一种提升无线传输容量的用户与智能反射面配对方法及系统

1.本发明涉及一种提升无线传输容量的用户与智能反射面配对方法及系统，属于无线通信技术领域。


背景技术：

2.智能反射面是一种由大量低成本的无源反射原件组成的反射平面，具有节约能源、部署灵活和材料廉价等特点；由于每个反射单元都能够独立地对入射信号进行相位的改变，因此可以利用智能反射面辅助无线通信系统来提升系统的性能；在复杂的无线通信网络中，随着频谱资源愈发短缺，用户需求的无线通信服务质量不断上升以及绿色节能通信的提倡，新一代无线通信的发展需要更多的技术支持；传统通信理论认为复杂且时变的无线信道是不可控的，智能反射面的出现使人为改善无线信道提供了可能；因此智能反射面的应用前景十分广阔，对其的研究也越来越多。
3.在未来的无线通信网络中对智能反射面的运用设想是大规模地部署到建筑物以及其他公共设施上，那么智能反射面与用户如何配对就成为需要解决的问题；现有的研究思路是同一个智能反射面可以同时服务于多个用户，所以其相移矩阵的设计要同时考虑到多个无线信道信息，这样会使智能反射面相位的设计变得复杂。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种提升无线传输容量的用户与智能反射面配对方法及系统，提升无线传输容量，降低智能反射面相位设计的复杂度。
5.为实现以上目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
6.第一方面，本发明提供了一种提升无线传输容量的用户与智能反射面配对方法，包括：
7.获取源节点到各目的节点之间直接链路的信道状态信息和源节点通过各智能反射面到各目的节点之间级联链路的信道状态信息；
8.根据直接链路和级联链路的信道状态信息计算出智能反射面的相移矩阵；
9.根据直接链路和级联链路的信道状态信息、智能反射面的相移矩阵计算源节点在各智能反射面辅助下到各目的节点之间总链路的信道容量；
10.通过最大值优先算法筛选出所述信道容量的最大值，该最大值对应的用户与智能反射面组合为配对结果，所有用户对应的所述信道容量的最大值之和为无线传输容量；
11.其中，所述目的节点为用户。
12.结合第一方面，进一步的，所述源节点在各智能反射面辅助下到各目的节点之间总链路，包括源节点到各目的节点之间的直接链路和源节点通过各智能反射面到各目的节点之间的级联链路。
13.结合第一方面，进一步的，所述源节点通过各智能反射面到各目的节点之间级联链路为莱斯信道，所述莱斯信道的建模方法如下：
14.h
l
＝h
l
l
[0015][0016][0017]
其中，l为1或2，当l为1时，h
l
为源节点到各智能反射面之间的小尺度衰落损耗，当l为2时，h
l
为各智能反射面到各目的节点之间的小尺度衰落损耗；h
l
为莱斯信道增益，且l为大尺度衰落损耗；k
l
是莱斯因子，为复高斯视距分量，且为复高斯视距分量，且为级联链路中的复高斯非视距分量，且d
l
为源节点到智能反射面或到目的节点的距离，α为衰落系数；s为智能反射面上反射元素的数量。
[0018]
结合第一方面，进一步的，所述源节点到各目的节点之间直接链路为瑞利信道，所述瑞利信道的建模方法如下：
[0019][0020]
其中，l为大尺度衰落损耗，是直接链路中的复高斯非视距分量。
[0021]
结合第一方面，进一步的，所述智能反射面与传输信号以最佳相移搭配，最佳相移的相移矩阵通过以下方法计算：
[0022]
φ＝diag(θ)
[0023]
其中，φ为相移矩阵，j为虚数单位，diag()为取其对应向量的元素组成对角矩阵，t表示转置。
[0024]
结合第一方面，进一步的，源节点在各智能反射面辅助下到各目的节点之间总链路的信道容量通过以下方法计算得到：
[0025][0026]
其中，p为传输信号的发射功率，h
2h
φh1表示源节点在智能反射面辅助下到目的节点之间级联链路的信道增益，g表示源节点到目的节点之间直接链路的信道增益，|*|为取模运算，σ2为噪声功率。
