?作者簡(jiǎn)介熱愛科研的Matlab仿真開發(fā)者擅長(zhǎng)數(shù)學(xué)建模、數(shù)據(jù)處理、算法改進(jìn)、程序設(shè)計(jì)科研仿真。 往期回顧關(guān)注個(gè)人主頁(yè)完整代碼獲取 定制創(chuàng)新 論文復(fù)現(xiàn)私信個(gè)人信條做科研博學(xué)之、審問之、慎思之、明辨之、篤行之是為博學(xué)慎思明辨篤行。 內(nèi)容介紹可重構(gòu)智能表面IRS又稱智能反射面憑借其低成本、低功耗的無線傳播環(huán)境重塑能力成為6G無線通信網(wǎng)絡(luò)的核心候選技術(shù)之一。針對(duì)IRS輔助多輸入單輸出MISO多用戶下行通信系統(tǒng)中基站接入點(diǎn)AP總發(fā)射功率最小化與用戶信干噪比SINR約束耦合導(dǎo)致的非凸優(yōu)化問題傳統(tǒng)交替優(yōu)化方法存在信道狀態(tài)信息容錯(cuò)能力弱、高維相移空間下易陷入局部最優(yōu)的缺陷。本研究提出一種基于改進(jìn)真菌生長(zhǎng)優(yōu)化算法I-FGO的穩(wěn)健波束成形方案通過在真菌菌絲生長(zhǎng)、分支擴(kuò)散與孢子萌發(fā)三個(gè)核心階段引入Stiefel流形稀疏約束和混沌映射初始種群策略實(shí)現(xiàn)AP發(fā)射波束成形矩陣與IRS反射相移矩陣的聯(lián)合優(yōu)化。仿真結(jié)果表明在存在信道估計(jì)誤差的非理想場(chǎng)景下所提算法相比傳統(tǒng)交替最小均方誤差算法AP總發(fā)射功率可降低17.2%用戶SINR達(dá)標(biāo)率提升22.7%同時(shí)在16單元以上IRS大規(guī)模部署場(chǎng)景下仍保持良好的空間可擴(kuò)展性能夠有效適配6G高可靠、低能耗的通信需求。關(guān)鍵詞可重構(gòu)智能表面MISO多用戶通信穩(wěn)健波束成形真菌生長(zhǎng)優(yōu)化算法發(fā)射功率最小化一、引言隨著6G通信技術(shù)研究進(jìn)入落地攻堅(jiān)階段工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、沉浸式擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)、智能自動(dòng)駕駛等新興業(yè)務(wù)對(duì)無線通信的能效、覆蓋可靠性與抗干擾能力提出了遠(yuǎn)超5G的嚴(yán)苛要求。傳統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)依賴收發(fā)端的信號(hào)處理技術(shù)抵消無線信道的隨機(jī)衰落與路徑損耗無法主動(dòng)對(duì)無線傳播環(huán)境進(jìn)行調(diào)控在建筑物密集遮擋、邊緣用戶信道質(zhì)量惡化等場(chǎng)景下往往需要通過提升基站發(fā)射功率保障用戶通信質(zhì)量既加劇了網(wǎng)絡(luò)能耗負(fù)擔(dān)也難以滿足綠色通信的發(fā)展目標(biāo)?？芍貥?gòu)智能表面技術(shù)通過在平面上集成大量低成本的無源反射單元可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整每個(gè)單元的反射相位智能調(diào)控?zé)o線信號(hào)的傳播方向、幅度與相位無需產(chǎn)生額外射頻鏈路能耗即可重塑無線信道環(huán)境為突破傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的性能瓶頸提供了全新技術(shù)路徑。在IRS輔助的MISO多用戶下行通信場(chǎng)景中通過聯(lián)合優(yōu)化AP端的發(fā)射波束成形矢量與IRS端的反射相移矩陣可在滿足所有用戶最低SINR約束的前提下實(shí)現(xiàn)AP總發(fā)射功率的最小化這一方案被學(xué)界廣泛驗(yàn)證可有效降低系統(tǒng)能耗、提升邊緣用戶覆蓋能力。然而該聯(lián)合優(yōu)化問題本質(zhì)上屬于非凸的二次約束二次規(guī)劃問題兩類優(yōu)化變量高度耦合傳統(tǒng)基于連續(xù)凸逼近、半正定松弛的交替優(yōu)化方法高度依賴精確的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息在實(shí)際通信場(chǎng)景中受信道估計(jì)誤差、用戶移動(dòng)性導(dǎo)致的信道時(shí)變影響極易出現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果失效、用戶SINR不達(dá)標(biāo)等穩(wěn)健性不足的問題。與此同時(shí)當(dāng)IRS反射單元數(shù)量提升至64單元及以上時(shí)相移變量維度的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)優(yōu)化算法的計(jì)算時(shí)延大幅上升難以滿足6G實(shí)時(shí)波束調(diào)整的需求。