本發(fā)明涉及無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)速率優(yōu)化，具體為一種star-ris輔助的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和速率優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、在即將到來(lái)的下一代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，包括消費(fèi)終端、工業(yè)設(shè)備和交通設(shè)施在內(nèi)的至少500億個(gè)通信設(shè)備將產(chǎn)生1000倍的數(shù)據(jù)速率需求，這將導(dǎo)致有限的頻譜資源愈發(fā)緊缺。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)通過(guò)允許次用戶動(dòng)態(tài)共享主用戶頻譜資源的方式，能夠有效提高頻譜利用效率，被認(rèn)為是解決頻譜資源緊缺的一種有效途徑。具體來(lái)說(shuō)，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)（crn,cognitive?radio?network）能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)無(wú)線電頻譜的使用情況，并通過(guò)通信參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整，使次用戶在不干擾主用戶的前提下充分利用空閑頻譜資源進(jìn)行通信，進(jìn)而提升頻譜利用率。然而，無(wú)線信號(hào)的傳輸過(guò)程易受障礙物阻塞，導(dǎo)致crn中次用戶頻譜效率的降低。因此，如何進(jìn)一步提升crn的頻譜效率，成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

2、可重構(gòu)智能表面（ris,?reconfigurable?intelligent?surface）作為一項(xiàng)新興技術(shù)，通過(guò)多個(gè)反射單元的協(xié)作，能夠產(chǎn)生聚焦于接收機(jī)的窄波束，進(jìn)而繞開(kāi)直接鏈路上的障礙物，提升頻譜效率。具體來(lái)說(shuō)，ris是一種由大量低成本無(wú)源元件組成的平面陣列，其每個(gè)反射單元均能獨(dú)立地調(diào)整入射電磁波的幅度和相位，從而根據(jù)不同的通信需求重構(gòu)無(wú)線電磁環(huán)境。然而，傳統(tǒng)ris只具備信號(hào)反射的功能，因此只能提供180°的半空間信號(hào)覆蓋，無(wú)法為另一半空間的用戶提供服務(wù)。為了解決這一問(wèn)題，同時(shí)透射和反射可重構(gòu)智能表面(star-ris,?simultaneous?transmitting?and?reflecting?reconfigurableintelligentsurface)被提出，其通過(guò)每個(gè)單元對(duì)入射電磁波信號(hào)的同時(shí)透射和反射，可以實(shí)現(xiàn)360°的全空間信號(hào)覆蓋，擴(kuò)展了傳統(tǒng)ris的覆蓋范圍。通過(guò)調(diào)節(jié)star-ris各單元的透射和反射系數(shù)，可以動(dòng)態(tài)調(diào)控透射信號(hào)和反射信號(hào)，進(jìn)而為通信網(wǎng)絡(luò)資源分配提供更多的靈活性。

3、本發(fā)明通過(guò)結(jié)合認(rèn)知無(wú)線電和star-ris技術(shù)，可以改善次用戶的信道環(huán)境，在抑制對(duì)主用戶造成干擾的同時(shí)有效提高次用戶的傳輸速率，實(shí)現(xiàn)了crn頻譜效率的提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述存在的問(wèn)題，提出了本發(fā)明。

2、因此，本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：在現(xiàn)有的傳統(tǒng)ris輔助認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，如何實(shí)現(xiàn)360°的全空間信號(hào)覆蓋以及如何進(jìn)一步提高認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)次用戶頻譜效率的問(wèn)題。

3、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種star-ris輔助的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和速率優(yōu)化方法，包括獲取star-ris輔助的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的信道狀態(tài)信息。star-ris輔助sbs向次用戶發(fā)射信號(hào)，計(jì)算次用戶的傳輸速率以及主用戶受到的干擾。構(gòu)建聯(lián)合優(yōu)化sbs發(fā)射波束成形和star-ris反射與透射系數(shù)的次用戶和速率最大化問(wèn)題。將優(yōu)化問(wèn)題分解為兩個(gè)子問(wèn)題，并通過(guò)交替優(yōu)化算法迭代求解，獲得優(yōu)化后的次用戶和速率。

