可重构智能表面辅助多用户传输方法、系统、设备及介质

1.本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种可重构智能表面辅助多用户传输方法、系统、设备及介质。


背景技术：

2.第六代移动通信系统中提出了一个新的愿景，即智能可重构的无线传播环境，通过主动改变无线信道以符合传输要求。可重构智能表面(ris)技术可以通过定向反射原本无法利用的无线信号从而提升通信系统的性能。在多用户miso系统中部署ris可以显著改善无线传输信道
1.。
3.一般在部署了ris的下行多用户系统中，考虑到基站的处理能力要远高于用户的处理能力，以及ris的被动无源特性，主要作为受控端。因此，在基站处可以采用预编码技术对发送信号进行预处理，从而对抗用户间的干扰以及噪声的影响，与此同时，将基站端与ris的控制器相连接，从而在调整预编码设计的同时控制ris元件的参数(如幅度、相位)可实现对系统性能的提升。然而，ris元件的参数往往作为基站到用户等效信道的一部分，而预编码技术又必须利用到信道状态信息(csi)。因此，同时实现预编码与ris相位这两个紧密耦合的变量通常是极为困难的。基于ris辅助的多用户miso系统设计通常采用两种方法，一种是将基站的预编码方法与ris相位作为一个整体，统一进行联合设计；另一种则是分布式设计，即先固定ris相位设计预编码方法，再固定预编码方法设计ris相位。通常采用分布式设计方法更容易实现。
4.传统的预编码方法通常认为用户间干扰(mui)是有害的、无法利用的，是导致系统性能下降的原因。近年来的研究工作表明，预编码矩阵的设计可以根据传输符号的信息以及csi来联合设计从而达到利用mui的目的。在传统的预编码设计中，预编码方法通常是只根据csi来进行的。考虑利用mui就需要具体考虑发送数据符号，因此这种预编码方法也叫做符号级预编码。符号级预编码通过具体考虑每一帧发送的用户数据符号，将原本有害的mui转化为有利于目标用户接收端检测的建设性干扰(ci)，增大了优化空间。传统的预编码方法由于将mui视为有害因素，处理干扰的过程中会牺牲很多的优化空间。在对外泄露的干扰信号影响较小时，这种牺牲是不必要的，系统可以将更多的优化空间来提高自身服务用户。
5.在现有基于ris辅助的符号级预编码方法设计
2.中，主要存在以下问题：首先，由于基站处的预编码设计需要利用ris相位系数信息以得到等效信道，故而预编码矩阵与ris相位系数矩阵这两个参数是紧密耦合的，导致要求的目标问题难以直接求解，现有的联合设计方法中将目标问题中的两个参数整体求解，只能得到相应的近似值，而无法得到上述参数的具体设计方法；其次，由于现有方法中需要考虑每一帧发送的数据符号，当传输符号数量增大时，相应的计算复杂度也会相应增加
3.；更进一步的，需要针对每一帧发送的数据符号设计出相应的预编码方法之后再利用给定的预编码方法调整ris的相位，调整相位后需要重新进行预编码方法的设计，如此交替往复迭代求解，在逐符号设计预编码的基础上，
进一步带来极大的计算开销，难以适应ris辅助系统中多用户的应用场景；此外，由于现有的ris系统模型中认为ris元件幅度固定且主要集中于相位的设计，这一约束使用数学表示是非凸的，难以直接求解
[2,4]
。
[0006]
[1]wu q,zhang r.towards smart and reconfigurable environment:intelligent reflecting surface aided wireless network[j].ieee communications magazine,2020,58(1):106-12.
[0007]
[2]liu r,li m,liu q,et al.joint symbol-level precoding and reflecting designs for irs-enhanced mu-miso systems[j].ieee transactions on wireless communications,2021,20(2):798-811.
[0008]
[3]meng x,liu f,zhou j,et al.interference exploitation precoding for intelligent reflecting surface aided communication system[j].ieee wireless communications letters,2021,10(1):126-30.
[0009]
[4]liu r,li m,liu q,et al.intelligent reflecting surface based passive information transmission:a symbol-level precoding approach[j].ieee transactions on vehicular technology,2021,70(7):6735-49.


