入射射频波的反射系数(即相位或幅度)来实现被动反射。由IRS反射的信号可以与其它信号路径相加，以增加期望接收器处的信号强度，或减轻非预期用户的同信道干扰。现有的研究成果表明，IRS技术有望提高IRS辅助无线系统的频谱效率和能量利用率。例如，基站 (BS)的主动发射预编码(TPC)和IRS处的被动波束形成被联合优化，以实现某些性能指标，例如最大化信道容量和物理层安全速率，以及最小化传输延迟和总发射功率。另一种提高频谱利用率的有效技术是认知无线电(CR)，它被认为是未来无线通信系统中有可能实现频谱共享的一种技术。然而，CR系统的挑战在于主用户(PU)和从用户(SU)的性能改进是相互冲突的。具体来说，为了提高SU的性能，应该增加SU发射机(ST)的发射功率以增强SU接收机(SR) 的信号强度，这将增加对PU接收机(PR)的干扰。幸运的是，这个问题可以通过在CR系统中引入IRS来解决，因为IRS可以通过联合优化TPC和相移来帮助增加SU的期望信号强度并减轻对PU的共信道干扰。然而，现有的技术大多是基于发射端完全信道状态信息(CSI)的假设。然而，估计与IRS相关的信道，例如从BS到IRS(BS-IRS)和IRS到用户(IRS-user)是困难的，因为IRS 是无源的，既不能发送也不能接收导频符号。这种挑战在IRS辅助的CR系统中更为严峻，因为由于PU和SU之间的冲突关系，从ST到PR的信道更难估计。

估计级联BS-IRS用户信道，它是BS-IRS信道和IRS-user信道的乘积。由于IRS不需要有源射频链，因此估计级联BS-IRS用户信道更为经济有效。然而，在IRS辅助通信系统中，由于信道估计的挑战性，信道估计误差是不可避免的。在设计传输方案时，应考虑对系统性能的影响。因此，在考虑信道估计误差的情况下，研究IRS辅助无线系统的稳健波束形成设计是十分必要的。

G.Zhou等在不完全CSI的假设下，研究了IRS辅助多用户MISO系统的最坏情况下的鲁棒波束形成设计，目的是通过联合优化TPC和相移来最小化BS 的发射功率；X.Yu等对CSI未知的多天线潜在窃听器的最坏情况下的稳健波束形成设计进行了研究，为了提高系统的安全性，提出了波束形成矢量和人工噪声协方差矩阵的联合设计方法；然而，这两种算法因为IRS需要额外的有源元件导致很难实现。G.Zhou等使用了级联信道估计方法，其中基于发射机处不完全级联IRS相关信道提出了鲁棒传输波束形成的框架，利用S-procedure方法和Bernstein型不等式分别逼近最坏情况下的速率约束和速率中断概率约束，求解优化问题。然而，这种稳健的波束形成设计可能不适用于CR网络。D.Xu等分别研究了认知无线电系统在智能反射面辅助下的系统容量最大化的鲁棒性波束赋形方法，但只考虑了PU与ST之间的直接信道，没有考虑经过IRS的间接信道。Jie Yuan等同样考虑了在多输入单输出(MISO)认知无线电系统中引入智能反射面，来研究PU和SU之间信道状态信息有误差时从用户数据速率最大化的波束赋形方法，但该方法不能保证从用户服务质量需求。

由此可见，现有的波束赋形方法存在优化的鲁棒性无法得到保证，以及不能保证从用户服务质量需求的问题。

发明内容