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专利号: 2024105735807
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-01-08
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种多RIS辅助通信网络资源分配方法,其特征在于,包括以下步骤:根据预先构建的目标通信网络系统的RIS辅助通信网络模型确定初始非凸优化问题;

基于所述初始非凸优化问题,分别初始化用户速率矢量、波束成形矢量和RIS相移矩阵,根据初始化的用户速率矢量、波束成形矢量和RIS相移矩阵使用交替优化的联合优化方案计算初始优化问题,得到最优的用户速率矢量、波束成形矢量和RIS相移矩阵;

基于最优的用户速率矢量、波束成形矢量和RIS相移矩阵,进行多RIS辅助通信网络的资源分配;

构建RIS辅助通信网络模型,包括:确定目标通信网络系统中的所有用户的接收天线数量、RIS的反射元件个数和基站的发送天线数量、RIS的类型以及基站到RIS和RIS到用户的信道模型;

根据RIS辅助通信网络模型定义初始优化问题,包括:所述初始非凸优化问题为在RSMA的传输方式下以所有用户的总数据速率最大化为目标获取最优波束成形矢量、最优RIS相移矩阵和最优用户速率矢量;

初始非凸优化问题的模型为:

目标函数:

其中, 为RIS相移矩阵,为波束成形矢量,为用户速率矢量,为用户数量, 为用户 在RSMA传输方式下的系统总数据速率;

约束条件:

其中, 表示用户的集合, , 为第 个用户的用户速率矢量, 为用户的公共速率, 为用户 解码公共消息的可实现速率, 为用户 解码私有消息的可实现速率, 为用户 的最小速率需求, 是RIS 上的第 个反射元件的相移矢量, ,是RIS 上的第 个反射元件的反射幅度, ,表示RIS的序数,表示反射元件的序数,  , , 表示RIS的集合,表示RIS的数量, 表示RIS的反射元件的集合, 为RIS 的反射元件数量,RIS 表示第 个RIS, 为基站的最大发射功率, 表示转置共轭;

基于初始优化问题,分别初始化用户速率矢量、波束成形矢量和RIS相移矩阵,使用交替优化的联合优化方案,得到最优的用户速率矢量、波束成形矢量和RIS相移矩阵,包括:根据初始的RIS相移矩阵和初始化用户速率矢量,将初始优化问题转化为关于波束成形矢量的单变量凸优化问题,求解得到最优的波束成形矢量;

根据求解的最优波束成形矢量和初始化用户速率矢量,将初始优化问题转化为关于RIS相移矩阵的单变量近似凸优化问题,求解得到最优的RIS相移矩阵;

根据求解的最优RIS相移矩阵和求解的最优波束成形矢量,将初始优化问题转化为关于用户速率矢量的线性规划问题,求解最优的用户速率矢量;

根据初始的RIS相移矩阵和初始化用户速率矢量,将初始优化问题转化为关于波束成形矢量的单变量凸优化问题,求解得到最优的波束成形矢量,包括:根据初始化RIS相移矩阵 和初始化用户速率矢量 ,将初始优化问题转化为关于波束成形矢量的单变量优化问题,求解最优的波束成形矢量 ;

最优波束成形矢量目标函数:

其中, 为波束成形矢量, 为用户数量, 为用户 解码私有消息的可实现速率;

最优波束成形矢量约束条件:

其中, 用户 的公共速率, 为用户 解码公共消息的可实现速率, 为用户 的最小速率需求, 为基站的最大发射功率, 表示转置共轭;

和 分别表示从BS到 RIS 和从 RIS 到 UE 的信道响应,设是用户 的组合信道矢量,其中 表示从 RIS 到 UE 的信道响应,引入松弛矢量 和 分别表示用户 译码私有信息和公共信息的信干噪比,将第一个约束改写为:,以确保每个用户能够解码公共信息;

将第二个约束改写为:

,其中, 为带宽,以保证每个用户的最低速率要求;

将最优波束成形矢量目标函数和最优波束成形矢量约束重新整理得优化问题:,

 ,

其中, 表示噪声方差;

通过对最优波束成形矢量约束的第二个和第四个约束进行近似,将波束成形矢量优化问题重新表述为下面的凸优化问题:最优波束成形矢量目标函数:

最优波束成形矢量约束条件:

上述问题是一个凸优化问题,使用CVX工具箱求解该凸优化问题,获得最优的波束成形矢量;