技术实现要素：

[0010]
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种可重构智能表面辅助多用户传输方法、系统、设备及介质，给出了预编码矩阵和ris相位系数矩阵的具体设计方案，极大的降低计算复杂度，节省每一次迭代步骤中的计算量，提升接收端的信号质量。
[0011]
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
[0012]
第一方面，提供一种可重构智能表面辅助多用户传输方法，包括：
[0013]
利用可重构智能表面元件作为辅助，部署多用户传输系统；
[0014]
采用块级整体设计以及利用建设性干扰预编码的方式，分别计算所述多用户传输系统中，用户接收到的来自基站的下行发送信号、用户间干扰信号的建设性度量；
[0015]
联合设计基站的预编码矩阵以及可重构智能表面元件的相位矩阵，使用户接收信号的最小建设性度量达到最大化；
[0016]
采用交替优化方案分别求解基站的预编码矩阵以及可重构智能表面元件的相位矩阵，确定出最优的主被动联合传输方案。
[0017]
作为一种优选的方案，所述利用可重构智能表面元件作为辅助，部署多用户传输系统的步骤包括：
[0018]
在基站配备n
t
根发送天线，并且部署一个具有m个元件的可重构智能表面，所述可重构智能表面的控制器与基站相连，基站和可重构智能表面同时服务k个用户，所服务的用户均配备单个天线；
[0019]
基站到用户、可重构智能表面到用户以及基站到可重构智能表面的基带等效信道状态信息已知，基站向所有用户发送ω-psk调制方式的信息，用户接收到的信息由基站直接发送到用户的信息以及经由可重构智能表面反射的信息叠加组成。
[0020]
作为一种优选的方案，在所述的多用户传输系统中，给定基站直接发送到用户的
信息经由可重构智能表面反射的信息基站直接发送到可重构智能表面的信息h
t
，以及初试迭代次数n＝0，误差因子δ＝∞，初始目标函数值tn＝0；根据现有信道状态信息，采用黎曼共轭梯度下降法，设计可重构智能表面的初试相位系数矩阵，使得用户等效信道的增益最大；信道增益的目标函数表达式为：
[0021][0022]
式中，θ0和θ0分别表示ris初始相位系数矩阵形式和向量形式；
[0023]
约束条件表示如下：
[0024][0025]
式中，θ
0,m
表示第m个可重构智能表面元件初始的相位值；
[0026]
信道增益的目标函数第k项展开平方项如下：
[0027][0028]
式中，
[0029]
使用对数-和-指数近似法，目标函数变形为：
[0030][0031]
对于模值为1的非凸约束，在黎曼空间上生成一个m维的复环形黎曼流形如下：
[0032][0033]
根据求导法则得到目标函数的欧几里得梯度如下：
[0034][0035]
黎曼梯度计算如下：
[0036][0037]
通过以上步骤得到可微的目标函数以及相应的欧几里得梯度和黎曼梯度后，使用流形优化工具进行求解，得到可重构智能表面元件初始的相位系数向量θ0。
[0038]
作为一种优选的方案，采用块级整体设计以及利用建设性干扰预编码的方式，利用初始相位系数θ0计算出等效信道的信道状态信息以及单次信道相干长度范围内传输的n帧符号，求解最优的块级预编码矩阵w
*
，来最大化k个用户总共nk个传输符号中接收信号的最小建设性干扰度量t
k，n
：
[0039][0040]
建设性干扰有效判决门限的约束条件为：
[0041][0042]
设计的预编码矩阵满足复数比例因子的放缩关系：
[0043][0044]
对于基站传输n帧符号的总发射功率进行功率约束：
[0045][0046]
以上目标函数和约束条件均为凸函数，使用凸优化工具进行求解，得到本次迭代所求解出的最优的预编码矩阵w
*
。
[0047]
作为一种优选的方案，在得到预编码矩阵w
*
后，利用求得到的预编码矩阵w
*
，目标函数仍然为最大化nk个传输符号中最小的建设性干扰度量值min t
k,n
，求解可重构智能表面元件的相位矩阵θ；
[0048]
可重构智能表面元件的相位矩阵θ满足建设性干扰度量的约束条件和对应的复数比例因子的对应关系，以及相位系数元件幅度为1，相位在[0，2π)范围之间，表达式如下：
[0049][0050][0051]
θ＝diag(θ)，|θm|＝1。
[0052]