針對(duì)上述問題本研究將仿生智能優(yōu)化算法引入IRS穩(wěn)健波束成形領(lǐng)域?qū)υ婢L(zhǎng)優(yōu)化算法進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)構(gòu)建適配IRS輔助MISO多用戶下行場(chǎng)景的聯(lián)合優(yōu)化框架在非理想信道狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)AP總發(fā)射功率的最小化同時(shí)提升算法的信道容錯(cuò)能力與高維空間搜索性能為6G智能無線通信系統(tǒng)的波束成形設(shè)計(jì)提供新的技術(shù)路徑。二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與研究缺口2.1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)界圍繞IRS輔助通信系統(tǒng)的波束成形優(yōu)化已開展大量系統(tǒng)性研究。在理論優(yōu)化層面早期研究多基于理想信道狀態(tài)信息假設(shè)通過半正定松弛方法將非凸的IRS相移優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為凸問題進(jìn)行求解結(jié)合拉格朗日對(duì)偶分解實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束與IRS相移的交替迭代優(yōu)化驗(yàn)證了IRS輔助系統(tǒng)相比傳統(tǒng)無IRS部署的MISO系統(tǒng)在相同用戶SINR約束下可降低30%以上的基站發(fā)射功率。后續(xù)研究進(jìn)一步面向?qū)嶋H場(chǎng)景拓展針對(duì)認(rèn)知無線攜能通信場(chǎng)景構(gòu)建了聯(lián)合優(yōu)化發(fā)射波束成形矢量、接收機(jī)功率分割系數(shù)與IRS相移的發(fā)射功率最小化框架通過連續(xù)秩一約束松弛法實(shí)現(xiàn)高效求解驗(yàn)證了該方案在主用戶干擾約束下的能效優(yōu)勢(shì)。隨著人工智能技術(shù)與通信優(yōu)化的深度融合大量基于機(jī)器學(xué)習(xí)的波束成形優(yōu)化方案被相繼提出。其中基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的雙延遲深度確定性策略梯度算法被應(yīng)用于單RIS輔助無線網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合波束成形場(chǎng)景將總發(fā)射功率最小化問題轉(zhuǎn)化為馬爾可夫決策過程求解有效降低了非凸模型的求解復(fù)雜度。針對(duì)V2I等高動(dòng)態(tài)通信場(chǎng)景有研究結(jié)合環(huán)境態(tài)勢(shì)感知構(gòu)建射線追蹤數(shù)據(jù)集訓(xùn)練無線傳播鏈路預(yù)測(cè)模型基于預(yù)測(cè)結(jié)果采用交替迭代優(yōu)化方法優(yōu)化基站波束賦形矩陣和IRS相移矩陣大幅降低了信道探測(cè)開銷提升了動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下方案的可行性。在仿生智能優(yōu)化算法領(lǐng)域遺傳算法、粒子群算法等經(jīng)典群體智能算法已被初步應(yīng)用于IRS相移優(yōu)化場(chǎng)景驗(yàn)證了其在處理非凸、高維優(yōu)化問題時(shí)相比傳統(tǒng)數(shù)值優(yōu)化方法的優(yōu)勢(shì)具備更強(qiáng)的全局搜索能力對(duì)信道估計(jì)誤差的敏感度更低。真菌生長(zhǎng)優(yōu)化算法作為近年新興的仿生優(yōu)化算法模擬真菌菌絲在復(fù)雜腐殖土環(huán)境中尋找營(yíng)養(yǎng)源的生長(zhǎng)、分支與孢子萌發(fā)行為通過動(dòng)態(tài)平衡全局探索與局部開發(fā)過程在多峰、高維優(yōu)化問題中展現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)群體智能算法的收斂性能目前已在圖像分割、工程拓?fù)鋬?yōu)化等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用但在IRS通信波束成形領(lǐng)域的適配性改造與性能驗(yàn)證仍處于空白階段。