通过对最优波束成形矢量约束的第二个和第四个约束进行近似,将波束成形矢量优化问题重新表述为下面的凸优化问题,包括:应用SCA方法对于最优波束成形矢量约束的第二个和第四个约束重写为凸差的形式,分别为:和

使用以下不等式来通过一阶近似来近似形式 的二次线性部分,不等式如下:,

其中 是迭代次数, 是迭代 次 的值,将最优波束成形矢量约束的第二个和第四个约束在每次迭代中通过下界线性函数来近似,引入近似表达式和 ,和

即:

 ,

其中:

将波束成形矢量优化问题重新表述为下面的凸优化问题:目标函数:

约束条件:

上述问题是一个凸优化问题,使用CVX工具箱求解该凸优化问题,获得最优的波束成形矢量;

根据求解的最优波束成形矢量和初始化用户速率矢量,将初始优化问题转化为关于RIS相移矩阵的单变量近似凸优化问题,求解得到最优的RIS相移矩阵,包括:给定波束成形矢量和用户速率矢量,初始优化问题转化为关于RIS相移矩阵的单变量优化问题,求解最优的RIS相移矩阵;

最优RIS相移矩阵目标函数:

其中, 为RIS相移矩阵, 为用户数量, 为用户 解码私有消息的可实现速率;

最优RIS相移矩阵约束条件:

其中, 为用户 的公共速率, 为用户 解码公共消息的可实现速率, 为用户 的最小速率需求, 和 是RIS 上的第 个反射元件的相移矢量和反射幅度;

引入松弛矢量 用来表示用户 译码专有信息的信干噪比,令表示第 个RIS第 个反射单元的相移矢量,并令表示第 个RIS所有反射单元的相移矢量,令表示所有RIS所有反射单元的相移矢量,则转换为:

最优RIS相移矩阵目标函数:

最优RIS相移矩阵约束条件:

使用罚函数法和SCA方法将目标函数重写为:最优RIS相移矩阵目标函数:

上述C是一个人为设定的常数,最优RIS相移矩阵目标函数第二部分是的一阶泰勒级数,上标 表示变量在第 次迭代时的值;

使用罚函数法和SCA方法,并引入非零实数变量 和 ,将最优RIS相移矩阵约束条件重写为:最优RIS相移矩阵约束条件:

其中, 是个求实部符号,且 和分别是 和 相

对于 在 下的一阶泰勒展开式, 是转置数学符号;

通过cvx工具箱求解该近似凸优化问题,得到最优的相移矩阵;

根据求解的最优RIS相移矩阵和求解的最优波束成形矢量,将初始优化问题转化为关于用户速率矢量的线性规划问题,求解最优的用户速率矢量,包括:根据最优的RIS相移矩阵和最优的波束成形矢量求解最优的用户速率矢量的问题:最优用户速率矢量目标函数:

其中, 为用户速率矢量, 为用户数量, 为用户 的可实现公共速率;

最优用户速率矢量约束条件:

其中, 为用户 的公共速率, 为用户 解码公共消息的可实现速率, 为用户的最小公共速率;

根据最优的RIS相移矩阵和最优的波束成形矢量求解最优的用户速率矢量的问题为一个线性规划问题,根据最优的RIS相移矩阵和最优的波束成形矢量,通过cvx工具箱,求出最优的用户速率矢量;

基于最优的用户速率矢量、波束成形矢量和RIS相移矩阵,进行多RIS辅助通信网络的资源分配,包括:将多RIS辅助通信网络中的用户速率矢量、波束成形矢量和RIS相移矩阵设置为求解得到的最优的用户速率矢量、波束成形矢量和RIS相移矩阵。

2.一种用于执行如权利要求1所述的多RIS辅助通信网络资源分配方法的多RIS辅助通信网络资源分配系统,其特征在于,包括:系统模型构建模块:用于构建RIS辅助通信网络模型;

初始优化问题模块:用于根据RIS辅助通信网络模型定义初始优化问题;

交替优化模块:用于基于初始优化问题,分别初始化用户速率矢量、波束成形矢量和RIS相移矩阵,使用交替优化的联合优化方案,得到最优的用户速率矢量、波束成形矢量和RIS相移矩阵;

系统性能提升模块:用于通过最优的用户速率矢量、波束成形矢量和RIS相移矩阵,提高RIS辅助通信网络的总数据速率。