作为一种优选的方案，采用去绝对值以及对数-和-指数近似法将目标函数近似为可微函数，表达式如下：
[0053][0054]
将变量θ变形为利用模值为1这一约束生成一个2m维的黎曼流形：
[0055][0056]
根据目标函数求出欧几里得梯度：
[0057][0058]
根据欧几里得梯度计算黎曼梯度：
[0059][0060]
在得到目标函数的欧几里得梯度及黎曼梯度后，使用流形优化工具对目标函数和给定的黎曼流形和黎曼梯度进行求解，得到流形上的可重构智能表面元件最优相位矩阵根据可重构智能表面元件最优相位矩阵还原为可重构智能表面元件最优相位系数向量θ
*
：
[0061][0062]
作为一种优选的方案，所述采用交替优化方案分别求解基站的预编码矩阵以及可重构智能表面元件的相位矩阵，从而确定出最优的主被动联合传输方案的步骤中，迭代更新目标函数值tn以及按下式更新误差值：
[0063][0064]
式中，t
pre
为上一次迭代的目标函数值，如果是第一次迭代则t
pre
值为∞。
[0065]
一种可重构智能表面辅助多用户传输系统，包括：
[0066]
传输系统部署模块，用于利用可重构智能表面元件作为辅助，部署多用户传输系统；
[0067]
建设性度量计算模块，用于采用块级整体设计以及利用建设性干扰预编码的方式，分别计算所述多用户传输系统中，用户接收到的来自基站的下行发送信号、用户间干扰信号的建设性度量；
[0068]
矩阵联合设计模块，用于联合设计基站的预编码矩阵以及可重构智能表面元件的相位矩阵，使用户接收信号的最小建设性度量达到最大化；
[0069]
矩阵交替优化模块，用于采用交替优化方案分别求解基站的预编码矩阵以及可重构智能表面元件的相位矩阵，确定出最优的主被动联合传输方案。
[0070]
一种电子设备，包括：
[0071]
存储器，存储至少一个指令；及处理器，执行所述存储器中存储的指令以实现所述的可重构智能表面辅助多用户传输方法。
[0072]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的可重构智能表面辅助多用户传输方法。
[0073]
相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：
[0074]
本发明将原始两个参数紧密耦合导致直接求解困难的目标问题解耦为两个子问题求解，给出了预编码矩阵和可重构智能表面元件相位矩阵的具体设计方案，印证了应用于实际系统中的可行性。相比于现有方法中的逐符号设计这一高复杂度的特性，本发明方法将单次信道相干长度范围内的n帧传输符号看作一个整体，基于整体传输符号在块级层面利用建设性干扰设计预编码矩阵，每次迭代中只需完成一次预编码矩阵设计，从而极大的降低了计算复杂度。本发明方法通过摒弃传统的逐符号设计方法，从而节省了每一次迭代步骤中的计算量。由于可重构智能表面元件的相位矩阵在初始化过程中，采用了使得信道增益最大化的设计方法，从而将基站到用户的等效信道设计为最优状态，减少了后续交替迭代设计的迭代次数。
[0075]
进一步的，本发明在设计可重构智能表面元件的相位矩阵时，采用了基于黎曼流形上的算法，通过将原本无法直接处理求解系数矩阵模值固定的这一非凸约束，转化为黎曼流形上的对应值，从而可以在流形上使用相应的流形优化算法求解。
附图说明
[0076]
为了更加清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的
附图作以简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明部分实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0077]
图1为本发明实施例可重构智能表面辅助多用户传输方法的建设性干扰示意图；
[0078]
图2为本发明实施例部署的多用户传输系统结构示意图；
[0079]
图3为本发明实施例部署的多用户传输系统传输场景示意图；
[0080]
图4为本发明实施例可重构智能表面辅助多用户传输方法的系统平均误符号率随基站总传输功率变化图，采用qpsk调制方式；
[0081]
图5为本发明实施例可重构智能表面辅助多用户传输方法的系统平均误符号率随基站总传输功率变化图，采用8psk调制方式。
[0082]
