[发明专利]一种智能超表面辅助太赫兹通信系统鲁棒传输方法

说明书

本发明属于太赫兹无线通信传输领域，涉及一种智能超表面辅助太赫兹通信系统鲁棒传输方法，包括构建RIS辅助太赫兹通信系统并初始化；根据用户最小速率约束、基站发射功率约束、信道不确定性约束和RIS离散相移约束，以RIS辅助太赫兹通信系统的总能效最大化为优化目标构建鲁棒波束成形模型；利用S‑Procedure将鲁棒波束成形模型转换为确定性问题模型；基于块坐标下降的交替迭代准则进行求解；与完美信道状态信息下的方法相比，本发明方案具有较高的鲁棒性，提高了太赫兹通信网络的能量效率和接收信号质量，降低了用户传输中断概率，并适用于无法提供连续相移调控能力的RIS，更符合实际应用。

技术领域

本发明属于太赫兹无线通信传输领域，涉及一种智能超表面辅助太赫兹通信系统鲁棒传输方法。

背景技术

太赫兹作为6G潜在技术被提出，有望解决当前无线系统中频谱稀缺和容量受限的问题。然而，太赫兹通信质量容易受到传播损耗和分子吸收的影响，这极大地限制了其传输距离及通信容量。此外，传播环境中障碍物可能会直接阻断通信。RIS是一种6G的候选技术，被认为是一种可以重构无线信道环境的新通信范式。该技术以低功耗、提供直射路径的方式解决绕障通信问题。由RIS技术白皮书可知，RIS是一个由许多低功耗、被动、可重构的反射元件组成的均匀阵列平面，通过独立调整反射元件可以改变接收信号的反射路径，可以有效提高无线网络的容量和覆盖性能。

由于在实际通信系统中，收发机之间的通信链路存在量化误差、反馈时延和估计误差，基站获得精准的信道状态信息是一件非常困难的事情。此外，由于低功耗、被动传输的RIS处理能力有限，且太赫兹通信系统存在量化误差与信道时延的影响，在进行传输算法设计时，不仅要提高系统的吞吐量，还需要考虑系统的能量消耗问题。因此，在存在信道不确定性的RIS辅助太赫兹通信网络场景下进行能效优化是非常具有挑战的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能超表面辅助太赫兹通信系统鲁棒传输方法，考虑用户最小速率约束、基站发射功率约束、信道不确定性约束和RIS离散相移约束，以最大化系统能量效率为优化目标，对RIS辅助太赫兹通信网络建立网络模型和系统模型。利用S-Procedure将不确定性非凸优化问题转换为确定性非凸优化问题；通过丁克尔巴赫方法将分式规划问题转换为减法形式的等价问题；基于变量替换法、连续凸近似理论、块坐标下降法和半正定规划法将非凸问题转化为等价的凸问题求解。

本发明提供的具体方案包括以下步骤：

S1.构建RIS辅助太赫兹通信系统并初始化，所述系统包括K个用户、一个具有N个反射元件的RIS、一个天线数为M的太赫兹基站；

S2.根据用户最小速率约束、基站发射功率约束、信道不确定性约束和RIS离散相移约束，以RIS辅助太赫兹通信系统的总能效最大化为优化目标构建鲁棒波束成形模型；

S3.利用S-Procedure将鲁棒波束成形模型转换为确定性问题模型；然后进入步骤S4基于块坐标下降的交替迭代准则进行求解；

S4.计算系统总能效；

S5.固定RIS的相移矩阵，计算第k个用户的波束成形矩阵；

S6.固定第k个用户的波束成形矩阵，计算RIS的相移矩阵；

S7.判断当前的系统总能效是否收敛，若是，输出系统最优能效、基站波束成形矩阵、RIS连续相移矩阵，然后执行步骤S9；若不是，则执行步骤S8；

S8.判断当前迭代次数是否大于最大迭代次数，若是，输出系统最优能效、基站波束成形矩阵、RIS连续相移矩阵，然后执行步骤S9；若不是，则迭代次数加1，并返回步骤S4。

S9.计算RIS的离散化相移矩阵。

进一步的，步骤S2构建的鲁棒波束成形模型表示为：