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STAR-RIS辅助下的多用户MISO无线通信系统波束赋形设计研究

STAR-RIS辅助下的多用户MISO无线通信系统波束赋形设计研究

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作者：蒋卓宸南昌大学

学位级别：硕士

智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)能够调整反射经过其表面的无线信号相位,从而改变无线网络的信道环境,提升通信质量,因此被认为是未来6G网络潜在的一项关键技术。然而,传统的RIS只能优化其发射面一侧区域的信道环境... 详细信息

智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)能够调整反射经过其表面的无线信号相位,从而改变无线网络的信道环境,提升通信质量,因此被认为是未来6G网络潜在的一项关键技术。然而,传统的RIS只能优化其发射面一侧区域的信道环境,而无法改变其背面区域的信道环境,导致优化效率受限。为了解决这一困境,近年来,可同时透射和反射的智能超表面(Simultaneously Transmitting and Reflecting Reconfigurable Intelligent Surface,STAR-RIS)开始受到学术界和工业界的共同关注。它能够同时透射和反射无线信号,实现全空间的无线环境优化,因此相比于RIS有着更加广阔高效的应用前景。STAR-RIS辅助网络的通信质量受STAR-RIS相移和基站波束设计的联合影响。然而,现有研究仅考虑硬件未缺陷的场景,针对一般的STAR-RIS辅助多用户网络的STARRIS相移和基站波束联合优化方案仍旧缺失。为了解决上述优化问题,本论文分别针对单STAR-RIS辅助的网络和双STAR-RIS辅助的网络提出适配的STAR-RIS相移和基站波束联合优化算法,并仿真验证其有效性。主要工作包括:(1)对于单个STAR-RIS辅助的多用户下行通信系统,在考虑硬件缺陷的基础上,为了求解该问题,首先拓展了加权最小均方误差(Weighted Minimum Mean Square,WMMSE)算法来优化基站波束;然后,采用舒尔补(Schur complement)和一阶泰勒近似,将关于STAR-RIS振幅和相移的原始非凸优化问题近似为联合凸优化问题求解。此外,又提出了一种基于连续凸近似(Successive Convex Approximation,SCA)的算法来交替优化STAR-RIS振幅和相位。仿真验证了所提算法的鲁棒性,其能在STAR-RIS存在硬件缺陷的情况下仍旧高效地提高网络整体吞吐量。结果表明两种算法均优于基准方案。(2)进一步考虑了两个STAR-RIS间存在额外的二次反射链路,也使得上一章所提算法的性能难以保证。为了解决这一难题,重新提出了两种低复杂度的STAR-RIS和基站的参数交替优化方案。第一种方法在基站波束的WMMSE算法基础上,利用约束凹凸法(Constrained Concave-Convex Procedure,CCCP)把STAR-RIS的振幅和相位优化问题转变成凸优化问题求解。为了进一步减少算法复杂度,又采用分式规划法(Fractional Programming,FP)把原始优化问题转变成更易求解的形式,进而获得每次迭代时基站波束最优解的闭式解,然后利用投影梯度上升法(Projected Gradient Ascent,PGA)优化STAR-RIS参数。理论分析和仿真实验均证实了所提的两种算法具有更低的计算复杂度和更好的收敛性;仿真实验表明在带有硬件缺陷的网络中,所提算法相较于其它基准算法可以更好地提高网络用户的和速率。

关键词：可同时透射和反射的智能超表面波束赋形硬件缺陷连续凸近似分式规划

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