[發明專利]基于智能反射面輔助上行系統的動態資源分配方法

有效

• 申請號: 202110318893.4
• 申請日: 2021-03-25
• 公開（公告）號: CN113068262B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 朱俏楠;高玉蘭;肖悅
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H04W72/04
• 分類號: H04W72/04
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 孫一峰

1.基于智能反射面輔助上行系統的動態資源分配方法，在智能反射面輔助上行系統中，包括一個帶有全向天線的基站，K個單天線的用戶，N個智能反射面，其中每個智能反射面的單元數量為M；假設整個上行頻譜被劃分為N+1個相等大小的子頻譜，每個智能反射面分配到的帶寬為B_n,n∈{1,2,...,N}，基站分配到的帶寬為B_N+1，且各個帶寬之間相互正交；假設接入同一智能反射面或者基站的用戶使用相同的帶寬進行通信，因此，用戶受到的干擾來自接入同一個智能反射面或者同時接入基站的其他用戶的干擾，智能反射面和基站之間相互不存在干擾；其特征在于，所述動態資源分配方法包括：

S1、定義接入方案，假設一個智能反射面可以同時服務多個用戶，而一個用戶只能選擇一個智能反射面或者基站接入，用戶根據當前時刻的位置信息選擇接入的智能反射面，具體為：

(1)若用戶位于兩個智能反射面覆蓋的交疊的領域，用戶選擇最近的智能反射面接入；

(2)若用戶位于一個智能反射面覆蓋的區域，用戶選擇該智能反射面接入；

(3)若用戶位于非智能反射面覆蓋的區域，用戶選擇基站直接接入；

S2、根據步驟S1定義的接入方案，對問題進行建模，引入幀的概念，定義為單位時間長度，針對用戶選擇智能反射面接入的情況，假設在幀t時，一組用戶通過智能反射面n來與基站通信，經由反射面n輔助通信的用戶k在基站處可達到的速率表示為：

其中為基站與智能反射面n在幀t時的信道矢量；為智能反射面n的相移對角矩陣；為用戶k與智能反射面n的信道矢量；為用戶k發射功率，為用戶i發射功率，i≠k；σ²為熱噪聲功率；為幀t開始時用戶k的接入選擇指示量，定義如下

同理，針對用戶接入基站的情況，假設在幀t時，一組用戶直接接入基站，直接與基站通信的用戶k在基站處可達到的速率表示為：

其中表示用戶k與基站在幀t時的直接信道，為幀t開始時用戶k是否接入基站的指示量，定義如下：

任一用戶k的速率表示為：

定義系統效用函數為：

假設幀總數為τ，則長期動態優化問題為：

其中，為長期動態系統效用函數的幀平均期望：

為戶k功率消耗的幀平均期望：

為用戶k可達速率的幀平均期望：

為在幀t開始時，假設用戶k到達的、需要傳輸的數據量為A_k(t)的幀平均期望：

P＝[p(0),p(1),…,p(τ-1)]表示由功率向量組成的功率分配矩陣，表示所有智能反射面相移矩陣的組合；表示用戶k長期平均功率約束，表示用戶k的峰值功率約束；

S3、基于李雅普諾夫優化框架的漂移加懲罰算法對步驟S2建立的長期動態優化問題進行處理，得到目標函數：

其中-VF(t)為懲罰項；V為權衡系數，用來權衡目標值和約束滿足之間的關系；U_k(t)為用戶k的速率約束隊列，定義為

U_k(t+1)＝max{U_k(t)+A_k(t)-R_k(t),0}

Z_k(t)為用戶k的功率約束隊列，定義為

當約束不能長期滿足時，對列堆積越來越多，U_k(t)，Z_k(t)數值越來越大，迫使系統對用戶進行資源分配時優先滿足隊列較長的用戶；當用戶的隊列都趨于0時，系統狀態趨于穩定；

S4、利用基于拉格朗日對偶理論的分式規劃方法，迭代求步驟S3中目標函數的最小值，然后在每次迭代中導出功率和相移的閉式解，去掉無關常數項，目標函數等價為：

其中為用戶k在幀t時的信干噪比，通過引入輔助變量并進行拉格朗日對偶轉換，轉換為：

其中為輔助變量集，當Ω(t)固定時，最優由f₁對求導得到

給定γ(t)，得到優化功率和相移的目標函數：

其中

S5、基于步驟S4得到的優化功率和相移的目標函數進行動態資源分配，判斷用戶k是否通過IRS輔助通信，若是，則進入步驟S51，否則進入步驟S52：

S51、用戶k通過IRSn輔助通信，需聯合優化相移和功率分配； 固定相移并且定義此時用戶k的信干噪比表示為：

將用戶k的信干噪比代入優化功率和相移的目標函數：

利用二次轉換得：

其中為輔助變量集，當p(t)固定，最優為

固定β(t)，最優功率為

由f₄分別對和求導得到；

定義用戶k的信干噪比可以表示為：

其中應用二次轉化，優化功率和相移的目標函數轉化為：

其中為輔助變量，固定最優為

固定ε(t)，最優為

和分別由f₅對和求導得到；

S52、用戶k與基站直接通信，只需要優化功率，用戶k的信干噪比可以表示為

將用戶k的信干噪比代入優化功率和相移的目標函數，并應用二次轉化：

固定功率，最優為

固定β(t)，最優功率為