图6为本发明实施例可重构智能表面辅助多用户传输方法的系统平均误符号率随ris元件数的变化图，采用qpsk调制方式。
[0083]
图7为本发明实施例可重构智能表面辅助多用户传输方法的系统平均误符号率随ris元件数的变化图，采用8psk调制方式。
具体实施方式
[0084]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员还可以在没有做出创造性劳动的前提下获得其他实施例。
[0085]
本发明实施例提出一种可重构智能表面辅助多用户传输方法，包括如下步骤：
[0086]
s1、利用可重构智能表面元件作为辅助，部署多用户传输系统，如图2所示，在基站配备n
t
根发送天线，并且部署一个具有m个元件的可重构智能表面，所述可重构智能表面的控制器与基站相连，基站和可重构智能表面同时服务k个用户，所服务的用户均配备单个天线；基站到用户、可重构智能表面到用户以及基站到可重构智能表面的基带等效信道状态信息已知，基站向所有用户发送ω-psk调制方式的信息，用户接收到的信息由基站直接发送到用户的信息以及经由可重构智能表面反射的信息叠加组成。
[0087]
s2、给定基站直接发送到用户的信息经由可重构智能表面反射的信息基站直接发送到可重构智能表面的信息h
t
，以及初试迭代次数n＝0，误差因子δ＝∞，初始目标函数值tn＝0。首先考虑信道状态，根据现有信道状态信息，采用黎曼共轭梯度下降法，合理设计ris初试相位系数矩阵使得用户等效信道的增益最大。根据csi可以得到信道增益的目标函数表达式为：
[0088][0089]
其中，θ0和θ0分别表示ris初始相位系数矩阵形式和向量形式。
[0090]
根据ris的系统模型，ris每一个元件的参数数学上表示为幅度为1，相位取值范围在[0，2π)之间的一个复数。因此约束条件表示如下：
[0091][0092]
其中：θ
0,m
表示第m个ris元件初始的相位值。
[0093]
信道增益的目标函数第k项展开平方项如下：
[0094][0095]
其中，由于是max函数，可以使用对数-和-指数近似法，将目标函数变形为：
[0096][0097]
对于模值为1的这一非凸约束可以在黎曼空间上生成一个m维的复环形黎曼流形：
[0098][0099]
根据求导法则可以得到目标函数的欧几里得梯度如下：
[0100][0101]
黎曼梯度计算表达式如下：
[0102][0103]
以上得到可微的目标函数以及相应的欧几里得梯度和黎曼梯度后可以使用流形优化工具箱manopt进行求解，得到ris元件初始的相位系数向量θ0。
[0104]
s3、采用块级整体设计利用建设性干扰预编码的方式，利用初始相位系数θ0计算出的等效信道csi以及单次信道相干长度范围内传输的n帧符号，求解最优的块级预编码矩阵w
*
，来最大化k个用户总共nk个符号中接收信号的最小建设性干扰度量t
k，n
，即：
[0105][0106]
根据图1所描述的建设性干扰度量，可以得到建设性干扰有效判决门限的约束条件为：
[0107][0108]
同时，设计的预编码矩阵需要满足复数比例因子的放缩关系，即：
[0109][0110]
此外，对于基站传输n帧符号的总发射功率进行功率约束：
[0111][0112]
以上目标函数和约束条件均为凸函数，可以使用凸优化工具箱如cvx进行求解，得到本次迭代所求解出的最优的预编码矩阵w
*
。
[0113]
s4、在得到预编码矩阵后，利用求得到的预编码矩阵，目标函数仍然为最大化nk个
传输符号中最小的建设性干扰度量值mint
k,n
，求解ris相位系数矩阵θ。
[0114]
ris相位系数矩阵θ需要满足建设性干扰度量的约束条件和对应的复数比例因子的对应关系，以及相位系数元件幅度为1，相位在[0，2π)范围之间，即：
[0115][0116][0117]
θ＝diag(θ)，|θm|＝1
[0118]
由于目标函数变形后含有绝对值项，以及不是一个可微函数，故采用去绝对值以及对数-和-指数近似法将目标函数近似为可微函数，即：
[0119][0120]
将变量θ变形为利用模值为1这一约束生成一个2m维的黎曼流形：
[0121][0122]
根据目标函数求出欧几里得梯度如下：
[0123][0124]
根据欧几里得梯度计算黎曼梯度如下：
[0125][0126]
