CN111464223B - 一种主动式智能反射表面辅助通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种主动式智能反射表面辅助通信系统。本发明将主动式智能反射表面引入无线通信系统设计，辅助原本信号传输，进一步提高无线通信系统的频谱效率与能量效率。具体而言，在主动式智能反射表面中，每一个独立的反射单元可利用有源电路实现负阻抗特性，对入射信号进行相位调整使得多路反射信号在接收机处相互增强或抵消，同时对入射信号进行幅度放大使得信号传输距离得到增强。为实现上述目的，主动式智能反射表面需要对其反射单元的反射系数进行优化，同时接收机需要对其接收波束成形向量进行优化。本发明的方法方案实施简单，且可证明能实现高于为各自系统分配专用通信资源的频谱效率，具有很强的应用价值。

Description

一种主动式智能反射表面辅助通信系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种主动式智能反射表面辅助通信系统。

背景技术

随着移动互联网与物联网的爆炸式发展，未来通信网络面对着设备持续增长带来的巨流量，巨连接的重大挑战。特别地，在6G新愿景下，通信网络需要实现Tbps级的超巨流量通信，以及支撑每平方米数十终端的超巨连接通信。亟需实现高谱效、高能效的新型传输技术。

近年来，智能反射表面可以部署多个反射单元对无线信道进行智能重编程，从而改善信号的传输质量。因其布置简单，且不需要复杂的主动射频电路器件，如数模转换器，振荡器，上变频器以及功率放大器等，智能反射表面通信被视为下一代高谱效，高能效的通信技术。

传统智能反射表面通信系统需要配置大规模的被动反射单元以解决自身反射能力弱，路径损耗大等问题，导致电路成本，空间成本，以及能耗成本大幅提升。基于负阻抗设计的主动反射单元通过引入有源电路，使得其能够反射放大入射信号，大幅提升自身反射能力，提高信号传输效率。现有主动反射单元已广泛用于反射通信系统中，以增加系统传输范围。智能反射通信系统可以利用主动反射单元进一步改善信号传输性能，进而提高频谱利用效率。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于负阻抗的主动式智能反射表面通信系统设计，同时对系统中主动式智能反射表面反射系数矩阵与接收机接收波束成形设计进行优化。

本发明采用的技术方案是：

本发明将主动式智能反射表面引入无线通信系统设计，辅助原本信号传输，进一步提高无线通信系统的频谱效率与能量效率。具体而言，在主动式智能反射表面中，每一个独立的反射单元可利用有源电路实现负阻抗特性，对入射信号进行相位调整使得多路反射信号在接收机处相互增强或抵消，同时对入射信号进行幅度放大使得信号传输距离得到增强。为实现上述目的，主动式智能反射表面需要对其反射单元的反射系数进行优化，同时接收机需要对其接收波束成形向量进行优化。

一种主动式智能反射表面辅助通信系统，包括发送机、部署有M(M≥1)个基于负阻抗反射单元的主动式智能反射表面和部署有N(N≥1)根接收天线的接收机，其中，发送机传输信号s(n)为零均值方差为1的信号，发射功率为p_t，接收机信号y(n)为：

其中，

表示发送机到接收机的直接链路信道，

表示发送机到主动式智能反射表面的信道，

表示主动式智能反射表面到接收机的信道，

为主动式智能反射表面的反射系数对角矩阵，其中

表示第m个反射单元的反射系数，a_m与θ_m表示第m个反射系数的幅度与相位，

和

分别表示在接收机与主动式智能反射表面引入的高斯白噪声向量，其协方差矩阵分别为

和

和

分别表示为接收机的接收信号噪声功率和主动智能反射表面设备的接收信号噪声功率，I为单位矩阵；

接收机通过接收波束成形向量

提取有用信息，则经过处理后的信号为：

得信噪比为：

以实现信噪比最大化为目标，对主动式智能反射表面的反射系数矩阵，接收机的接收波束成形向量进行优化，建立如下优化问题：

‖w‖²＝1,

其中第一个约束为主动式智能反射表面的功率约束，

I_M表示维度大小为M×M的单位矩阵，第二个约束为接收波束成形归一化约束；

通过求解优化问题即可获得优化后的接收波束成形向量w与反射系数矩阵Φ。

本发明的有益效果为，本发明提出一种主动式智能反射表面辅助通信系统架构，主动式智能反射表面设备通过对入射信号进行相位调整与幅度放大，极大地提高了频谱利用效率。接收机通过波束成形设计，进一步优化该通信系统。方案实施简单，且可证明能实现高于为各自系统分配专用通信资源的频谱效率，具有很强的应用价值。