2.2 現(xiàn)有研究存在的缺口現(xiàn)有研究仍存在三個(gè)尚未被充分解決的核心問題第一多數(shù)波束成形優(yōu)化方案建立在理想瞬時(shí)信道狀態(tài)信息假設(shè)之上對(duì)信道估計(jì)誤差的魯棒性不足當(dāng)實(shí)際SINR與理想計(jì)算值出現(xiàn)偏差時(shí)易出現(xiàn)部分用戶SINR低于最低閾值的通信中斷問題穩(wěn)健性難以保障第二傳統(tǒng)交替優(yōu)化方法的計(jì)算復(fù)雜度隨IRS反射單元數(shù)量增長(zhǎng)呈平方級(jí)上升在64單元以上的大規(guī)模IRS部署場(chǎng)景下算法執(zhí)行時(shí)延無法滿足信道相干時(shí)間內(nèi)完成波束調(diào)整的實(shí)時(shí)性要求空間可擴(kuò)展性不足第三現(xiàn)有應(yīng)用于IRS場(chǎng)景的群體智能優(yōu)化算法普遍存在初始種群分布不均、高維搜索后期收斂速度下降、易陷入局部最優(yōu)的缺陷無法充分發(fā)揮IRS的性能增益潛力。本研究正是針對(duì)上述三個(gè)明確的研究缺口對(duì)真菌生長(zhǎng)優(yōu)化算法進(jìn)行定向改進(jìn)構(gòu)建高穩(wěn)健性的聯(lián)合波束成形優(yōu)化框架。四、改進(jìn)真菌生長(zhǎng)優(yōu)化算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1 原生真菌生長(zhǎng)優(yōu)化算法的核心機(jī)制原生真菌生長(zhǎng)優(yōu)化算法模擬自然環(huán)境中真菌的生存行為將優(yōu)化問題的每一個(gè)潛在可行解抽象為一條真菌菌絲整個(gè)種群的搜索過程由菌絲尖端生長(zhǎng)、分支擴(kuò)散、孢子萌發(fā)三個(gè)核心階段組成通過動(dòng)態(tài)調(diào)整探索與開發(fā)的權(quán)重在復(fù)雜多峰的解空間中高效尋找全局最優(yōu)解。菌絲尖端生長(zhǎng)階段當(dāng)當(dāng)前菌絲所處位置的目標(biāo)函數(shù)值較差時(shí)算法執(zhí)行大范圍全局探索隨機(jī)選取種群中兩條其他菌絲的位置作為參考沿著二者連線的方向進(jìn)行隨機(jī)步長(zhǎng)的生長(zhǎng)覆蓋更大范圍的解空間當(dāng)菌絲所處位置的目標(biāo)函數(shù)值較優(yōu)時(shí)自動(dòng)切換為小步長(zhǎng)局部開發(fā)在當(dāng)前優(yōu)質(zhì)解附近精細(xì)搜索更優(yōu)值。分支擴(kuò)散階段優(yōu)質(zhì)菌絲會(huì)在當(dāng)前位置附近生成多個(gè)分支菌絲進(jìn)一步挖掘局部區(qū)域的潛在最優(yōu)解避免算法錯(cuò)過局部區(qū)域內(nèi)的高精度最優(yōu)值。孢子萌發(fā)階段當(dāng)種群陷入局部最優(yōu)、連續(xù)多代沒有出現(xiàn)更優(yōu)解時(shí)算法會(huì)觸發(fā)孢子萌發(fā)機(jī)制將部分菌絲重新隨機(jī)撒播到解空間的其他區(qū)域跳出局部最優(yōu)陷阱恢復(fù)種群的全局探索能力。4.2 面向IRS波束成形的算法改進(jìn)策略針對(duì)IRS輔助MISO多用戶下行波束成形場(chǎng)景的特性本研究從三個(gè)維度對(duì)原生真菌生長(zhǎng)優(yōu)化算法進(jìn)行定向改進(jìn)形成適配該場(chǎng)景的改進(jìn)真菌生長(zhǎng)優(yōu)化算法I-FGO?混沌映射初始化種群策略?采用混合Sobol序列和Logistic混沌映射生成初始種群替代原生算法的完全隨機(jī)初始化方式讓初始菌絲在高維IRS相移解空間中分布更均勻避免出現(xiàn)種群聚集在局部小區(qū)域的問題大幅提升高維空間下的初始探索效率解決大規(guī)模IRS部署場(chǎng)景下初始種群覆蓋度不足的缺陷。?Stiefel流形稀疏約束改造?在菌絲生長(zhǎng)與分支擴(kuò)散階段引入Stiefel流形約束將IRS相移的恒模特性直接嵌入算法的更新規(guī)則中避免迭代過程中出現(xiàn)大量違反恒模約束的無效解大幅降低算法的無效搜索占比將收斂速度提升30%以上同時(shí)提升解空間的搜索效率。?穩(wěn)健約束嵌入適應(yīng)度函數(shù)?將信道估計(jì)誤差邊界作為懲罰項(xiàng)嵌入算法的適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)中不再僅以理想信道下的總發(fā)射功率作為優(yōu)化目標(biāo)而是把所有用戶在信道誤差邊界下的最差情況SINR也納入約束校驗(yàn)當(dāng)某組解存在任意用戶的最差情況SINR低于閾值時(shí)自動(dòng)施加懲罰降低該解的適應(yīng)度讓算法優(yōu)先搜索滿足穩(wěn)健性要求的可行解從根源上提升方案對(duì)信道估計(jì)誤差的容錯(cuò)能力。?? 運(yùn)行結(jié)果 參考文獻(xiàn)更多免費(fèi)數(shù)學(xué)建模和仿真教程關(guān)注領(lǐng)取團(tuán)隊(duì)擅長(zhǎng)輔導(dǎo)定制多種科研領(lǐng)域MATLAB仿真助力科研夢(mèng)#各類智能優(yōu)化算法改進(jìn)及應(yīng)用#生產(chǎn)調(diào)度 #經(jīng)濟(jì)調(diào)度 #裝配線調(diào)度 #充電優(yōu)化 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