本發(fā)明涉及無線通信，特別涉及一種近場大規(guī)模可重構(gòu)智能表面拓?fù)鋬?yōu)化及波束設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、超大規(guī)模陣列/表面(xl-array/surface)已成為未來第六代(6g)通信系統(tǒng)中實現(xiàn)超高頻譜效率和超空間分辨率的一種有前途的技術(shù)。隨著無線通信向更高的頻段遷移，例如毫米波(mm?wave)甚至太赫茲(tera?hertz,thz)，近場范圍擴大到幾十米甚至幾百米，使得近場特性更加顯著。但是這些技術(shù)面臨著自由空間路徑損耗嚴(yán)重和遮擋敏感等問題，利用大規(guī)模多輸入多輸出(massive?multiple?input?multiple?output,m-mimo)技術(shù)仍難以完全解決。

2、可重構(gòu)智能表面(reconfigurable?intelligent?surface,ris)可通過編程方式對空間電磁波進行主動智能調(diào)控，從而形成具有幅度、相位、極化和頻率可控制的電磁環(huán)境。ris具有低功耗和低成本的特點，在ris輔助的無線通信系統(tǒng)中，部署大規(guī)模的反射單元可以補償級聯(lián)信道中嚴(yán)重的"乘性衰落"效應(yīng)，因此大規(guī)模ris(extremely?large-scaleris，xl-ris)被認(rèn)為是ris未來的發(fā)展方向之一。同時，隨著反射單元數(shù)量的增加，近場區(qū)域的范圍也會隨之?dāng)U大，散射體和用戶更有可能位于近場區(qū)域。

3、在現(xiàn)有的公開技術(shù)內(nèi)容中，研究主要集中在碼本設(shè)計和波束訓(xùn)練兩方面。系統(tǒng)能從預(yù)先設(shè)計的碼本中，通過波束訓(xùn)練來選擇指向期望空間角度的波束?，F(xiàn)有的波束訓(xùn)練方案受恒模約束的影響，導(dǎo)致波束的有效方向會偏離用戶期望的區(qū)域，用戶的可達傳輸速率與實際性能之間還有較大提升空間。并且目前的工作通?？紤]經(jīng)典的xl-ris，xl-ris元件規(guī)則地排列在具有恒定間距的網(wǎng)格上，但是目前的工作通?？紤]經(jīng)典的xl-ris，xl-ris元件規(guī)則地排列在具有恒定間距的網(wǎng)格上，此時性能高度依賴xl-ris元件數(shù)，要提高xl-ris的陣列增益只能不斷增加元件數(shù)。雖然ris成本低，但擴大元件數(shù)會增加計算復(fù)雜度和造成一定的資源浪費。因此，在多用戶xl-ris輔助的無線通信中，需要深入研究新的設(shè)計方案以克服這些挑戰(zhàn)。

4、因此，在多用戶xl-ris輔助的無線通信中，需要深入研究新的設(shè)計方法以克服這些挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于近場傳播的大規(guī)?？芍貥?gòu)智能表面拓?fù)鋬?yōu)化及波束設(shè)計的方法，進一步減少xl-ris的陣列增益損失，使設(shè)計后的波束更靠近用戶的期望方向，擴大近場距離的范圍同時提升通信系統(tǒng)的容量。

2、本發(fā)明的上述技術(shù)目的是通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)的：

3、一種近場大規(guī)?？芍貥?gòu)智能表面拓?fù)鋬?yōu)化及波束設(shè)計方法，應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)，其特征在于，所述無線通信系統(tǒng)包括以下步驟：

4、step1：建立一個優(yōu)化部署xl-ris輔助多用戶的無線通信系統(tǒng)，給出xl-ris輔助無線通信的信號模型，并給出近場環(huán)境下的信道模型，接收用戶位于近場區(qū)域內(nèi)，并受到來自優(yōu)化部署的大規(guī)?？芍貥?gòu)智能表面反射的球面波束的影響；