4、作為本發(fā)明所述的star-ris輔助的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和速率優(yōu)化方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述獲取star-ris輔助的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的信道狀態(tài)信息包括獲取sbs到star-ris節(jié)點(diǎn)、star-ris節(jié)點(diǎn)到透射區(qū)主用戶、star-ris節(jié)點(diǎn)到透射區(qū)次用戶、star-ris節(jié)點(diǎn)到反射區(qū)主用戶、star-ris節(jié)點(diǎn)到反射區(qū)次用戶的信道狀態(tài)信息，star-ris輔助sbs向透射區(qū)和反射區(qū)的次用戶同時(shí)發(fā)射疊加的信號(hào)，區(qū)域內(nèi)次用戶的接收信號(hào)表示為：

5、，

6、其中，表示發(fā)送給區(qū)域中次用戶的信號(hào)，，t表示透射區(qū)域，r表示反射區(qū)域，且滿足，表示sbs處信號(hào)的發(fā)射波束成形向量，，g表示sbs到star-ris節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)信息，，表示star-ris節(jié)點(diǎn)到區(qū)域中次用戶的信道狀態(tài)信息，，表示n×m維的復(fù)值矩陣空間，表示矩陣x的共軛轉(zhuǎn)置矩陣，表示star-ris的反射與透射系數(shù)矩陣，表示為：

7、,

8、其中，表示由向量x中元素構(gòu)建的對(duì)角矩陣，和分別表示star-ris第n個(gè)單元的振幅和相位系數(shù)，j為虛數(shù)單位，當(dāng)star-ris在es協(xié)議下工作時(shí)，和滿足、和，。

9、表示次用戶的高斯白噪聲，服從零均值、方差的復(fù)高斯分布，表示為：

10、。

11、作為本發(fā)明所述的star-ris輔助的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和速率優(yōu)化方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述star-ris輔助sbs向次用戶發(fā)射信號(hào)，計(jì)算次用戶的傳輸速率以及主用戶受到的干擾包括根據(jù)接收信號(hào)確定區(qū)域內(nèi)次用戶的信干噪比，表示為：

12、，

13、其中，表示取模，表示反射或透射區(qū)域，若，則，若，則，表示sbs處信號(hào)的發(fā)射波束成形向量；

14、區(qū)域內(nèi)次用戶的傳輸速率為：

15、。

16、作為本發(fā)明所述的star-ris輔助的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和速率優(yōu)化方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述star-ris輔助sbs向次用戶發(fā)射信號(hào)，計(jì)算次用戶的傳輸速率以及主用戶受到的干擾還包括區(qū)域內(nèi)主用戶的接收信號(hào)表示為：

17、，

18、其中，表示star-ris到主用戶鏈路的信道狀態(tài)信息，表示主用戶的高斯白噪聲，服從零均值、方差的復(fù)高斯分布，表示為：

19、，

20、根據(jù)主用戶接收信號(hào)，計(jì)算出區(qū)域內(nèi)主用戶受到的干擾，表示為：

21、，

22、令，表示star-ris的反射與透射系數(shù)向量，則區(qū)域內(nèi)次用戶的傳輸速率和區(qū)域內(nèi)主用戶受到的干擾轉(zhuǎn)化為：

23、，

24、，

25、其中，，。

26、作為本發(fā)明所述的star-ris輔助的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和速率優(yōu)化方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述構(gòu)建聯(lián)合優(yōu)化sbs發(fā)射波束成形和star-ris反射與透射系數(shù)的次用戶和速率最大化問(wèn)題包括以最大化次用戶的和速率為目標(biāo)，構(gòu)建優(yōu)化問(wèn)題p0，表示為：

27、?，

28、其中，表示sbs的最大發(fā)射功率，表示位于區(qū)域內(nèi)的主用戶能夠承受的最大干擾，表示sbs處的發(fā)射功率約束，表示主用戶處的干擾溫度約束，、以及表示star-ris每個(gè)反射與透射單元的振幅和相位約束。