在得到目标函数的欧几里得梯度及黎曼梯度后可以采取与s2类似的步骤，使用流形优化工具箱manopt对目标函数和给定的黎曼流形和黎曼梯度进行求解，得到流形上的最优解
[0127]
最后根据最优解还原为最优的相位系数向量θ
*
：
[0128][0129]
s5、迭代次数n＝n+1，重复步骤s3、s4，更新目标函数值tn以及按下式更新误差值：
[0130][0131]
其中t
pre
为上一次迭代的目标函数值，如果是第一次迭代则t
pre
值为∞。
[0132]
上述本发明实施例可重构智能表面辅助多用户传输方法，开创性地将原始两个参数紧密耦合导致直接求解困难的目标问题解耦为两个子问题求解，给出了预编码矩阵和ris相位系数矩阵的具体设计方案，从而印证了应用于实际系统中的可行性；其次，相比于现有方法中的逐符号设计这一高复杂度的特性，本发明实施例方法将单次信道相干长度范围内的n帧传输符号看做一个整体并基于整体传输符号在块级层面利用建设性干扰设计预编码矩阵，每次迭代中只需完成一次预编码矩阵设计，从而极大降低了计算复杂度；再次，
本发明实施例通过摒弃传统的逐符号设计方法，从而节省了每一次迭代步骤中的计算量。
[0133]
具体的，由于在相位系数矩阵初始化过程中，采用了使得信道增益最大化的设计方法，从而将基站到用户的等效信道设计为最优状态，减少了后续交替迭代设计的迭代次数。
[0134]
进一步的，本发明实施例可重构智能表面辅助多用户传输方法由于采用了将原始目标问题解耦为两个子问题的步骤，从而简化了基站处预编码矩阵和ris相位系数矩阵这两个参数紧密耦合的原始目标问题，相比于将两个参数作为整体考虑的设计方法，给出了这两个参数的具体数值，从而印证了本发明方法应用于实际通信系统中的可行性。
[0135]
进一步的，相比于传统的逐符号设计预编码矩阵的方法，本发明在求解预编码方法时将传输符号看作一个整体，直接利用整体的传输符号在块级层面上求解预编码矩阵，只需要使用一次cvx求解器求解一次预编码矩阵而不需对于n帧符号求解n次，降低了计算复杂度。
[0136]
进一步的，由于本方法整体采用了交替迭代求解方案，通过采用块级求解预编码矩阵的方法，节省了单次迭代步骤中的计算次数，从而降低了交替迭代求解整个过程的计算开销。
[0137]
进一步的，由于本发明实施例可重构智能表面辅助多用户传输方法在设计ris相位系数矩阵时采用了基于黎曼流形上的算法，将原本无法直接处理求解的系数矩阵模值固定这一非凸约束转化为流形上的对应值从而可以在流形上使用相应的流形优化算法求解。
[0138]
此外，本发明实施例方法除了可以解决现有方案中的主要技术问题以外，由于所提出的主被动联合优化设计方法考虑了基站端的预编码设计与ris元件的相位优化设计，从而相比于传统的只依靠基站端设计发端预编码的无线系统而言，提高了用户接收信号的质量，进一步降低了系统的平均误符号率；并且，由于块级求解方法松弛了逐符号求解方法中的功率约束条件，相比于逐符号求解方法，不仅降低了计算复杂度，而且进一步获得了系统的增益，进一步提高了用户接收信号的质量从而降低了系统平均误符号率。
[0139]
通过以下仿真实验结果对本发明实施例可重构智能表面辅助多用户传输方法进行验证。
[0140]
使用蒙特卡罗仿真方法对方法进行10000次以上的独立仿真。
[0141]
测试条件如下：
[0142]
请参阅图3，一个三维立体场景，装有n
t
根天线的基站与装有m个元件的ris位于同一水平线上，且直线距离50米，k个用户均匀分布在以ris为圆心，半径为3米的左半圆上，且不位于基站与ris的连线上。进而，基站到各个用户的直线距离可以按照几何关系分别求出。ris采用的是均匀线性平面阵列，实验过程保持沿y轴方向的ris元件数目不变，沿着z轴方向线性增加元件个数，从而ris的元件阵列可以表示为：
[0143]
m＝m
ymz
[0144]
其中，my表示沿y轴方向的ris元件数；mz表示沿z轴方向ris元件的行数。
[0145]
基站的发射天线数nt＝8，用户数k＝8，调制方式采用qpsk调制方式，每个用户的接收底噪为-80dbm，假定基站的天线阵列为均匀线性阵列，且天线间距为半波长，ris中固定my＝4，并线性增加mz。信道的路径损耗，即大尺度衰落因子与距离的关系如下：
[0146][0147]
其中，c0表示参考距离1米的路径损耗(db)；d0表示参考距离(1m)；d表示直线距离(m)；α表示路径损耗指数。
[0148]
