[发明专利]电磁辐射约束的RIS-DMA辅助多用户MIMO上行谱效优化方法

权利要求书

1.一种电磁辐射约束的RIS-DMA辅助多用户MIMO上行谱效优化方法，其特征在于，在智能反射面和动态超表面天线辅助下的多用户MIMO上行传输系统中，多个用户同时发送信号到达智能反射面，智能反射面中每个反射单元能独立地改变入射信号的相位，并将信号反射至基站接收，基站端配备有动态超表面天线作为上行传输的接收天线；

利用完整信道状态信息即智能反射面到基站间、用户到智能反射面间的瞬时信道信息，或者部分信道状态信息即智能反射面到基站间的瞬时信道信息和用户到智能反射面间的统计信道信息，以谱效最大化为准则联合设计各用户的发射协方差矩阵、智能反射面相移矩阵和动态超表面天线权重矩阵，同时使得发送信号满足功率约束和电磁辐射约束，其中电磁辐射的度量采用比吸收率，谱效定义为系统可达遍历和速率，智能反射面各单元的反射相位连续；

算法首先利用Sylvester行列式定理和矩阵投影定理得到问题的等效形式，然后以交替优化为框架分别优化发射协方差矩阵，智能反射面相移矩阵以及动态超表面天线权重矩阵：在给定智能反射面和动态超表面天线参数的情况下，通过修正注水算法得到发射协方差矩阵的注水解；在给定各用户发送协方差矩阵和动态超表面天线权重的条件下，依此利用加权最小均方误差、块坐标下降和最小最大化方法对智能反射面相移矩阵进行优化；在给定发射协方差矩阵和智能反射面各单元相移时，首先找到无约束动态超表面天线权重矩阵的闭式解，然后设计满足约束的动态超表面天线权重矩阵，从而接近无约束的性能；总体的交替优化保证收敛，并以相邻两次迭代所达到的谱效之差小于一个阈值而结束；

随着通信过程中各用户和动态超表面天线之间、智能反射面和动态超表面天线之间的信道状态信息发生变化，中央控制器动态实施电磁辐射约束的智能反射面到动态超表面天线辅助多用户MIMO上行谱效优化方法。

2.根据权利要求1所述的电磁辐射约束的RIS-DMA辅助多用户MIMO上行谱效优化方法，其特征在于，所述以交替优化为框架分别优化发射协方差矩阵，智能反射面相移矩阵以及动态超表面天线权重矩阵，具体包括以下步骤：

步骤1、在发射协方差矩阵的优化中，电磁辐射作为问题的约束被主动考虑，通过研究电磁辐射约束问题的强对偶问题，利用修正注水算法来解决在给定智能反射面和动态超表面天线参数的电磁辐射约束下的谱效最大化问题；

步骤2、在智能反射面相移矩阵的优化中，采用加权最小均方误差方法来获得智能反射面优化问题的等价形式，然后对该问题采用块坐标下降和最小最大化方法处理非凸约束，将原问题转化为一系列子问题，最终找到子问题的统一闭式解形式；

步骤3、在动态超表面天线权重矩阵的设计中，首先找到相应的无约束问题下的动态超表面天线闭式解，然后由此设计动态超表面天线权重以满足约束条件并逼近无约束动态超表面天线所达到的性能，针对这一点再次利用交替优化方法以求得有约束动态超表面天线的权重矩阵；

步骤4、循环执行步骤1到步骤3直到相邻两次迭代的系统频谱效率之差小于给定阈值；

步骤5、在部分信道状态信息情况下，用户和智能反射面之间只能得到统计信道状态信息，根据大维随机矩阵理论，采用确定性等同方法渐近逼近RIS-DMA辅助上行通信的各态遍历谱效，并利用用户到智能反射面的信道能量耦合矩阵，迭代计算系统频谱效率的确定性等同直至收敛，然后执行步骤1到步骤4获得部分信道状态信息下基于交替优化的频谱效率最大化算法。