[0027]
结合第一方面，进一步的，源节点在各智能反射面辅助下到各目的节点之间总链路的信道容量通过以下方法计算得到：
[0028][0029]
其中，p为传输信号的发射功率，表示源节点在第n个智能反射面的辅助下到第m个用户之间级联链路的信道增益，gm表示源节点到第m个用户之间直接
链路的信道增益，|*|为取模运算，σ2为噪声功率。
[0030]
结合第一方面，进一步的，通过最大值优先算法筛选出所述信道容量的最大值，包括：
[0031]
a：将所述信道容量存入一个m
×
n的cim矩阵，搜索出该cim矩阵中最大的元素，记录最大的元素的数值和位置并将其同行同列的所有元素置零；
[0032]
b：重复步骤a，在搜索过程中忽略已搜索出的最大的元素所在行和列的所有元素，找出所有最大的元素并记录相应的数值和位置，直至cim矩阵的秩为0，得到所有用户对应的信道容量的最大值；
[0033]
元素的位置中，行代表用户，列代表智能反射面；元素的值代表信道容量的值。
[0034]
第二方面，本发明还提供了一种提升无线传输容量的用户与智能反射面配对系统，包括：
[0035]
信道状态信息获取模块：用于获取源节点到各目的节点之间直接链路的信道状态信息和源节点通过各智能反射面到各目的节点之间级联链路的信道状态信息；
[0036]
相移矩阵计算模块：用于根据直接链路和级联链路的信道状态信息计算出智能反射面的相移矩阵；
[0037]
信道容量计算模块：用于根据直接链路和级联链路的信道状态信息、智能反射面的相移矩阵计算源节点在各智能反射面辅助下到各目的节点之间总链路的信道容量；
[0038]
配对模块：用于通过最大值优先算法筛选出所述信道容量的最大值，该最大值对应的用户与智能反射面组合为配对结果，所有用户对应的该最大值之和为无线传输容量。
[0039]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
[0040]
本发明提供的一种提升无线传输容量的用户与智能反射面配对方法及系统，根据直接链路和级联链路的信道状态信息、智能反射面的相移矩阵计算源节点在各智能反射面辅助下到各目的节点之间总链路的信道容量，通过最大值优先算法筛选出所述信道容量的最大值，使得无线传输容量最大化，提升无线传输容量；该最大值对应的用户与智能反射面组合为配对结果，本发明考虑每个智能反射面只服务一个用户，增加无线传输容量，降低智能反射面相位设计的复杂度，提高配对效率。
附图说明
[0041]
图1是本发明实施例提供的一种提升无线传输容量的用户与智能反射面配对方法的流程图；
[0042]
图2是本发明实施例提供的多用户多智能反射面的系统模型；
[0043]
图3是本发明实施例提供的用户数量为5、智能反射面数量为5时不同初始信噪比下不同方法对应的无线传输容量的对比图；
[0044]
图4是本发明实施例提供的最大值优先算法的代码示例图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0046]
实施例1
[0047]
如图2所示，建立一个多用户多智能反射面的系统模型，包括基站(源节点)、多个用户(目的节点)和多个智能反射面；该系统模型中所有节点都能够无误地获取所有的链路信息，源节点会将传输信号发送至目的节点和智能反射面，智能反射面会连续的控制级联链路的相位，与直接链路保持一致，提升到达目的节点的信号强度，从而提升无线传输容量；源节点到各目的节点之间的链路为直接链路，源节点通过各智能反射面到各目的节点之间的链路为级联链路。
[0048]
源节点以时分复用的方式发送信号，且上述一切的计算都由源节点完成；多个智能反射面都连接一个集中控制器。
[0049]
如图1所示，本发明实施例提供的一种提升无线传输容量的用户与智能反射面配对方法，包括：
[0050]
获取源节点到各目的节点之间直接链路的信道状态信息和源节点通过各智能反射面到各目的节点之间级联链路的信道状态信息。
