RIS辅助去蜂窝多天线系统接入点选择及预编码方法

本发明涉及移动无线通信，具体涉及一种ris辅助去蜂窝多天线系统联合接入点选择及预编码设计方法。

背景技术：

1、智能超表面(reconfigurable intelligent surface ris)辅助的去蜂窝(cell-free cf)大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output mimo)系统是对传统蜂窝网络的革新，其特点是部署有大量的分布式接入点(access point，ap)和ris，为分布在服务区域内的大量用户(user equipment，ue)提供通信服务。在时分双工(time divisionduplexing，tdd)协议下，所有ap和ris通过前传链路连接到中央处理器(centralprocessing unit cpu)进行统一的信号处理和合作，为同一时间频率资源中的ue服务。ris辅助的去蜂窝大规模mimo系统打破了传统蜂窝小区mimo系统的概念，通过分布式的架构代替了蜂窝小区和取消小区的边界，从而改善了传统蜂窝小区mimo系统中小区间干扰严重、小区边缘用户性能受限以及频繁越区切换等问题。同时引入ris后，可以将ris部署在热点区域以及通信盲区，通过调控ris的相位来实现通信覆盖补盲和增强，同时充分发挥ris低功耗、低成本、易部署等优势，降低系统开销。ris辅助的去蜂窝大规模mimo系统通过将ris和cf相结合的结合，充分发挥各自的优势，实现系统普效、能效的大幅提升，增强了系统的鲁棒性以及智能性。利用ris辅助的去蜂窝大规模mimo的上述优势，通过合理的部署部分ap为部分ue提供服务，并且基于此设计ap和ris的联合预编码，能够进一步充分挖掘系统性能。

2、由于每个ap的发射功率和计算能力是存在上限的，并且在系统中，所有ap服务所有ue会导致每个ap都需要知道全局信道状态信息，这会增加前传链路的负担，也会造成不必要的干扰。因此，如何决策每个ap服务的用户集是系统中的关键问题。其次，系统中存在大量的ap和ris，如果不进行合理的ap预编码和ris波束赋形设计，必然带来严重的用户间干扰和波束能量浪费。因此，基于ap选择的用户集，如何联合的设计ap预编码和ris波束赋形也是亟待解决的关键问题。综上所述，下行通信中的ap选择以及联合预编码设计问题将成为ris辅助的去蜂窝大规模mimo系统中影响通信质量的关键问题。

3、近年来，强化学习特别是多智能体强化学习(marl)因为其解决复杂非凸问题等能力而备受关注。首先，它能够模拟现实世界中的复杂交互和协作情境，使得智能体能够在相互影响的环境中学习和提高性能。其次，多智能体强化学习促进了分布式决策和资源分配，使得系统更具适应性和鲁棒性。此外，多智能体系统能够实现任务的分解与并行执行，加速学习过程并提高效率。最重要的是，通过相互协作和竞争，多智能体能够在学习过程中相互激发，产生更优秀的解决方案，并为解决复杂问题提供更全面的视角和解决方案。在ris辅助去蜂窝大规模mimo系统，marl中的每个智能体可以类比于一个ap，从而独立或联合的进行决策，marl这一概念和去蜂窝的多ap概念不谋而合。

4、目前，ris辅助去蜂窝大规模mimo系统的联合预编码设计问题的解决方案是将该多变量的联合优化问题拆分成多个子问题进行求解：根据瞬时信道状态信息，通过传统算法或交替优化的方法，分别求解。但目前在ris辅助的去蜂窝大规模mimo系统中，ap选择和联合预编码设计还是空白，而传统的优化算法在面对大量ap时，存在计算复杂度高并且难以解决多变量特别是ap选择这种0-1变量的非凸优化问题。因此，需要一种低复杂度的能够联合求解ap选择和ap-ris联合预编码设计问题的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于ris辅助的去蜂窝大规模mimo系统的下行ap选择和联合预编码设计的联合解决方法，以有效提升系统能效普效性能，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种ris辅助去蜂窝多天线系统联合接入点选择及预编码方法，包括：

4、获取系统内接入点到用户的瞬时信道状态信息以及组件的能量消耗信息；

5、根据得到的瞬时信道状态信息计算系统频谱效率，基于得到的频谱效率和能量消耗信息，以最大化系统能量效率为目标，引入接入点天线预编码、智能超表面相位和接入点最大发射功率约束条件，设计优化问题，得到系统的能量效率；

6、将信道状态信息、能量消耗信息以及能量效率输入到双层的marl网络，并将每个接入点和智能超表面定义为可以自主决策的智能体，利用模糊逻辑将原本与接入点一一对应的智能体映射为小于接入点数量的智能体数；其中，在第一层marl网络中进行系统的接入点选择和接入点预编码设计，基于自适应功率阈值的循环反馈网络，动态调节接入点选择的结果；在第二层网络中基于第一层网络中的结果，智能超表面根据全局信道状态信息优化其每个单元的相位，从而得到在当前接入点选择和预编码数值下的局部最优智能超表面相位结果；最终得到全局的接入点选择和联合接入点预编码以及智能超表面相位优化结果。