5、step2：建立目標(biāo)函數(shù)表示最小化用戶期望波束增益誤差問題，考慮k個xl-ris波束指向用戶的實際性能，受優(yōu)化部署的xl-ris拓?fù)浼s束和波束權(quán)重的制約，將問題分解成不規(guī)則可重構(gòu)智能表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、波束成形向量子問題；通過majorization-minimization算法、自適應(yīng)禁忌搜索算法，將非凸子問題轉(zhuǎn)換為凸問題；

6、step3：設(shè)計聯(lián)合優(yōu)化方案，聯(lián)合優(yōu)化不規(guī)則大規(guī)?？芍貥?gòu)智能表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、波束形成向量，使用戶期望波束增益誤差最小化，從而確保波束更準(zhǔn)確地對齊于用戶期望的方向，進而顯著提高了多用戶場景下的傳輸速率。

7、進一步優(yōu)選的，step1，具體表述為：

8、step1.1：一個優(yōu)化部署xl-ris輔助多用戶的無線通信系統(tǒng)，包含一個基站、一個優(yōu)化部署的大規(guī)模可重構(gòu)智能表面，k個通信用戶，信號經(jīng)大規(guī)?？芍貥?gòu)智能表面反射的球面波束影響用戶，因大規(guī)?？芍貥?gòu)智能表面的傳播特性，所有用戶位于近場區(qū)域內(nèi)；

9、step1.2：定義為用戶集，表示優(yōu)化部署后的xl-ris拓?fù)渚仃?，其中定義zn∈{1,0}來確定xl-ris元件是否部署在第n個網(wǎng)格點上，即zn＝1表示xl-ris元素選擇第n個網(wǎng)格點，zn＝0表示沒有選擇第n個網(wǎng)格點，第k個用戶接收信號表示為

10、

11、式中：為基站處的預(yù)編碼發(fā)射信號；分別表示從xl-ris到第k個用戶的信道和從基站到xl-ris的信道；表示xl-ris的波束成形矩陣；表示第k個用戶接收到的加性高斯白噪聲，大量反射元件組成的xl-ris可以通過設(shè)計θ來調(diào)節(jié)入射信號的相位；

12、

13、式中：θ表示xl-ris波束成形向量；表示優(yōu)化部署的第n個xl-ris單元的反射系數(shù)，接收信號模型為

14、

15、式中：第k個用戶的反射信道定義為

16、step1.3：基于系統(tǒng)模型，優(yōu)化部署后的xl-ris輔助通信系統(tǒng)中用戶k的傳輸和速率為：

17、

18、step1.4：由于基站和xl-ris的部署位置固定，假設(shè)基站處的預(yù)編碼已經(jīng)設(shè)計好，在該系統(tǒng)模型中基站被視為單天線發(fā)射機，參考遠場傳播模型，近場傳播下的有效反射信道可寫為；

19、

20、式中：為有效增益；rre,k是從xl-ris到第k個用戶的空間坐標(biāo)向量；rin是從基站到xl-ris的空間坐標(biāo)向量；系統(tǒng)通過波束訓(xùn)練過程直接確定xl-ris波束成形向量，在每個小時間尺度上，通道保持不變，第一個過程由所有用戶獨立執(zhí)行，以期望的波束增益獲得每個用戶的期望波束方向，根據(jù)這些波束參數(shù)，在設(shè)計過程中設(shè)計優(yōu)化部署xl-ris的波束成形向量，最后利用該波束成形向量進行數(shù)據(jù)傳輸，為獲得滿足期望的xl-ris波束成形，波束訓(xùn)練過程建模為

21、

22、其中：ci為從碼本c中選取的xl-ris波束成形碼字。

23、進一步優(yōu)選的，step2，具體表述為：

24、step2.1：考慮k個xl-ris波束指向用戶的實際性能，受優(yōu)化部署的xl-ris拓?fù)浼s束和波束權(quán)重的制約，p1目標(biāo)函數(shù)表示最小化用戶期望波束增益誤差：

