[发明专利]通信系统容量分析及优化方法

说明书

本发明公开了一种通信系统容量分析及优化方法，以保证用户设备速率需求的同时，通过联合优化接入点的功率分配和RIS的反射系数，使系统容量最大。首先，基于交替优化AO的算法解耦原优化问题，采用注水法优化功率分配，基于罚函数和逐次凸逼近技术的低复杂度算法分别优化RIS的反射系数；然后，使用复杂度更高的基于单调优化MO的算法和半定松弛SDR法求解系统容量的上界，验证了基于AO的算法所得稳态解的稳定性。仿真和分析结果证实，在多用户通信系统中部署RIS可以有效增强系统性能，所提基于AO的算法收敛迅速，可以得到近乎最优的性能。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种通信系统容量分析及优化方法。

背景技术

随着元宇宙、全息通信等新业务的发展，未来6G无线网络对容量的需求越来越高。提升容量的潜在技术包括太赫兹(THz)通信，可见光通信和超密集网络(UDNs)等已经备受关注。此外，一些现有技术还可以与RIS联合设计，如非正交多址(NOMA)、物理层安全、同步无线信息与能量传输(SWIPT)等，共同优化通信系统。随着移动应用爆炸式的增长，无线通信系统对频谱效率，能源效率和容量效率等系统性能有了更大的需求。为了应对6G网络对更高通信容量的需求，RIS成为一种很有前途的解决方案，它是一种新型的元表面，能够在从微波到可见光的宽频率范围内可编程调制电磁波，其可调的电磁响应包括振幅、相位、频率和极化，可以在瞬间流量巨大且视距(LoS)无法直接传输信息的场景中应用，降低了基站和接入点的压力，提高了能效。

RIS是一种无源补充设备，不会产生新的干扰，无需修改物理层标准，可以很容易的集成到无线网络中，是无线信道中的一个中转设备，对用户透明。通常，AP处的主动波束赋形和RIS处的被动波束赋形需要联合考虑，优化AP传输预编码矩阵和RIS反射系数，这种联合设计会产生复杂的优化变量的耦合问题，为了保证所得解的最优性，需要采用多种优化算法联合求解。在本文中，AP和UE之间随时可能出现障碍物阻断直接链路，或者存在深度衰落和阴影使得直接链路受阻，此时，RIS通过提供从AP到UE的高质量的LoS链路，人为的塑造电磁波的传输环境，实现无线环境的可控和可编程，大大提高了无线通信系统的性能。RIS在为AP和UE转发信息时类似于全双工放大转发(AF)中继，不同的是，RIS是无源反射信号，而中继是有源转发信号，因此，RIS在能源和成本效益方面具有很大的优势。在无线网络中部署更多的RIS能否成为未来6G网络容量可持续增长的灵活解决方案，这仍然是一个开放和具有挑战性的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通信系统容量分析及优化方法，为RIS容量的求解提供理论依据。

为实现上述目的，本发明提供了一种通信系统容量分析及优化方法，基于包括直接信道和级联信道的目标无线网络，目标无线网络中AP与UEs之间的数据传输执行以下步骤，优化目标无线网络的系统容量：

步骤A：建立容量分析模型，在满足AP的发射功率、UEs的速率需求和反射单元的单模约束的同时，通过联合优化AP的功率分配和RIS的反射系数，使系统的整体容量最大；

步骤B：容量稳定解的求解，采用WF功率分配法优化AP的功率分配，开发基于罚函数和基于SCA的两种算法分别优化RIS的反射系数；

步骤C：容量上限的求解，利用MO算法和SDR法求解初始优化问题的容量上界。

作为本发明的进一步改进，步骤A具体执行以下步骤：

步骤A1：构建RIS辅助多用户单输入单输出下行通信系统的容量分析模型；RIS反射系数能够建模为对角反射系数矩阵，即Φ＝diag其中，j为虚数单位，θ_n是第n个反射元件的相移，θ_n∈[0，2π)；当AP与某个UE通信时，RIS反射信息与AP发射信息在同一时频资源块上运行，从AP处发出的信号表示为：式中，s_k是AP为UEk发射的数据符号，p_k是AP为UEk分配的功率；