[發明專利]基于過時CSI的可重構智能表面輔助MIMO傳輸中的雙時間尺度優化方法

在審

• 申請號: 202111370756.1
• 申請日: 2021-11-18
• 公開（公告）號: CN114301508A
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 呂鐵軍;曹亞帥
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: H04B7/0413
• 分類號: H04B7/0413;H04B7/0426;H04B7/0456;H04B7/06;G06N3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提出了一種用于可重構智能表面(IRS)輔助MIMO系統的雙時間尺度波束賦形方法，該方法在大時間尺度上基于統計信道狀態信息(CSI)對IRS進行相對不頻繁的配置，在小尺度上基于過時CSI對基站(BS)功率分配進行頻繁更新。具體方法為，在小尺度上設計了一種克服過時CSI的傳輸結構，并利用得到最優小尺度功率分配的閉式解，在大尺度上提出一種基于小批量采樣的粒子群優化(mbs?PSO)算法，在減少信道采樣的情況下，預測性地優化大尺度IRS配置。本發明專利采用IRS輔助MIMO的雙時間尺度傳輸方案，可以有效抵抗過時CSI引起的信號流間干擾，且所提算法在快時變信道中，不需要過多的級聯信道估計和IRS配置開銷。

技術領域

本發明涉及了一種IRS輔助的MIMO通信系統中的雙時間尺度設計方法。確切地說，該方案考慮了實際信道估計面臨的過時效應，針對過時CSI設計了一種改進的收發結構，并以最大化平均可達速率為目標，聯合優化長期的IRS配置和短期的功率分配，屬于無線通信技術領域。

背景技術

為了滿足移動通信對高數據速率的需求，5G中提出MIMO技術，以支持高頻譜效率。IRS已被確定為MIMO系統的一種有吸引力的補充技術，以提高譜效和能效。由于IRS主要由低成本無源的超材料元件組成，它們可以與現有的MIMO系統一起密集部署，以一種成本效益高的方式大幅提高譜效。目前可以證明BS所需的發射功率可以隨著IRS元件數目的增加近似二次減小，且與現有的中繼系統相比，IRS的可達能效更高。

完美的瞬時CSI(I-CSI)對于獲得IRS的預期收益至關重要。由于CSI的估計技術在實際實施上并不完美，通常在BS端應用信號處理技術時獲得的CSI已經過時，因此將IRS引入到MIMO系統中并不簡單。與IRS相關的級聯信道估計得到了廣泛的研究，并取得了重要的進展，然而，由于不可忽略的反饋延遲，BS很難獲得完美的I-CSI，特別是在時分雙工(TDD)系統中。BS基于過時CSI應用成熟的預編碼技術例如奇異值分解(SVD)，則會導致嚴重的信號流間干擾。

另一方面，IRS配置中不可忽略的開銷會嚴重降低頻譜利用率?，F有的IRS配置算法大多是在完美的I-CSI下開發的。實際情況下，CSI獲取是一項計算密集型任務，以及考慮額外的I-CSI的反饋延遲，因此在IRS輔助MIMO傳輸設計中解決過時CSI效應以及IRS反饋開銷的問題具有重要意義。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的是在考慮過時CSI的情況下，提供一種適用于IRS輔助MIMO系統中的雙時間尺度波束賦形設計的有效方法，實現IRS配置開銷的降低和過時CSI效應的抑制，主要包括大尺度的IRS反射系數配置和小尺度的功率分配。我們考慮了一個MIMO傳輸系統，其中BS和用戶都配備了MIMO天線，BS和用戶之間通過IRS補充鏈路改善通信質量。BS采用了經典的SVD預編碼，為了抗過時CSI影響，進一步采用迫零(ZF)準則，抑制了信號流間干擾。在此基礎上，通過雙時間尺度波束賦形設計最大化平均可達速率(AAR)。

所述方法包括下列三個操作步驟：

(1)基于過時CSI的收發結構設計：BS基于過時的有效信道，即在時變信道上執行SVD預編碼BS執行傳輸波束賦形其中Λ＝diag([P₁,…,P_M])代表BS的功率分配。用戶根據SVD結果執行接收波束賦形W_r。為了抗過時CSI效應，BS在預編碼之前發送導頻序列，用戶設備則根據接收導頻估計出虛擬信道基于虛擬信道執行ZF檢測傳輸信號，即

在該系統中，可以表征第m個數據流的信干噪比(SINR)為

(2)小時間尺度功率分配：基于雙時間尺度波束賦形策略，在每一個時間幀上利用不變的統計CSI只需配置一次IRS。在幀的剩余時間內的每個小時隙上根據過時CSI頻繁更新BS和用戶的波束賦形。

(21)在該系統中，基于雙時間尺度波束賦形，系統的AAR最大化可以建模為