[0051]
获取源节点通过各个智能反射面到各个目的节点之间的信道状态信息，此信道状态信息包括各个智能反射面到各个目的节点之间的距离、大尺度衰落系数。
[0052]
源节点通过各个智能反射面到各个目的节点之间的信道特性服从莱斯分布，其建模方式如下：
[0053][0054]
所述各个链路的路径损耗的建模方法如下：
[0055][0056]
所述级联链路的整体建模的建模方法如下：
[0057]hl
＝h
l
l
[0058]
其中，l为1或2，当l为1时，h
l
为源节点到各智能反射面之间的小尺度衰落损耗，当l为2时，h
l
为各智能反射面到各目的节点之间的小尺度衰落损耗；h
l
为莱斯信道增益，且l为大尺度衰落损耗；k
l
是莱斯因子，为复高斯视距分量，且为复高斯视距分量，且为级联链路中的复高斯非视距分量，且d
l
为源节点到智能反射面或到目的节点的距离，α为衰落系数；s为智能反射面上反射元素的数量。
[0059]
所述源节点到各目的节点之间直接链路为瑞利信道，所述瑞利信道的建模方法如下：
[0060][0061]
其中，l为大尺度衰落损耗，是直接链路中的复高斯非视距分量。
[0062]
根据直接链路和级联链路的信道状态信息计算出智能反射面的相移矩阵。
[0063]
智能反射面与传输信号以最佳相移搭配，最佳相移的相移矩阵通过以下方法计算：
[0064]
φ＝diag(θ)
[0065]
其中，φ为相移矩阵，j为虚数单位，diag()为取其对应向量的元素组成对角矩阵，t表示转置。
[0066]
由于|a b|≤|a| |b|，当且仅当a和b的相位相同时才满足|h
2h
φh1 g|最大。所以需要公式如下：
[0067]
angle(h
2h
φh1)＝angle(g)
[0068]
又因为：
[0069]h2h
φh1＝θ
t
diag(h
2h
)h1[0070]
令那么：
[0071][0072]
这样就可以计算出最佳相移矩阵φ；其中，θ
t
为θ的转置，h
2h
为h2的共轭转置，angle为取相位运算；h1为源节点到各智能反射面之间的小尺度衰落损耗，h2为各智能反射面到各目的节点之间的小尺度衰落损耗。
[0073]
根据直接链路和级联链路的信道状态信息、智能反射面的相移矩阵计算源节点在各智能反射面辅助下到各目的节点之间总链路的信道容量。
[0074]
源节点在各智能反射面辅助下到各目的节点之间总链路的信道容量通过以下方法计算得到：
[0075][0076]
其中，p为传输信号的发射功率，h
2h
φh1表示源节点在智能反射面辅助下到目的节点之间级联链路的信道增益，g表示源节点到目的节点之间直接链路的信道增益，|*|为取模运算，σ2为噪声功率；h1为源节点到各智能反射面之间的小尺度衰落损耗，h2为各智能反射面到各目的节点之间的小尺度衰落损耗。
[0077]
当用户的个数为m，智能反射面的个数为n，源节点在各智能反射面辅助下到各目的节点之间总链路的信道容量通过以下方法计算得到：
[0078][0079]
其中，p为传输信号的发射功率，表示源节点在第n个智能反射面的辅助下到第m个用户之间级联链路的信道增益，gm表示源节点到第m个用户之间直接链路的信道增益，|*|为取模运算，σ2为噪声功率；m的取值为1至m的整数，n的取值为1至n的整数。
[0080]
通过最大值优先算法筛选出所述信道容量的最大值，该最大值对应的用户与智能反射面组合为配对结果，所有用户对应的所述信道容量的最大值之和为无线传输容量。
[0081]
通过如图4所示的最大值优先算法筛选出源节点在各智能反射面辅助下到各目的
节点之间总链路的信道容量的最大值，该最大值对应的用户与智能反射面组合为配对结果；其中，min(n,m)为用户数量或智能反射面数量的最小值，cim矩阵为存放信道容量的矩阵，max(cim)为寻找cim矩阵中的最大元素，cim(,m)＝0和cim(n,)＝0表示将配对完成的用户与智能反射面的信息忽略，ris为智能反射面。
