本發(fā)明涉及無線通信優(yōu)化，尤其是涉及一種基于star-ris輔助通感一體化系統(tǒng)的用戶和速率最大化方法。

背景技術(shù)：

1、通感一體化系統(tǒng)是以感知和通訊為一體的系統(tǒng)，可以在和用戶通訊的同時對目標(biāo)進(jìn)行雷達(dá)感知監(jiān)測。目前主流的關(guān)于ris輔助通感一體化系統(tǒng)方面尤其是在考慮用戶和速率最大化方面都是使基站和用戶具有直連信道。然而，在實際生活中基站往往和移動通訊用戶之間具有障礙物遮擋。

2、當(dāng)前的ris輔助通感一體化系統(tǒng)還處于起步階段，未出現(xiàn)大規(guī)模實施的情形，即便已經(jīng)出現(xiàn)大量傳統(tǒng)的方法應(yīng)用到通感一體化系統(tǒng)中，來提高用戶和速率，但還沒有得到一個滿意的結(jié)果?，F(xiàn)有技術(shù)在ris輔助通感一體化系統(tǒng)方面都考慮了基站與用戶之間有直連信道，雖然能夠提高用戶的和速率，但在感知方面由于通過基站實現(xiàn)雷達(dá)感知功能，基站與目標(biāo)之間就會產(chǎn)生多跳的路徑損耗。例如，在基站和移動用戶之間設(shè)計了一條信道或者部署單ris置于高樓墻壁上以用于反射信號給移動用戶或者，但有時基站和用戶之間會存在障礙物遮擋以及用戶和ris之間也會存在遮擋的情況，這就使得在這種情況下用戶的通訊質(zhì)量就的不到保障。因此，如何在基站與移動通訊用戶間存在障礙物遮擋的情況下，進(jìn)一步提高用戶通訊質(zhì)量，成為本領(lǐng)域需要解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于star-ris輔助通感一體化系統(tǒng)的用戶和速率最大化方法，能夠在基站與移動通訊用戶間存在障礙物遮擋的情況下，進(jìn)一步提高用戶通訊質(zhì)量。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、本發(fā)明提供一種基于star-ris輔助通感一體化系統(tǒng)的用戶和速率最大化方法，包括以下步驟：s1，基于預(yù)先構(gòu)建的star-ris輔助通感一體化系統(tǒng)，獲取信道信息；s2，基于所述信道信息，分別獲取star-ris的透反射系數(shù)限制、基站發(fā)射功率限制、雷達(dá)感知信噪比限制以及用戶和速率；s3，以所述用戶和速率為優(yōu)化目標(biāo)、以所述基站發(fā)射功率限制、所述雷達(dá)感知信噪比限制以及所述star-ris的透反射系數(shù)限制為約束，構(gòu)建用戶和速率最大化模型；s4，利用基于交替優(yōu)化、半定松弛和預(yù)設(shè)引理的方法求解所述用戶和速率最大化模型，得到最大用戶和速率。

4、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述系統(tǒng)包括基站、star-ris、多個單天線用戶和檢測目標(biāo)，所述star-ris的反射側(cè)安裝傳感器。

5、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述用戶和速率表示為：

6、

7、式中，s為用戶和速率，k為單天線用戶數(shù)量，γk表示用戶k處的信干噪比。

8、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述用戶k處的信干噪比表示為：

9、

10、且

11、

12、式中，γk為用戶k處的信干噪比，wk表示矩陣w的第k列，wj表示矩陣w的第j列，w表示基站主動波束賦形矩陣，表示star-ris到用戶k的信道矩陣，φth表示star-ris透射面的相移矩陣，g表示為基站到star-ris的相移矩陣，σc為高斯白噪聲中的第一標(biāo)準(zhǔn)差參數(shù)。

13、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述基站發(fā)射功率限制表示為：

14、

15、式中，p為基站處的發(fā)射功率。

16、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述雷達(dá)感知信噪比限制表示為：

17、

18、式中，γ為預(yù)先設(shè)置的最低雷達(dá)信噪比閾值，w表示基站的波束賦形矩陣，φr表示star-ris反射面的被動波束賦形矩陣，g表示基站到star-ris的信道矩陣，hr表示star-ris與目標(biāo)的響應(yīng)矩陣，σr為高斯白噪聲中的第二標(biāo)準(zhǔn)差參數(shù)。

19、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述star-ris的透反射系數(shù)限制表示為：