此外，小尺度衰落考虑采用莱斯信道衰落模型，分为视距和非视距传播两部分。由此，可以将基站到用户的信道建模如下：
[0149][0150]
其中，κ表示莱斯衰落因子(db)；表示信道的视距传播部分；表示非视距传播部分，遵循瑞利衰落。
[0151]
同理，ris到各个用户以及基站到ris的信道也可以采用相同的方式建模，均包含有路径损耗部分以及莱斯衰落部分。仿真中统一设置c0＝-30db，κ＝3db，基站到用户、基站到ris、ris到用户路径损耗指数分别为3.5，2.5和2.8。
[0152]
仿真结果参见图4至图7，传统的符号级预编码方法采用的是逐符号设计预编码矩阵的方法，传统的块级预编码方法是不考虑利用用户间建设性干扰的传统预编码方法。为了公平起见，在仿真结果中统一对比了系统中有无ris的仿真场景结果图。对于无ris的系统，只存在基站到用户的直接链路信道，直接按照直接链路通道的csi设计预编码矩阵。
[0153]
请参阅图4与图5，固定ris元件数m＝64，单次信道相干长度范围内传输符号的帧数n＝15，分别给出了采用qpsk和8psk调制方式下ber随基站总传输功率变化的关系。将基站的总传输功率从20dbm线性变化到50dbm。相比于传统的没有利用建设性干扰的预编码方法而言，利用ci的符号级预编码可以获得ber的明显增益，即便系统中部署了ris，仅仅通过ris改善信道条件能够实现的增益仍然有限。对于利用用户间干扰并且系统中部署了ris的情形，能够实现较为明显的增益。在信道相干长度范围内传输符号的帧数较小的情形下，通过松弛功率约束并在系统中部署了ris后，比起逐符号的slp方法能够进一步实现增益。比起qpsk情形，8psk由于星座点更密集，误符号率相比qpsk情形会有所提升，所提方法比起逐符号设计预编码方法而言在总传输功率较小时无明显性能增益。
[0154]
请参阅图6与图7，分别给出了在qpsk与8psk调制情形下，固定基站总传输功率p＝40dbm，n＝15时ber随ris元件数的变化关系。其中线性变化mz使得ris的总元件数从40线性变化到64。当ris元件数增加时，传统没有利用ci的预编码方法在引入ris后能够实现的增益有限。逐符号的slp方法在引入ris后可以实现较为明显的增益。松弛功率约束后的利用ci的blp求解方法可以在slp方法的基础上进一步实现增益。相比于qpsk，8psk能够实现的增益有限，通过引入ris后相比于无ris的场景可进一步实现系统性能提升。
[0155]
本发明另一实施例还提出一种可重构智能表面辅助多用户传输系统，包括：
[0156]
传输系统部署模块，用于利用可重构智能表面元件作为辅助，部署多用户传输系统；
[0157]
建设性度量计算模块，用于采用块级整体设计以及利用建设性干扰预编码的方式，分别计算所述多用户传输系统中，用户接收到的来自基站的下行发送信号、用户间干扰
信号的建设性度量；
[0158]
矩阵联合设计模块，用于联合设计基站的预编码矩阵以及可重构智能表面元件的相位矩阵，使用户接收信号的最小建设性度量达到最大化；
[0159]
矩阵交替优化模块，用于采用交替优化方案分别求解基站的预编码矩阵以及可重构智能表面元件的相位矩阵，确定出最优的主被动联合传输方案。
[0160]
本发明另一实施例还提出一种电子设备，包括：
[0161]
存储器，存储至少一个指令；及处理器，执行所述存储器中存储的指令以实现所述的可重构智能表面辅助多用户传输方法。
[0162]
本发明另一实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的可重构智能表面辅助多用户传输方法。
[0163]
示例性的，所述存储器中存储的指令可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在计算机可读存储介质中，并由所述处理器执行，以完成本发明所述的可重构智能表面辅助多用户传输方法。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机可读指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在服务器中的执行过程。
[0164]
