[發(fā)明專利]基于智能反射面和發(fā)射端的聯(lián)合波束賦形與空間調(diào)制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110332655.9
• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113114311B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳贇;高浩然;白恩健;蔣學(xué)芹
• 申請（專利權(quán)）人: 東華大學(xué)
• 主分類號: H04B7/0413
• 分類號: H04B7/0413;H04B7/06
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 徐俊;柏子雵

本發(fā)明涉及本文提出了一種基于智能反射面和發(fā)射端聯(lián)合波束賦形與接收端空間調(diào)制方法，本方法基于最大系統(tǒng)接收信噪比對發(fā)射端波束賦形和智能反射面相角進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。針對智能反射面連續(xù)相移和離散相移兩種情況，給出了貪婪檢測和基于窮舉搜索的最大似然檢測方案。本發(fā)明提供的方法利用了空間調(diào)制，有效避免了多天線傳輸中信道間干擾的問題，充分利用空域資源，提供了有效的數(shù)據(jù)傳輸速率。此外，使用發(fā)射端和智能反射面上的聯(lián)合波束賦形，提高了信號質(zhì)量，保證了可靠通信。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種智能反射面MIMO無線通信系統(tǒng)的空間調(diào)制及聯(lián)合波束賦形方法，屬于無線通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)

第五代移動通信(5G)技術(shù)已在許多國家和地區(qū)大規(guī)模部署，極大地提高了信息傳輸速率，現(xiàn)有的大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Out，MIMO)技術(shù)，通過大規(guī)模天線陣列實現(xiàn)信息的傳送和接收，增大了功率增益；但波束賦形所需的傳統(tǒng)相控陣列，因功耗及硬件成本限制了MIMO的天線陣列規(guī)模，使得MIMO技術(shù)的優(yōu)勢不能得到有效發(fā)揮。

智能反射面被認(rèn)為是傳統(tǒng)相控陣列一種有前途的替代技術(shù)，智能反射面上有大量小型、低成本的無源反射單元，反射單元僅通過可調(diào)相移反射入射信號，而無需使用專用的能量源進(jìn)行射頻(RF)處理、解碼、編碼等操作。通過智能地調(diào)整所有反射單元的相移以適應(yīng)動態(tài)無線信道，智能反射面反射的信號可以在用戶接收器上和非反射信號疊加或抵消，以提高所需的信號功率或抑制信道干擾，從而大幅提升無線網(wǎng)絡(luò)性能。近幾年國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于智能反射面的研究已經(jīng)得出了一些成果。具體來說，Basar首先提出了智能反射面充當(dāng)接入點以及智能反射面在雙跳通信中輔助信息傳送兩個概念，文章表明，基于智能反射面的信號傳輸可以有效提高接收信噪比，并實現(xiàn)超可靠通信。Basar進(jìn)一步提出了智能反射面空間移位鍵控(IRS-SSK)和智能反射面空間調(diào)制(IRS-SM)方案，利用智能反射面不僅提高了信號質(zhì)量，而且根據(jù)信息比特選擇特定的接收天線索引，實現(xiàn)索引調(diào)制(IM)。Wu和Zhang等人針對多發(fā)射天線系統(tǒng)中智能反射面的優(yōu)化進(jìn)行了研究，對于智能反射面增強(qiáng)型多輸入單輸出(MISO)無線系統(tǒng)，通過聯(lián)合優(yōu)化接入點的(有源)發(fā)射波束賦形和智能反射面的(無源)反射波束成形，最大限度地提高用戶接收的總信號功率，并在后續(xù)的研究中考慮了離散相移的情況。

但是，上述關(guān)于智能反射面的研究無一是在MIMO系統(tǒng)中進(jìn)行的，為了在波束賦形的同時顯示MIMO系統(tǒng)的優(yōu)勢，本發(fā)明考慮在空間調(diào)制之外加入智能反射面進(jìn)行聯(lián)合波束賦形輔助MIMO系統(tǒng)的通信。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是：解決傳統(tǒng)波束賦形成本過高，復(fù)雜性過大等問題及其對MIMO天線陣列規(guī)模的限制，同時也為了進(jìn)一步提高信噪比，降低誤碼率。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種基于智能反射面和發(fā)射端的聯(lián)合波束賦形與空間調(diào)制方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)建立智能反射面MIMO無線通信系統(tǒng)模型：MIMO系統(tǒng)中，具有N_T根天線的基站與N_R根天線的接收端在智能反射面的輔助下進(jìn)行通信；MIMO系統(tǒng)收發(fā)端之間的信道分為兩個子信道：智能反射面與基站之間的子信道T，接收端與智能反射面之間的子信道經(jīng)空間調(diào)制后，第k根天線的接收信號為：

y_k＝r_kPTws+n_k (1)

其中，本發(fā)明將第個反射單元上的反射相移系數(shù)建模為θ_i∈[0,2)，幅度系數(shù)ρ∈[0,1]，代表智能反射面上的相移反射矩陣，在考慮最大反射的情況下，本發(fā)明將設(shè)為1，w是波束賦形向量，s代表發(fā)送符號，其均值為0，方差為1；n_k為高斯白噪聲，均值為0，方差為σ²。

(2)考慮連續(xù)相移與離散相移兩種方案，在發(fā)射端與智能反射面進(jìn)行聯(lián)合波束賦形，以最大化信噪比(接收功率)，并將連續(xù)方案下的波束賦形優(yōu)化描述為問題(P1)：