[0082]
最大值优先算法是将计算得出的源节点在各智能反射面辅助下到各目的节点之间总链路的信道容量放置在cim矩阵中，其中行和列表示用户和智能反射面。
[0083]
算法流程为每次在cim矩阵中搜索出最大的元素，并将该元素的数值和位置信息记录，在下一次搜索时将该元素所在行和所在列的所有数值忽略，依次搜索直到cim矩阵的秩为0。
[0084]
在记录元素数值和位置时，当用户数量小于智能反射面数量时，此算法可以确保每个用户都有智能反射面的辅助；当用户数量大于智能反射面数量时，剩余的用户不分配智能反射面，直接与基站通信，然而配对结束后无法判定剩余的用户信息，所以结束后会将cim矩阵乘上一个n
×
1的矩阵，该矩阵所有元素为1；输出一个m
×
1的矩阵，从矩阵中挑选出不为0的元素，此元素的位置就对应剩下没有匹配智能反射面的用户，这些用户的信道容量就为直接链路进行通信的信道容量。
[0085]
当用户数小于或等于智能反射面数时，此方法可以给每个用户都分配对应的智能反射面；当用户数量大于智能反射面数量时，剩余的用户不分配智能反射面，直接与基站通信。
[0086]
实际操作中，将计算出的r
m,n
存入一个m
×
n的cim矩阵(cim为自命名名称)，然后寻找矩阵中最大的元素，记录元素的位置并将同行同列的所有元素置零。
[0087]
但是当用户数量大于智能反射面数量时，配对结束后无法判定剩余的用户信息，所以结束后会将cim矩阵乘上一个n
×
1的矩阵，该矩阵所有元素为1；输出一个m
×
1的矩阵，从矩阵中挑选出不为0的元素，此元素的位置就对应剩下没有匹配智能反射面的用户，这些用户的信道容量就为直接链路进行通信的信道容量。
[0088]
最大值优先算法筛选出配对结果，关注的是矩阵中元素的最大值，所以可能会牺牲配对得出的无线传输容量；但是由于空间位置的随机排布，一些用户在某个智能反射面辅助下的信道容量会远大于在其他智能反射面辅助下的信道容量，所以本发明提供的配对方法在此场景计算得出的无线传输容量相对于利用kuhn-munkres算法进行配对计算得出的最大无线传输容量相差很小。
[0089]
将已经计算出的配对结果发送给和所有智能反射面连接的集中控制器，发送端将各个用户的传输信号进行编码，并以时分复用的方式进行发送；在每个用户传输信号发送的时隙内，集中控制器会打开与匹配结果对应的智能反射面，并调整智能反射面的相移；由于各个用户信道的差异，相移矩阵会使用户接收到的其他用户传输信号很小，所以可以忽略用户间传输信号的干扰。
[0090]
集中控制器不仅可以改变智能反射面的相移，还可以改变智能反射面反射的幅度，当设置智能反射面反射幅度为0时，相当于智能反射面关闭，当设置智能反射面反射幅度为1时，相当于智能反射面开启；源节点对各个用户传输信号的编码顺序就对应了各个智能反射面的开启顺序，所以实际上源节点只需向集中控制器发送用户传输信号的发送顺序信息和相移信息。
[0091]
下面举出一种对比方案和本发明提供的一种提升无线传输容量的用户与智能反射面配对方法进行对比分析。
[0092]
kuhn-munkres算法是将用户与智能反射面分为两个不相关的集合，在初始化时给用户所在集合中的每个元素设置一个权值，权值数为此用户在智能反射面辅助下的最大信道容量；在初始化时给智能反射面所在集合中每一个元素设置一个权值，权值数为0。
[0093]
下一步是对用户集合的每一个元素进行搜索，找到该用户的权值与某个智能反射面的权值之和等于该用户在智能反射面辅助下的最大信道容量，此时对应的智能反射面i1就为该用户u1的匹配对象。
[0094]
但是当另一个用户u2同时找到相同的智能反射面i1时，就会形成一个增广路径，沿着i1寻找增广路径就可以寻找到u1，此时就需要改变用户u1与智能反射面i1的权值；权值的改变策略为：
[0095]