所述电子设备可以是智能手机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述电子设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述电子设备还可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述电子设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
[0165]
所述处理器可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0166]
所述存储器可以是所述服务器的内部存储单元，例如服务器的硬盘或内存。所述存储器也可以是所述服务器的外部存储设备，例如所述服务器上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)等。进一步地，所述存储器还可以既包括所述服务器的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器用于存储所述计算机可读指令以及所述服务器所需的其他程序和数据。所述存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
[0167]
需要说明的是，上述模块单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
[0168]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可
以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0169]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如u盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。
[0170]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0171]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种可重构智能表面辅助多用户传输方法，其特征在于，包括：利用可重构智能表面元件作为辅助，部署多用户传输系统；采用块级整体设计以及利用建设性干扰预编码的方式，分别计算所述多用户传输系统中，用户接收到的来自基站的下行发送信号、用户间干扰信号的建设性度量；联合设计基站的预编码矩阵以及可重构智能表面元件的相位矩阵，使用户接收信号的最小建设性度量达到最大化；采用交替优化方案分别求解基站的预编码矩阵以及可重构智能表面元件的相位矩阵，确定出最优的主被动联合传输方案。2.根据权利要求1所述的可重构智能表面辅助多用户传输方法，其特征在于，所述利用可重构智能表面元件作为辅助，部署多用户传输系统的步骤包括：在基站配备n
t
根发送天线，并且部署一个具有m个元件的可重构智能表面，所述可重构智能表面的控制器与基站相连，基站和可重构智能表面同时服务k个用户，所服务的用户均配备单个天线；基站到用户、可重构智能表面到用户以及基站到可重构智能表面的基带等效信道状态信息已知，基站向所有用户发送ω-psk调制方式的信息，用户接收到的信息由基站直接发送到用户的信息以及经由可重构智能表面反射的信息叠加组成。3.根据权利要求2所述的可重构智能表面辅助多用户传输方法，其特征在于，在所述的多用户传输系统中，给定基站直接发送到用户的信息经由可重构智能表面反射的信息基站直接发送到可重构智能表面的信息h
t
，以及初试迭代次数n＝0，误差因子δ＝∞，初始目标函数值t
n
＝0；根据现有信道状态信息，采用黎曼共轭梯度下降法，设计可重构智能表面的初试相位系数矩阵，使得用户等效信道的增益最大；信道增益的目标函数表达式为：式中，θ0和θ0分别表示ris初始相位系数矩阵形式和向量形式；约束条件表示如下：式中，θ
0,m
表示第m个可重构智能表面元件初始的相位值；信道增益的目标函数第k项展开平方项如下：式中，使用对数-和-指数近似法，目标函数变形为：
