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申请/专利权人：华能伊敏煤电有限责任公司

摘要：基于可重构智能超表面减轻双衰落辅助毫米波通信的方法，涉及通信领域。该方法包括以下步骤：首先构建可重构多功能智能超表面辅助的毫米波通信系统模型，针对该模型的通信进行建模，并对其进行理论优化；然后通过模拟波束形成器设计、MF‑RIS的系数设计、数字波束形成器设计三个方面依次对模型进行迭代，通过可重构多功能智能超表面来减轻毫米波通信可能会产生的路径损耗和双衰落现象，减轻其易被阻塞的问题，提高毫米波网络部署的灵活性和有效性。

主权项：1.基于可重构智能超表面减轻双衰落辅助毫米波通信的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：构建MF-RIS辅助的毫米波通信系统模型；基站配备Nt个发射天线和Rt个射频链，用户配备个接收天线和个射频链，元素和用户的集合分别由和表示，r,t分别表示反射空间和透射空间中的用户；MF-RIS的系数矩阵定义为：Θk＝diaguk，其中Θk表示空间中用户的波束成形矩阵，uk表示MF-RIS的系数，其计算公式如下： 其中j表示虚数单位，和分别表示系数矩阵的幅度和相移，且对系数矩阵的幅度设置了一个约束，满足表示反射面的相移，表示折射面的相移；步骤S2：针对所构建的毫米波通信系统模型的通信进行建模；通过基站为用户k发送信号为的波束数据流Ns，经过数字基站预编码器与模拟射频预编码器链接；基站发送的信号为： 将发射功率约束应用于混合预编码矩阵ρ表示基站的最大发射功率；BS-用户、BS-RIS和RIS-用户的信道分别由和表示，Nr表示用户接收处的天线数量；用户k接收到的处理后的信号为： 通过级联BS-用户信道的有效信号定义为Qk＝RkΘkG，表示用户k的加性高斯白噪声，表示表示MF-RIS的动态噪声，I表示单位矩阵，表示用户k处的加性高斯白噪声，表示每个元件的噪声功率；通过模拟射频组合器和数字基站组合器组合后，用户k处的输出信号表示为： 其中上角标H表示矩阵的共轭转置；模拟射频预编码器使用移相器实现，在波束形成器设计阶段需满足恒模条件： 其中Pk表示干扰加噪声协方差矩阵，其计算公式如下： 步骤S3：对建模结果进行理论优化；通过联合设计混合预编码矩阵、优化基站处的发射波束成形矩阵和MF-RIS的系数矩阵来最大化频谱效率： 其中ρ和Po分别表示基站的最大发射功率和MF-RIS的最大放大功率；上述约束2用于确保基站的发射功率不超过最大发射功率；上述约束3表示波束形成器中的恒定模数；上述约束4用于确保MF-RIS系数矩阵的幅度和相移满足要求；上述约束5用于确保MF-RIS的功率消耗不超过一个定值；在高信噪比的假设下，频谱效率近似为： 最优波束形成器具有近似正交性，其满足以下条件： 其中，表示单位矩阵，a2和b2均为归一化因子，其中c2＝a2b2；因此频谱效率被简化为： 其中，Ak和Bk的计算公式为： 因此，原始目标函数被写成以下形式： 由于变量WRF,k、FRF和Θk的耦合，原始目标函数仍是非凹函数；步骤S4：模拟波束形成器设计；在空间中用户的波束成形矩阵Θk固定的情况下设计模拟射频预编码器FRF和模拟射频组合器WRF,k；原始目标函数的大小只取决于其第一项的大小；采用全数字预编码器和全数字组合器进行计算，通过级联BS-用户信道的有效信号Qk的奇异值分解表示为Qk＝UΣVH，其中当射频链的数量有限时，允许保留级联BS-用户信道的有效信号Qk中接收信号的最强部分这导致级联BS-用户信道的有效信号的更可靠的近似；在这种情况下，F＝V1和Wk＝U1的值分别代表最佳的全数字预编码器和全数字组合器；在满足恒模条件和一个D比特量化相位的约束下，模拟射频预编码器可表示为：其中，m1表示任意值，n1表示任意值，θm1,n1表示FRF的相位取值，同时实现接近全数字预编码器的性能；对于这种每条目优化问题，迭代地优化模拟射频预编码器FRF的第m行和第n列中的元素的相位θm,n，其相位优化结果表示为： 其中，表示Fm1,n1的角度，表示角度分辨率，[y]返回y的最近整数；以此类推，模拟射频组合器WRF,k定义为： 则模拟射频组合器WRF,k的最佳相位为：其中φm1,n1表示Wkm1,n1的角度；为了获得最佳的模拟射频预编码器FRF和模拟射频组合器WRF,k，分别对元素的每一行和每一列重复上述步骤；步骤S5：MF-RIS的系数设计；在获得模拟波束形成器之后，研究MF-RIS系数的优化方法，简化原问题后，原问题改写为： 增加一个辅助变量那么优化问题表示为： 此时，由于涉及两个优化变量相乘的平方根形式，约束是非凸的，其中τk表示简化后的总噪声功率；采用序列凸逼近算法解决约束是非凸的问题，通过用凸上界逼近平方根来迭代优化引入的辅助变量；定义γkt和τkt为第t步迭代后的迭代优化变量，对于γkt和τkt的第t次迭代，使用一阶泰勒多项式展开来逼近原始约束并获得它们的凸上界，即： 基于这些变换将上式重写为： 此时该优化问题是凸的，用内点法解决，同时为了满足简单约束，提出一个初始解γk0和τk0，这两个优化变量的初始表达式如下： 在获得上述两个优化变量的初始表达式后，迭代求解优化问题并得到MF-RIS系数直到实现参数收敛；然后通过MF-RIS系数的奇异值分解获得MF-RIS的幅度和相移；步骤S6：数字波束形成器设计；有效基带通道Heff定义为：有效基带通道Heff的奇异值分解为Heff＝U∑VH，其中，和∑均为奇异值的对角矩阵；为最大化频谱效率，定义数字基站预编码器FBB，k＝V:,1:Ns和数字基站组合器WBB，k＝U:,1:Ns；考虑发射功率约束和MF-RIS的放大功率约束，假设和的解同时取等号时，归一化的数字基站预编码器是

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