20、|[ψt]n|2+|[ψr]n|2＝1

21、式中，[ψt]n表示star-ris透射面相移向量中的第n個元素，[ψr]n表示star-ris反射面相移向量中的第n個元素。

22、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述用戶和速率最大化模型表示為：

23、

24、|[ψt]n|2+|[ψr]n|2＝1

25、式中，ψt表示star-ris的透射向量，ψr表示star-ris的反射向量。

26、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述s4具體包括：固定star-ris被動波束賦形向量優(yōu)化基站主動波束賦形向量，得到初始第一優(yōu)化問題；利用半定松弛方法放松秩1約束，并引入所述預(yù)設(shè)引理；基于等式變形、sion最大最小引理和所述預(yù)設(shè)引理，重構(gòu)所述初始第一優(yōu)化問題；求解重構(gòu)后的第一優(yōu)化問題，得到優(yōu)化后的基站主動波束賦形向量；固定基站主動波束賦形向量優(yōu)化star-ris被動波束賦形向量，得到初始第二優(yōu)化問題；引入輔助變量，并基于等式變形和半定松弛方法，重構(gòu)所述初始第二優(yōu)化問題；求解重構(gòu)后的第二優(yōu)化問題，得到優(yōu)化后的star-ris被動波束賦形向量；將所述優(yōu)化后的基站主動波束賦形向量和所述優(yōu)化后的star-ris被動波束賦形向量代入所述戶和速率最大化模型，得到最大用戶和速率。

27、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述預(yù)設(shè)引理具體為：

28、設(shè)x為正實數(shù)，定義ρ(t)＝-tx+lnt+1，則有相應(yīng)地，等式右邊的最優(yōu)解為t*＝1/x。

29、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

30、1、本發(fā)明提出的用戶和速率最大化方法，提出基站和用戶之間無直連信道，并引入star-ris來輔助用戶通訊，并且因star-ris良好的透明特性可以部署在建筑物的窗戶上，在一側(cè)安裝低成本的傳感器來實現(xiàn)雷達(dá)感知功能，這樣可以減少路徑損耗、降低由多跳路徑所帶來的路徑損耗，用戶也可以通過star-ris來獲得更高的通訊質(zhì)量；

31、2、本發(fā)明提出的用戶和速率最大化方法，以用戶的通訊質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，將傳感器出的雷達(dá)感知信噪比作為優(yōu)化的約束條件之一，能夠保證感知功能的正常工作，并且對比感知功能對整個用戶通訊質(zhì)量的影響大小，仿真結(jié)果表明在相同的基站發(fā)射功率下，設(shè)定感知功能的最低雷達(dá)信噪比閾值越大，則對用戶通訊的性能影響也就越大，并且當(dāng)整個系統(tǒng)僅執(zhí)行通訊功能而不執(zhí)行感知功能時，用戶通訊質(zhì)量最高；

32、3、本發(fā)明在求解用戶和速率最大化模型過程中，采用交替優(yōu)化、半定松弛的方法，并引入預(yù)設(shè)引理簡化待優(yōu)化的問題，能夠有效提高優(yōu)化問題的求解效率。

技術(shù)特征：

1.一種基于star-ris輔助通感一體化系統(tǒng)的用戶和速率最大化方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于star-ris輔助通感一體化系統(tǒng)的用戶和速率最大化方法，其特征在于，所述系統(tǒng)包括基站、star-ris、多個單天線用戶和檢測目標(biāo)，所述star-ris的反射側(cè)安裝傳感器。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于star-ris輔助通感一體化系統(tǒng)的用戶和速率最大化方法，其特征在于，所述用戶和速率表示為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于star-ris輔助通感一體化系統(tǒng)的用戶和速率最大化方法，其特征在于，所述用戶k處的信干噪比表示為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于star-ris輔助通感一體化系統(tǒng)的用戶和速率最大化方法，其特征在于，所述基站發(fā)射功率限制表示為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于star-ris輔助通感一體化系統(tǒng)的用戶和速率最大化方法，其特征在于，所述雷達(dá)感知信噪比限制表示為：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于star-ris輔助通感一體化系統(tǒng)的用戶和速率最大化方法，其特征在于，所述star-ris的透反射系數(shù)限制表示為：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于star-ris輔助通感一體化系統(tǒng)的用戶和速率最大化方法，其特征在于，所述用戶和速率最大化模型表示為：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于star-ris輔助通感一體化系統(tǒng)的用戶和速率最大化方法，其特征在于，所述s4具體包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于star-ris輔助通感一體化系統(tǒng)的用戶和速率最大化方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)引理具體為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于STAR?RIS輔助通感一體化系統(tǒng)的用戶和速率最大化方法。該方法基于預(yù)先構(gòu)建的STAR?RIS輔助通感一體化系統(tǒng)，獲取信道信息；基于信道信息，分別獲取STAR?RIS的透反射系數(shù)限制、基站發(fā)射功率限制、雷達(dá)感知信噪比限制以及用戶和速率；以用戶和速率為優(yōu)化目標(biāo)、以基站發(fā)射功率限制、雷達(dá)感知信噪比限制以及STAR?RIS的透反射系數(shù)限制為約束，構(gòu)建用戶和速率最大化模型；利用基于交替優(yōu)化、半定松弛和預(yù)設(shè)引理的方法求解用戶和速率最大化模型，得到最大用戶和速率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有提高用戶的和速率，加強用戶的通訊質(zhì)量等優(yōu)點。

技術(shù)研發(fā)人員：楊柳,陳子嘉,陳志敏
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海電機學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21