[发明专利]一种基于智能反射面阵元分组的波束优化方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于智能反射面阵元分组的波束优化方法及系统，涉及无线通信技术领域。包括：构建基站与多个用户间通过智能反射面IRS进行信号传输的初始优化问题；采用克罗内克积方法对智能反射面IRS的反射阵元进行分组；将初始优化问题转化为分组后的IRS反射阵元的优化问题P1；利用分式规划理论将优化问题P1转化为复杂度降低的优化问题P2；引入辅助变量，并将优化问题P2分解为三个解耦的子问题，使用交替迭代优化方法求出每个子问题闭合形式的最优解；根据最优解，得到联合优化后的基站BS波束成形矢量和IRS被动波束成形矢量，最终得到智能反射面阵元分组的波束优化方法。本发明能够达到降低IRS被动波束成形矢量计算复杂度的目的。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是指一种基于智能反射面阵元分组的波束优化方法及系统。

背景技术

IRS(Intelligent Reflecting Surface，智能反射面)是一项通过软件控制反射重新配置无线传播环境的新技术，能够显著提高无线通信网络的性能。IRS是一个由大量低成本被动反射阵元组成的平面，每个阵元都能独立调整入射信号的振幅和相位，进而可以调控BS(Base Station，基站)和用户间信号传输方向，达到主动控制无线信道的目的。

然而，IRS通常包含大量反射阵元，随着IRS反射阵元数量的增加，会给通信系统带来许多技术挑战。最重要的是以下两点。一是大量的IRS反射阵元将大大增加信道估计时间，这将给通信系统带来很大时延，降低用户的通信质量。另一点是，随着IRS反射阵元数量增加，计算IRS被动波束成形矢量的复杂性将增加。对IRS相邻反射阵元进行分组，并根据相关优化算法得出分组后的IRS被动波束成形矢量，在保证用户通信质量的情况下，可以大大降低IRS被动波束成形矢量的计算复杂度。

IRS作为一种新的无线通信辅助传输技术，在无线通信的覆盖扩展领域已有一定的研究。现有研究主要采用基于交替迭代优化算法来优化BS端波束成形矢量和IRS被动波束成形矢量。

现有研究表明，IRS辅助下的无线通信系统比传统的通信系统获得了更高的用户速率，特别是在用户和基站间存在障碍物造成严重阻塞时，提升效果更为明显。但在实际应用中，IRS需要根据CSI(Channel State Information，信道状态信息)的变化实时的调整反射阵元的反射系数，由于IRS通常具有多个反射阵元，这将给被动波束成形矢量的优化带来很高的计算复杂度，造成一定的时延。

发明内容

本发明针对现有技术在IRS辅助的多用户通信场景下，IRS被动波束成形矢量计算复杂度大的问题，提出了本发明。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种基于智能反射面阵元分组的波束优化方法，该方法由基于智能反射面阵元分组的波束优化系统实现，该系统包括基站、智能反射面RIS以及多个用户，该方法包括：

S1、构建基站与多个用户间通过智能反射面IRS进行信号传输的初始优化问题；初始优化问题为优化多个用户的总速率。

S2、采用克罗内克积方法对智能反射面IRS的反射阵元进行分组；将初始优化问题转化为分组后的IRS反射阵元的优化问题P1。

S3、利用分式规划理论将优化问题P1转化为复杂度降低的优化问题P2。

S4、引入辅助变量，并将优化问题P2分解为三个解耦的子问题，使用交替迭代优化方法求出每个子问题闭合形式的最优解。

S5、根据最优解，得到联合优化后的基站BS波束成形矢量和IRS被动波束成形矢量，最终得到智能反射面阵元分组的波束优化方法。

可选地，初始优化问题中，多个用户中的第k个用户的接收信号，如下式(1)所示：