[發明專利]一種智能反射表面輔助的太赫茲通信系統設計方法

有效

• 申請號: 202010162644.6
• 申請日: 2020-03-10
• 公開（公告）號: CN111246491B
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發明（設計）人: 陳文杰;陳智;馬新迎
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H04W16/18
• 分類號: H04W16/18;H04W24/02;H04B7/0413
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 孫一峰

本發明屬于高頻無線通信技術領域，具體涉及一種智能反射表面輔助的太赫茲通信系統設計方法。本發明的方案是，通信系統包括裝配有N_BS個天線的基站、由N_IRS個反射陣元構成的智能反射表面和裝配有N_MS個天線的移動用戶端，基站通過智能反射表面將信號發送到移動用戶端，本發明以最大化下行傳輸數據速率為目標，建立聯合優化函數，并通過梯度下降法優化系統傳輸數據速率最大化的問題。相對于傳統技術，本發明的方案能夠大幅度降低IRS相位搜索的復雜度，在每次迭代過程中通過選擇泰勒展開自適應計算步長的大小，可在該智能反射表面輔助的太赫茲通信系統下行鏈路中達到接近遍歷搜索算法實現的最優數據傳輸速率。

技術領域

本發明屬于高頻無線通信技術領域，具體涉及一種智能反射表面(IntelligentReflecting Surface,IRS)輔助的太赫茲通信系統設計方法。

背景技術

隨著無線通信技術的高速發展，學術界和工業界越來越關注于高頻段頻譜資源(如：太赫茲)的開采與利用。太赫茲通信在實際應用中面臨一些挑戰：由于嚴重的路徑衰減和分子吸收損耗，太赫茲通信受限于短距離室內場景；然而，由于太赫茲波的方向性強、衍射差，太赫茲波易于被室內障礙物(如家具，墻)。為了解決這個問題，IRS被學術界和工業界提出，它可有效的提高通信系統的覆蓋能力和頻譜效率。具體來說，IRS可通過控制其陣元對波束的相位偏轉以調節太赫茲波束的傳播方向。一種最直接的調節方式就是采用遍歷搜索算法，通過搜索IRS所有陣元可能的相位組合，以找到最優的系統數據傳輸速率。但是遍歷搜索算法消耗極高的計算復雜度。為降低復雜度，我們發明了一種基于泰勒展開的梯度下降算法。該算法是一種對傳統固定步長的梯度下降算法的改進算法，可在每次迭代過程中自適應的選擇最佳步長。在步長的選擇中，該算法將目標函數，即系統數據傳輸速率通過一系列矩陣變換，然后二階泰勒展開，以找到局部最優解。相比于傳統的梯度下降法，所提基于泰勒展開的梯度下降法可有效減小迭代次數，可在較低計算復雜度的條件下提高太赫茲通信系統下行鏈路的數據傳輸速率。

發明內容

本發明的目的是，針對太赫茲通信系統傳輸速率的優化問題，提供一種基于泰勒展開的梯度下降算法算法來降低IRS陣元相位搜索的復雜度。通過在每次迭代過程中對太赫茲通信系統數據傳輸速率式泰勒展開尋求最佳步長，本發明可以大幅度降低IRS相位搜索的復雜度，并且本發明在IRS輔助的太赫茲MIMO系統中實現的數據傳輸速率性能可接近遍歷搜索算法實現的最優數據傳輸速率性能。

本發明采用的技術方案為：

一種智能反射表面輔助的太赫茲通信系統設計方法，如圖1所示，所述通信系統包括裝配有N_BS個天線的基站、由N_IRS個反射陣元構成的智能反射表面和裝配有N_MS個天線的移動用戶端，基站通過智能反射表面將信號發送到移動用戶端，太赫茲波在整個無線傳輸路徑中只被智能反射表面反射一次，則基站端發射N_s條數據流給移動用戶端時，移動用戶接收到的信號向量為

其中，表示基站與智能反射表面之間的信道矩陣，表示移動用戶端與智能反射表面之間的信道矩陣，ρ表示平均接收功率，表示噪聲向量并且服從(0,δ²)的高斯分布，表示混合預編碼矩陣，表示智能反射表面的相位偏轉矩陣，對于N_IRS×N_IRS維的對角矩陣Φ，表示IRS反射陣元的反射系數，表示每一陣元對波束的相位偏轉；

移動用戶采用N_s條射頻鏈以及與射頻鏈相連的模擬移相器對接收信號y₁進行處理，處理后的信號為

其中表示混合聯合矩陣，由模擬聯合矩陣和數字聯合矩陣兩部分構成；