[发明专利]一种联合通感云接入网中无源IRS辅助通信的方法

权利要求书

1.一种联合通感云接入网中无源IRS辅助通信的方法，其特征在于：最大化每个RRH在各自待感知区域方向上的最小波形增益，保证每个用户的接收SINR大于特定阈值，优化RRH发射信号和无源IRS反射矩阵，具体包括如下步骤：

1.1)无源IRS辅助的C-RAN下行通信感知一体化系统包含一个BBU池，L个RRH；BBU池和各个RRH之间采用有线前传链路进行信息传递，每个RRH配备由N_R根天线组成的均匀线性天线阵列ULA，负责感知用户信息，同时在I个无源IRS辅助的辅助下对K个单天线用户进行下行通信；每个无源IRS都由M个反射单元组成；BBU池已知所有信道的状态信息和目标相对于各RRH的方向；

1.2)BBU池首先产生信号其中代表发送给第l个RRH的信号，矩阵表示通信波束赋形矩阵；向量表示感知信号，向量表示发送给每个通信用户的信号；由于前传链路容量有限需要对信号进行量化压缩之后再传输给各个RRH；最终发送给所有RHH的信号集合为：

其中表示对所有RRH的量化压缩噪声集合，同时服从分布R₀表示感知信号的协方差矩阵，量化压缩之后的信号的协方差矩阵表示为：

R＝WW^H+R₀+Ω,

1.3)对于第l个RRH经过前向压缩链路接受到的压缩信号表示为：

其中矩阵表示和第l个RRH的相关的选择矩阵，具体而言，该矩阵只有在(l-1)N_R+1行至lN_R行的元素为一个维度为N_R的单位矩阵，剩余所有元素都为0；

1.4)令P_R表示每个RRH的发射功率限制，得到第l个RRH的发射功率限制表达式：

1.5)对于任意通信用户k，其接收信号y_k有如下表达：

y_k＝(h_k+g_kΨG)x+n_k

＝z_kx+n_k,

其中表示所有RRH和用户k之间的直连链路，Ψ表示无源IRS的反射矩阵，表示有源IRS和用户k之间的反射链路，表示用户接收到的加性高斯白噪声；z_k＝(h_k+g_kΨG)表示直连和反射链路组成的综合信道。

2.根据权利要求1所述的一种联合通感云接入网中无源IRS辅助通信的方法，其特征在于，对于所述无源IRS辅助的C-RAN下行通信感知一体化系统，优化其中的发射信号协方差矩阵R，用户发射波束赋形矩阵W，无源IRS反射矩阵Ψ，按实现最大待感知区域方向最小波形增益为目标，在单个RRH发射功率、多用户SINR通信性能以及前传链路容量限制下；具体步骤如下：

2.1)每个RRH配备由N_R根天线组成的均匀线性天线阵列，对RRH发射信号的方向向量进行如下建模：

其中d_RRH表示相邻RRH发射天线之间的间距，λ代表发射信号的波长；第l个RRH在特定方向角θ上的目标的波形增益表达为：

2.2)最大化每个RRH在各自待感知区域方向上的最小波形增益，对于每个RRH需要对T个目标进行感知，因此目标函数被表示为：

其中集合表示所有RRH需要感知的目标；

2.3)同时为了保证多用户通信性能，每个用户的接收SINR大于特定阈值，第k个用户SINR限制条件的表达形式为：

其中w_i表示W中的第i列，即第i个用户的波束赋形向量，Γ为设定的最低用户SINR限制；

2.4)对于前传压缩链路，前传链路容量限制条件表达为：

每条BBU和RRH之间的有限前传链路的容量为C_l，表示与x_l之间的互信息；

2.5)优化问题表示为:

(C4):R＝WW^H+R₀+Ω。

3.根据权利要求2所述的一种联合通感云接入网中无源IRS辅助通信的方法，其特征在于，所述的优化问题，考虑到目标函数和限制的非凸性，同时各个优化变量之间存在耦合，求解过程中将原问题分解成两个子问题进行求解；

3.1.1)根据1.4)中RRH功率限制初始化矩阵R，将R改写成协方差矩阵形式：

w_k表示通信波束赋形矩阵W的第k列，对应用户k的波束赋形向量；代表每个用户波束赋形向量的协方差矩阵，根据定义R_k应该是是秩一的；

3.1.2)根据2.2)中公式改写2.3)中用户SINR功率限制条件：

SINR限制条件是关于矩阵R和R_k的线性限制条件，同时该表达形式和w_i无关；

3.1.3)2.4)中公式采用多元前传链路压缩模型的链路容量限制，

log|Ω|≤log|Σ|+Tr|Σ^-1Ω|-N,

该不等式只有在条件Ω＝Σ成立时取到等号；

3.1.4)综上所述，2.5)中的优化问题改写成以下形式：

(C5):R≥0,Ω≥0

3.2.1)根据子问题1求得每个用户的SINR阈值为Γ，子问题2如下，求用户实际可达速率R_k，最大化每个用户可达速率和每个用户最低速率之间的差值，目标函数表示为：

3.2.2)为了保证R_k一定大于最低用户可达速率，引入辅助变量α，同时要求该辅助变量大于等于0，3.2.1)中公式改写为：

R_k-log(1+Γ)≥α,α≥0

3.2.3)根据1.3)中的发送信号形式和1.4)中的信道表达形式，通过线性接收器u_k对用户信号y_k进行还原，该过程的MSE用符号e_k表示，具体表达为：

其中w_k为经过还原之后的第k个用户的用户发射波束赋形向量，表示实际用户得到的信号；

3.2.4)根据3.2.2)和3.2.3)中的两个公式，用户可达速率R_k问题等效表示为：

其中w_k为常数辅助变量，最大化R_k时变量w_k和u_k满足：

3.2.5)将3.2.4)中公式带入并对综合信道z_k展开，分离和IRS反射矩阵相关部分得到：

其中Re表示取模，进一步定义以下变量：

3.2.6)根据3.2.6)公式中定义的变量和对的展开表达形式，将3.2.6)公式中的最大R_k和IRS反射矩阵相关的表达形式写为：

定义变量

3.2.7)综上所述，3.2.3)中公式中表示的原始优化问题改写为和IRS反射矩阵相关的形式：

3.2.8)3.2.7)公式中只有限制条件使非凸的，使用SDR技术将该限制条件省略，得到最终可解的凸形式的优化问题公式形式：

s.t.(P3.3)(C1)-(C3)

并通过CVX对该优化问题进行求解得到最终的优化结果；最终优化结果需要经过高斯随机化得到关于当前问题的次优解，将该次优解用于更新综合信道z_k并返回到步骤3.2.3)直到优化收敛为止。