7、进一步的，在第一层网络中，接入点根据本地信道状态信息训练获得自身的预编码系数；随后，接入点计算分配给每个用户的预编码功率，与自适应的功率阈值比较，如果低于功率阈值则舍弃该用户，从而确定接入点的服务用户集，并将结果反馈给功率循环反馈网络进行校准，然后在网络中进行自适应功率阈值的更新，并将结果传递给第二层网络。

8、进一步的，根据最大化系统能量效率目标，引入约束条件，根据得到的瞬时信道状态信息计算信干噪比，然后根据能量消耗模型，计算系统能量效率表达式。

9、进一步的，求解最大化能量效率优化问题，通过优化ap选择、ap预编码矩阵以及ris的波束赋形，将整体问题建模为：

10、

11、

12、

13、

14、其中wlk为第l个ap对第k个用户的预编码矩阵系数；alk为ap选择系数，alk＝0表示第l个ap不选择第k个用户，alk＝1表示ap选择该用户服务；θn表示ris第n个单元的相移系数；pap,max表示每个ap的最大传输功率；其中，接入点预编码功率限制不能超过最大功率约束，智能超表面每个单元的相移系数范围约束，决定接入点选择用户的0-1约束。

15、进一步的，在下行通信场景中，基于瞬时信道状态信息得到用户k的频谱效率：

16、

17、其中hk,d表示ap到用户k的直接信道，hrk表示ris到用户k的信道，g表示ris到ap的信道，θ表示ris所有单元的相位集合；

18、基于频谱效率，通过考虑能量消耗模型，得到能量效率：

19、

20、其中plstatic表示ap的固定功耗，pelement表示每个ris单元的功耗，pk表示用户k的功耗，plfronthaul表示ap的回城链路功耗，pcpu表示cpu的功耗。

21、进一步的，在第一层marl网络中进行接入点选择和预编码设计包括：

22、智能体：假设利用模糊逻辑将l个接入点映射为f个智能体；

23、观测空间：基于模糊逻辑的智能体的在第t个时隙的部分观测表示为：

24、

25、动作空间：每个模糊代理根据感知到的模糊状态被分配一个策略；随后，使用去模糊化方法建立模糊动作到特定动作的映射，从而得到智能体的动作；

26、奖励空间：为了保证所有用户获得公平的服务，定义奖励：

27、

28、在上述过程中，基于公式不断地进行功率阈值pthreshold的迭代更新以及预编码矩阵的更新，从而确定接入点选择的结果以及最终的预编码矩阵系数。

29、进一步的，第二层marl网络基于第一层网络中的ap选择以及预编码结果，ap根据全局信道状态信息采用与第一层同样的marl网络计算ris的波束赋形系数，最终得到全局的ap选择和联合预编码结果，包括：

30、智能体：假设利用模糊逻辑将l个接入点映射为f个智能体；

31、观测空间：基于模糊逻辑的智能体的在第t个时隙的部分观测表示为：

32、

33、动作空间：每个模糊代理根据感知到的模糊状态被分配一个策略；随后，使用去模糊化方法建立模糊动作到特定动作的映射，从而得到智能体的动作；

34、奖励空间：为保证所有用户获得公平的服务，定义奖励函数：

35、

36、第二方面，本发明提供一种ris辅助去蜂窝多天线系统联合接入点选择及预编码方法，包括：

37、获取模块，用于获取系统内接入点到用户的瞬时信道状态信息以及组件的能量消耗信息；

38、计算模块，用于根据得到的瞬时信道状态信息计算系统频谱效率，基于得到的频谱效率和能量消耗信息，以最大化系统能量效率为目标，引入接入点天线预编码、智能超表面相位和接入点最大发射功率约束条件，设计优化问题，得到系统的能量效率；

39、决策模块，用于将信道状态信息、能量消耗信息以及能量效率输入到双层的marl网络，并将每个接入点和智能超表面定义为可以自主决策的智能体，利用模糊逻辑将原本与接入点一一对应的智能体映射为小于接入点数量的智能体数；其中，在第一层marl网络中进行系统的接入点选择和接入点预编码设计，基于自适应功率阈值的循环反馈网络，动态调节接入点选择的结果；在第二层网络中基于第一层网络中的结果，智能超表面根据全局信道状态信息优化其每个单元的相位，从而得到在当前接入点选择和预编码数值下的局部最优智能超表面相位结果；最终得到全局的接入点选择和联合接入点预编码以及智能超表面相位优化结果。

40、第三方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如第一方面所述的ris辅助去蜂窝多天线系统接入点选择及预编码方法。

41、第四方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行如第一方面所述的ris辅助去蜂窝多天线系统接入点选择及预编码方法。

42、第五方面，本发明提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如第一方面所述的ris辅助去蜂窝多天线系统接入点选择及预编码方法的指令。

43、本发明有益效果：利用瞬时信道状态信息对网络进行训练，ap只需要本地信道状态信息进行ap-ue选择和联合预编码设计，降低计算复杂度同时，提升了系统的普效、能效，增强了ris辅助cell-free mmimo系统的鲁棒性。

44、本发明附加方面的优点，将在下述的描述部分中更加明显的给出，或通过本发明的实践了解到。