对于模值为1的非凸约束，在黎曼空间上生成一个m维的复环形黎曼流形如下：根据求导法则得到目标函数的欧几里得梯度如下：黎曼梯度计算如下：通过以上步骤得到可微的目标函数以及相应的欧几里得梯度和黎曼梯度后，使用流形优化工具进行求解，得到可重构智能表面元件初始的相位系数向量θ0。4.根据权利要求1所述的可重构智能表面辅助多用户传输方法，其特征在于，采用块级整体设计以及利用建设性干扰预编码的方式，利用初始相位系数θ0计算出等效信道的信道状态信息以及单次信道相干长度范围内传输的n帧符号，求解最优的块级预编码矩阵w
*
，来最大化k个用户总共nk个传输符号中接收信号的最小建设性干扰度量t
k,n
：建设性干扰有效判决门限的约束条件为：设计的预编码矩阵满足复数比例因子的放缩关系：对于基站传输n帧符号的总发射功率进行功率约束：以上目标函数和约束条件均为凸函数，使用凸优化工具进行求解，得到本次迭代所求解出的最优的预编码矩阵w
*
。5.根据权利要求4所述的可重构智能表面辅助多用户传输方法，其特征在于，在得到预编码矩阵w
*
后，利用求得到的预编码矩阵w
*
，目标函数仍然为最大化nk个传输符号中最小的建设性干扰度量值min t
k,n
，求解可重构智能表面元件的相位矩阵θ；可重构智能表面元件的相位矩阵θ满足建设性干扰度量的约束条件和对应的复数比例因子的对应关系，以及相位系数元件幅度为1，相位在[0,2π)范围之间，表达式如下：例因子的对应关系，以及相位系数元件幅度为1，相位在[0,2π)范围之间，表达式如下：θ＝diag(θ),|θ
m
|＝1。6.根据权利要求5所述的可重构智能表面辅助多用户传输方法，其特征在于，采用去绝对值以及对数-和-指数近似法将目标函数近似为可微函数，表达式如下：
将变量θ变形为利用模值为1这一约束生成一个2m维的黎曼流形：根据目标函数求出欧几里得梯度：根据欧几里得梯度计算黎曼梯度：在得到目标函数的欧几里得梯度及黎曼梯度后，使用流形优化工具对目标函数和给定的黎曼流形和黎曼梯度进行求解，得到流形上的可重构智能表面元件最优相位矩阵根据可重构智能表面元件最优相位矩阵还原为可重构智能表面元件最优相位系数向量θ
*
：7.根据权利要求1所述的可重构智能表面辅助多用户传输方法，其特征在于，所述采用交替优化方案分别求解基站的预编码矩阵以及可重构智能表面元件的相位矩阵，从而确定出最优的主被动联合传输方案的步骤中，迭代更新目标函数值t
n
以及按下式更新误差值：式中，t
pre
为上一次迭代的目标函数值，如果是第一次迭代则t
pre
值为∞。8.一种可重构智能表面辅助多用户传输系统，其特征在于，包括：传输系统部署模块，用于利用可重构智能表面元件作为辅助，部署多用户传输系统；建设性度量计算模块，用于采用块级整体设计以及利用建设性干扰预编码的方式，分别计算所述多用户传输系统中，用户接收到的来自基站的下行发送信号、用户间干扰信号的建设性度量；矩阵联合设计模块，用于联合设计基站的预编码矩阵以及可重构智能表面元件的相位矩阵，使用户接收信号的最小建设性度量达到最大化；矩阵交替优化模块，用于采用交替优化方案分别求解基站的预编码矩阵以及可重构智能表面元件的相位矩阵，确定出最优的主被动联合传输方案。9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器，存储至少一个指令；及处理器，执行所述存储器中存储的指令以实现如权利要求1至7中任一项所述的可重构智能表面辅助多用户传输方法。10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的可重构智能表面辅助多用户传输方法。

技术总结
一种可重构智能表面辅助多用户传输方法、系统、设备及介质，方法包括：利用可重构智能表面元件作为辅助，部署多用户传输系统；采用块级整体设计以及利用建设性干扰预编码的方式，分别计算所述多用户传输系统中，用户接收到的来自基站的下行发送信号、用户间干扰信号的建设性度量；联合设计基站的预编码矩阵以及可重构智能表面元件的相位矩阵，使用户接收信号的最小建设性度量达到最大化；采用交替优化方案分别求解基站的预编码矩阵以及可重构智能表面元件的相位矩阵，确定出最优的主被动联合传输方案。本发明给出了预编码矩阵和RIS相位系数矩阵的具体设计方案，极大的降低计算复杂度，节省每一次迭代步骤中的计算量，提升接收端的信号质量。端的信号质量。端的信号质量。


技术研发人员：李昂 林宇鸣 廖学文 高贞贞 张超 吕刚明
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/7/26