本技术涉及一种在智能反射面(IRS)辅助的下行OFDMA多址接入系统中建立子载波相移模型及其系统优化的方法。该方法首先计算多个频率点的IRS相移量，并使用与频率相关的二次函数拟合相移与中心频率的关系，形成相移函数模型。基于此模型，优化IRS中心频率相移矩阵、子载波和功率分配，以最大化系统性能和速率。通过逐次凸逼近和交替优化技术，将原始非凸问题转化为凸问题并求解。仿真结果表明，本发明的优化方案在实际IRS相移条件下，相较于假设所有子载波上IRS相移相同的方案，能显著提高实际可达性和速率。
背景技术
随着社会对移动通信服务需求的不断增长，移动通信网络需要为更多的用户提供更高质量的服务，提高传输速率和频谱效率始终是移动通信系统研究和发展中的重要问题[Qiao L,Zhang J,Gao Z,et al.Massive access in media modulation based massivemachine-type communications[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2021,21(1):339-356]。近年来，应用智能反射面(Intelligent reflecting surface,IRS)提高无线通信系统性能是学术界研究的热点问题之一。IRS是由大量低成本无源反射单元构成的表面，每个反射单元能够独立地控制入射信号反射的相移，能在一定程度上实现对无线通信传播环境的控制[Wu Q,Zhang R.Towards smart and reconfigurableenvironment:Intelligent reflecting surface aided wireless network[J].IEEECommunications Magazine,2019,58(1):106-112]。通过应用IRS，可以有效提升复杂通信环境下的无线通信系统性能，降低系统能量消耗。已有的相关研究表明，通过IRS的辅助，无线网络覆盖范围能得到明显的扩展，频谱效率和能量效率也能显著提升[Yuan X,Zhang YJ A,Shi Y,et al.Reconfigurable-intelligent-surface empowered wirelesscommunications:Challenges and opportunities[J].IEEE Wireless Communications,2021,28(2):136-143]。
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种多载波调制技术[Lau C C,Zoltowski M D.Reduced dimension equalizer andinterference canceller for MIMO-OFDM[C].IEEE Military CommunicationsConference(MILCOM).San Diego,USA:IEEE,2008:1-7]，可有效增强系统的抗多径干扰能力。正交频分多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)是由OFDM技术发展而来的多址接入技术，它通过动态地给多个用户分配子载波，实现多用户通信，并能有效地克服无线信道的衰落，获得更高的频谱利用率，是第4、5代移动通信系统中的关键技术之一。OFDMA系统中的资源分配是保证用户的公平性和影响系统性能的重要因素，是学术界研究的重要课题之一[Rhee W,Cioffi J M.Increase in capacity ofmultiuser OFDM system using dynamic subchannel allocation[C].IEEE 51stvehicular technology conference proceedings(VTC).Tokyo,Japan:IEEE,2000,2:1085-1089]。在OFDM和OFDMA系统中应用IRS，利用IRS智能地控制传播环境，能显著改善系统的性能，目前，已有一些文献针对IRS辅助的OFDM系统中的性能分析、信道估计及优化设计等进行研究。文献[Yang Y,Zheng B,Zhang S,et al.Intelligent reflecting surfacemeets OFDM:Protocol design and rate maximization[J].IEEE Transactions onCommunications,2020,68(7):4522-4535]针对IRS辅助的单输入单输出(Single InputSingle Output,SISO)OFDM通信系统，利用相邻IRS反射单元间的信道相关性，提出了一种IRS反射单元分组方法以降低信道训练和估计的开销，进一步基于估计得到的信道状态信息(Channel State Information,CSI)联合优化子载波间功率分配和IRS反射系数来最大化可达速率。文献[Zheng B,Zhang R.Intelligent reflecting surface-enhanced OFDM:Channel estimation and reflection optimization[J].IEEE WirelessCommunications Letters,2019,9(4):518-522]针对IRS辅助的SISO-OFDM系统，设计了一种IRS反射模式来提高信道估计的效率，并基于估计得到的CSI，设计了一种低复杂度的反射系数优化算法，最大化平均可达速率。文献[Li H,Liu R,Liy M,et al.IRS-enhancedwideband MU-MISO-OFDM communication systems[C].IEEE Wireless Communicationsand Networking Conference(WCNC).Seoul,South Korea:IEEE,2020:1-6]针对IRS辅助的下行多用户多输入单输出(Multiple User Multiple Input Single Output,MU-MISO)OFDM系统，分析和速率最大化与均方误差最小化的关联特性，设计了一种高效的发射波束赋形与IRS反射系数的联合算法，以最大化系统平均和速率。文献[Yang Y,Zhang S,ZhangR.IRS-enhanced OFDMA:Joint resource allocation and passive beamformingoptimization[J].IEEE Wireless Communications Letters,2020,9(6):760-764]针对IRS辅助的下行OFDMA通信系统，提出了一种无源波束成形方案以最大化用户最小速率。该方案在每个信道相干块内的不同时隙上调整IRS反射系数，并在每个时隙中只服务部分用户，通过多用户分集获得了更高的无源波束形成增益。
目前有少量文献研究了宽带系统中的IRS反射模型，以及基于宽带相移模型的系统优化问题。文献[Cai W,Li H,Li M,et al.Practical modeling and beamforming forintelligent reflecting surface aided wideband systems[J].IEEE CommunicationsLetters,2020,24(7):1568-1571]针对IRS辅助的SISO-OFDM系统，研究了反射信号的振幅、相移与频率间的关系，提出了一种宽带系统中IRS反射系数的数学模型，基于该模型，对子载波功率分配和IRS反射系数进行联合优化，最大化用户平均速率。仿真结果表明，采用该实际模型进行优化可以在实际系统中获得相较基于理想模型的优化方案更好的性能。然而，该文献提出的数学模型过于复杂，优化的复杂度很高。文献[Li H,Cai W,Liu Y,etal.Intelligent reflecting surface enhanced wideband MIMO-OFDM communications:From practical model to reflection optimization[J].IEEE Transactions onCommunications,2021,69(7):4807-4820]在该文献研究工作的基础上，针对IRS辅助的MU-MISO-OFDM系统，在带宽与载波频率比值小于5％的情况下，提出了一种简化的IRS反射模型，并基于该模型，设计了一种更有效的算法来联合优化发射波束和IRS反射波束。仿真结果表明，在实际系统中，基于该模型的优化算法也可以实现更大的速率。
实现思路