[發明專利]動態超表面天線輔助的近場寬帶上行MIMO傳輸方法

在審

• 申請號: 202111625469.0
• 申請日: 2021-12-28
• 公開（公告）號: CN114285443A
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 尤力;徐潔;潛夢羽;黃珂琳;葉育琦;王聞今
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H04B7/0413
• 分類號: H04B7/0413;H04B7/06
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 唐少群

本發明公開了一種基于動態超表面天線輔助的近場寬帶上行MIMO傳輸方法，包括：利用大尺寸的動態超表面天線作為基站端的接收天線，對分布在近場區域的多個用戶端發送的寬帶信號進行處理，可降低系統硬件成本和功率消耗；基于動態超表面天線的混合波束合成，較之當前的基于移相器和傳統天線的混合波束合成，能夠有效提升傳輸性能。本發明提出了一種聯合設計動態超表面天線和基帶波束合成器的算法框架，包括通過矩陣加權和均方誤差和(MWMSE)最小化、交替優化、矩陣向量化和MM等方法。本發明以較低的算法復雜度和良好的收斂性實現了動態超表面天線輔助的近場寬帶大規模MIMO上行傳輸。

技術領域

本發明涉及大規模MIMO無線通信領域，特別是動態超表面天線輔助的近場寬帶上行MIMO傳輸方法。

背景技術

動態超表面天線是一種全新的無線通信天線范式，其核心技術是可調諧超材料。動態超表面天線可以根據獲取的信道狀態信息實時調整自身的介電常數和磁導率以表現出一系列理想的波束成形特性。動態超表面天線可用從信道中捕獲信號，在模擬域中處理它們，并將它們沿各自的波導傳輸到數字處理器。相應地，動態超表面天線也可以將由數字處理器產生的信號輻射到信道中。

動態超表面天線具有需要射頻鏈數目少、功耗低、能效高、成本低、尺寸小和重量輕等優點，能夠很好地解決利用現有的混合波束合成技術實施大規模MIMO而帶來的傳輸功耗激增、硬件成本昂貴、鋪設面積限制等問題，具有很大的潛力。現有的工作都集中在基于動態超表面天線的遠場、窄帶的通信傳輸優化上，而基于動態超表面天線的近場寬帶傳輸很少被探索。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種基于動態超表面天線輔助的近場寬帶上行MIMO傳輸方法，該方法通過設計基站端的基帶波束合成矩陣和動態超表面天線的權重矩陣，可以有效提高系統傳輸性能，降低實現復雜度。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

動態超表面天線輔助的近場寬帶上行MIMO傳輸方法，該方法基于寬帶大規模MIMO上行單小區系統，以及考慮了近場效應、頻率選擇衰落和空間寬帶效應的信道模型，來構建和速率最大化問題，其中，在基站側采用動態超表面天線陣列，并且通過聯合設計基帶波束合成矩陣和動態超表面天線的權重矩陣的方式，來求解該和速率最大化問題，使得近場寬帶大規模MIMO上行和速率最大化；

所述傳輸方法包括：

步驟S1、給定動態超表面天線的權重矩陣，根據系統和速率最大化準則，基于MWMSE變換求解各個子載波上的基帶波束合成矩陣；

步驟S2、給定基帶波束合成矩陣，根據系統和速率最大化準則，基于矩陣向量化、MM方法和凸優化方法求解動態超表面天線的權重矩陣；

步驟S3、循環執行步驟S1-步驟S2直到相鄰兩次系統和速率之差小于給定閾值；

其中，在用戶的移動過程中，隨著各用戶到基站的信道狀態信息變化，動態實施動態超表面天線輔助的近場寬帶上行MIMO傳輸方法。

進一步的，所述的考慮了近場效應、頻率選擇衰落和空間寬帶效應的信道模型，其具體表達式為：

公式(1)中，