25、

26、c3:1tz＝n

27、式中：xl-ris波束成形向量θ、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)z為待優(yōu)化變量；為波束訓(xùn)練過程獲得的碼字θk組成的k列導(dǎo)向矢量矩陣；是期望波束增益向量，c1表示波束之間的單位模約束；c2和c3表示優(yōu)化部署xl-ris拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)約束，其中拓?fù)渚仃噝的n個對角線元素賦值為1，其余ns-n個對角線元素賦值為0，目標(biāo)函數(shù)p1改寫為

28、

29、c3:1tz＝n

30、step2.2：利用自適應(yīng)禁忌搜索方法搜索最優(yōu)xl-ris拓?fù)?，具體地，對于給定的拓?fù)?，p2可以被簡化為：

31、

32、c2:z＝z0

33、step2.3：獲得固定的次優(yōu)拓?fù)鋤后，采用minorize-maximization(mm)算法求解問題，對θ和進行優(yōu)化，將p3分解為一系列近似的子問題，依次迭代求解，逼近原目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，對于x∈x的優(yōu)化問題minxf(x)，mm算法構(gòu)造一個嚴(yán)格代理函數(shù){q(x|xt)}(t＝1,2,…)，每個代理函數(shù)作為子問題的目標(biāo)函數(shù)，記q(x|xt)為第t+1次迭代的目標(biāo)，其中xt+1＝argminxq(x|xt)，以第t+1次迭代為例，q(x|xt)滿足以下四個性質(zhì)：

34、

35、式一中第一個特征保證每個代理函數(shù)都是原目標(biāo)函數(shù)的上界，式二和式三中的第二、三個特征保證在唯一的交點處，原始目標(biāo)函數(shù)和代理函數(shù)之間的一階梯度相等，式四中保證上界從第t次到第t+1次迭代嚴(yán)格遞減，使f(xt+1)＝q(xt+1|xt)≤q(xt|xt)＝f(xt)成立，然后通過求解子問題的對應(yīng)序列{q(x|xt)}，(t＝1,2,…)，min?q(x|xt)的最優(yōu)值關(guān)于t單調(diào)遞減，最終收斂到原問題的最優(yōu)值；

36、step2.4：引理1：同時滿足上述四個特征的代理函數(shù)q(θ|θt)可以定義為式(11)，對任意給定的θt和任意可用的θ，其中λmax表示ξξh的最大特征

37、

38、step2.5：xl-ris波束成形θ通過迭代優(yōu)化求解一系列{q(θ|θt)}，(t＝1,2,…)的最小化問題解決，對于t+1次迭代，將m代入λmaxin×n，優(yōu)化表示為

39、

40、step2.6：為豐富優(yōu)化目標(biāo)的自由度，引入波束相位增益優(yōu)化變量求解，期望波束增益的相位因子作為可優(yōu)化變量，優(yōu)化問題p3改寫為

41、

42、c2:z＝z0

43、

44、對于給定的θt和z0，相位因子可以優(yōu)化為

45、

46、進一步優(yōu)選的，step3，具體表述為：

47、step3.1：隨機生成拓?fù)渚仃噝1，生成z1的鄰域，通過波束成形得到上述鄰居的和速率，選擇最優(yōu)鄰居并通過自適應(yīng)禁忌搜索算法獲得拓?fù)渚仃噝2，根據(jù)z2進行下一次迭代，達到最大迭代次數(shù)或滿足終止條件時，得到p1的次優(yōu)解，表示為:zopt和θopt；

48、step3.2：利用xl-ris元件的可行選擇位置具有額外的空間自由度，不僅在有限元件數(shù)量條件下擴大近場區(qū)域，還提升了該區(qū)域內(nèi)用戶的承載能力和系統(tǒng)整體容量。

49、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

50、本發(fā)明通過和現(xiàn)有的遠、近場傳播信道下常規(guī)部署的xl-ris波束設(shè)計進行對比，不僅在系統(tǒng)容量上取得了顯著提升，還確保波束更準(zhǔn)確地對齊于用戶期望的方向，進而顯著提高了多用戶場景下的傳輸速率。在不增加元件數(shù)量條件下，通過優(yōu)化部署xl-ris的結(jié)構(gòu)以提升無線通信系統(tǒng)性能的潛力，為近場通信系統(tǒng)設(shè)計提供了新的策略方向。