29、作為本發(fā)明所述的star-ris輔助的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和速率優(yōu)化方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述將優(yōu)化問(wèn)題分解為兩個(gè)子問(wèn)題，并通過(guò)交替優(yōu)化算法迭代求解包括通過(guò)交替優(yōu)化sbs發(fā)射波束成形向量和star-ris透射與反射系數(shù)向量，將所構(gòu)建的原優(yōu)化問(wèn)題分解為兩個(gè)子問(wèn)題進(jìn)行迭代求解，在給定star-ris透射與反射系數(shù)向量的情況下，優(yōu)化sbs發(fā)射波束成形向量，構(gòu)建子問(wèn)題p1，表示為：

30、，

31、通過(guò)逐次凸逼近算法與半正定松弛算法，將非凸子問(wèn)題轉(zhuǎn)化為凸問(wèn)題并使用標(biāo)準(zhǔn)凸優(yōu)化工具求解，最后通過(guò)特征值分解，得到優(yōu)化后的sbs發(fā)射波束成形向量。

32、作為本發(fā)明所述的star-ris輔助的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和速率優(yōu)化方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述將優(yōu)化問(wèn)題分解為兩個(gè)子問(wèn)題，并通過(guò)交替優(yōu)化算法迭代求解還包括給定sbs發(fā)射波束成形向量，優(yōu)化star-ris透射與反射系數(shù)向量，構(gòu)建子問(wèn)題p2，表示為：

33、，

34、通過(guò)逐次凸逼近算法與半正定松弛算法，將非凸子問(wèn)題轉(zhuǎn)化為凸問(wèn)題并使用標(biāo)準(zhǔn)凸優(yōu)化工具求解，最后通過(guò)特征值分解，得到優(yōu)化后的star-ris透射與反射系數(shù)向量，通過(guò)迭代算法交替優(yōu)化子問(wèn)題p1與p2，直至目標(biāo)函數(shù)收斂，獲得優(yōu)化后的次用戶和速率。

35、本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種star-ris輔助的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和速率優(yōu)化系統(tǒng)，其能通過(guò)工作在es協(xié)議下的star-ris輔助認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)方案（star-ris-es輔助方案），擴(kuò)展了目前的傳統(tǒng)ris輔助認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的信號(hào)覆蓋范圍并且進(jìn)一步提高了認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率。

36、作為本發(fā)明所述的star-ris輔助的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和速率優(yōu)化系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，其中：包括信息獲取模塊，數(shù)據(jù)計(jì)算模塊，優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建模塊，求解模塊。所述信息獲取模塊用于獲取star-ris輔助的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的信道狀態(tài)信息。所述數(shù)據(jù)計(jì)算模塊用于計(jì)算star-ris輔助sbs向次用戶發(fā)射信號(hào)時(shí)次用戶的傳輸速率以及主用戶受到的干擾。所述優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建模塊用于構(gòu)建聯(lián)合優(yōu)化sbs發(fā)射波束成形和star-ris反射與透射系數(shù)的次用戶和速率最大化問(wèn)題。所述求解模塊用于將優(yōu)化問(wèn)題分解為兩個(gè)子問(wèn)題，并通過(guò)交替優(yōu)化算法迭代求解，獲得優(yōu)化后的次用戶和速率。

37、一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲(chǔ)器和處理器，所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序是實(shí)現(xiàn)star-ris輔助的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和速率優(yōu)化方法的步驟。

38、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)star-ris輔助的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和速率優(yōu)化方法的步驟。

39、本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供的star-ris輔助的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和速率優(yōu)化方法通過(guò)star-ris-es輔助方案擴(kuò)展了信號(hào)覆蓋范圍，提高了認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)次用戶頻譜效率，本發(fā)明在信號(hào)覆蓋范圍以及通信頻譜效率方面都取得更加良好的效果。