首先计算用户u1在除了智能反射面i1辅助下的信道容量与在智能反射面i1辅助下的信道容量的最小差值g1；其次计算用户u2在除了智能反射面i1辅助下的信道容量与在智能反射面i1辅助下的信道容量的最小差值g2；然后将g1与g2比较，选出较小的一方，若是g1，就把增广路径中的所有用户的权值减少g1，把增广路径中的所有智能反射面的权值增加g1；到此，这条增广路径的所有元素的权值改变完成，改变权值的目的是使u1与u2都可以找到一个匹配的智能反射面，并且保证这条增广路径中的u1与u2在智能反射面辅助下的信道容量之和最大。
[0096]
反复递归上述算法，随着权值的不断改变，最后就可以得到配对结果，此时信道容量最大，即无线传输容量最大；当用户数量和智能反射面数量相等时，利用kuhn-munkres算法得出的配对结果也叫完美匹配，每个用户都可以匹配一个智能反射面，并且无线传输容量最大；当用户数量与智能反射面数量不相等时，需要人为添补虚假用户，每个虚假用户通过智能反射面通信的信道容量都为0，也就是将cim矩阵补零为一个方阵，结果中信道容量为0的匹配结果都看作无效。
[0097]
为了测试本发明效果，用matlab进行仿真实验。
[0098]
仿真假设系统中所有设备都已知信道状态信息，基站可以同时发送多个信号，忽略智能反射面间干扰，因为智能反射面具有波束成形的效果，所以忽略用户间干扰，并且忽略智能反射面设计相移矩阵的时间；仿真测试了本发明方法、利用kuhn-munkres算法的进行匹配、随机匹配方法在不同初始信噪比下的无线传输容量。
[0099]
其中每一个信噪比下的信道容量都使用蒙特卡洛算法得出，以满足实验的普遍性；仿真的参数为智能反射面数量为5，信道模拟次数为500，每个智能反射面上有64个反射原件，用户数量为5；初始信噪比为23db到35db，每组数据相隔3db，一共五组，路径损耗指数α为3；其中用户、智能反射面与基站之间的距离都是随机的，由于智能反射面越靠近发送端或接收端其效果越好，考虑到实际应用场景，仿真设计的智能反射面与用户的距离相对较近；matlab的仿真结果如图3所示。
[0100]
在图3中，利用kuhn-munkres算法进行配对得出的无线传输容量略微优于本发明配对方法，但是此方法需要递归和搜索，算法逻辑较为复杂，其复杂度为o(v3)，其中v＝max(m,n)，而本发明算法的复杂度为o(z2)，其中z＝min(m,n)；所以本发明提供的一种提升无线传输容量的用户与智能反射面配对方法，在保持较大的无线传输容量的同时，降低了算
法逻辑的复杂度。
[0101]
实施例2
[0102]
本发明实施例提供了一种提升无线传输容量的用户与智能反射面配对系统，包括：
[0103]
信道状态信息获取模块：用于获取源节点到各目的节点之间直接链路的信道状态信息和源节点通过各智能反射面到各目的节点之间级联链路的信道状态信息；
[0104]
相移矩阵计算模块：用于根据直接链路和级联链路的信道状态信息计算出智能反射面的相移矩阵；
[0105]
信道容量计算模块：用于根据直接链路和级联链路的信道状态信息、智能反射面的相移矩阵计算源节点在各智能反射面辅助下到各目的节点之间总链路的信道容量；
[0106]
配对模块：用于通过最大值优先算法筛选出所述信道容量的最大值，该最大值对应的用户与智能反射面组合为配对结果，所有用户对应的该最大值之和为无线传输容量。
[0107]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0108]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0109]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0110]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0111]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。