附图说明

图1示出了本发明的系统组成示意图；

图2示出了本发明的主动式智能反射表面设备构成；

图3示出了本发明提出的一种负阻抗实现电路框图；

图4示出了本发明的提出的迭代算法优化框图；

图5示出了本发明的算法反正验证系统位置设置图；

图6为本发明系统可达速率性能图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述：

以一主动式智能反射表面辅助的单输入多输出无线通信系统为例。如图1所示，本发明考虑在主动式智能反射表面设备部署M(M≥1)个基于负阻抗的反射单元，接收机设备部署N(N≥1)个接收天线的情况。假定发送机传输信号s(n)为零均值方差为1的信号，发射功率为p_t。接收机信号y(n)可表示如下

其中，

表示发送机到接收机的直接链路信道，

表示发送机到智能反射表面设备的信道，

表示智能反射表面设备到接收机的信道，上述两者一起构成智能反射表面辅助信道；

为智能反射表面的反射系数对角矩阵，其中

表示第m反射单元的反射系数，a_m与θ_m表示第m个反射系数的幅度与相位，对于主动式智能反射表面设备而言，其反射系数幅度能够大于1；

和

分别表示在接收机与智能反射表面设备引入的高斯白噪声向量，其协方差矩阵分别为

和

和

分别表示为接收机的接收信号噪声功率和主动智能反射表面设备的接收信号噪声功率(I代表单位矩阵)。

其中，如图2所示，本发明考虑在主动式智能反射表面设备部署M(M≥1)个基于负阻抗的反射单元；每个反射单元有K(K≥1)个负载阻抗(包括负阻抗)可选；负阻抗可通过图3所示基于隧道二极管的电路所实现(负阻抗实现电路的方式多种多样，采用隧道二极管电路实现只是其中一种方式)。在图3电路中，C_dc为直流过滤电容，C_bias为偏置电容，L_bias为偏置电感，V_bias为偏置电压，R_i,i＝1,...,6为电阻，可通过设计具体电阻值使得整体电路阻抗Z_L与天线电阻匹配。

接收机可通过接收波束成形向量

提取有用信息，则经过处理后的信号为

因此，信噪比可写为

在主动式智能反射表面的辅助下，该系统能够可达系统速率表示如下：

R_s＝log₂(1+γ_s)

智能反射表面用于信号放大的功率可以表示如下：

其中I_M表示维度大小为M×M的单位矩阵。在该系统中，智能反射表面设备可以优化其反射系数矩阵，接收机可优化接收波束成形向量实现信噪比最大化。故考虑如下优化问题

‖w‖²＝1,

其中第一个约束为智能反射表面设备的功率约束，第二个约束为接收波束成形归一化约束。本发明根据上述优化问题提出如下迭代优化算法，交替优化接收波束成形向量w与反射系数矩阵Φ，原问题可以拆解为如下两个子问题：

1)给定接收波束成形向量w优化反射系数矩阵Φ的子问题(P1-A)

2)给定反射系数矩阵Φ优化接收波束成形向量w的子问题(P1-B)

s.t.‖w‖²＝1

因此原问题可以通过交替求解子问题(P1-A)与(P2-B)得到最优解。具体而言，给定初始值(w₍₀₎,Φ₍₀₎)，交替求解上述两个子问题，直到算法收敛，其算法框架如图4所示。下面给出求解上述两个子问题的一类可行方案，以供验证主动式智能表面反射设备辅助通信系统的性能。

1)给定波束成形向量w时，定义如下h₁＝w^Hh₁，g＝w^HG其中

表示发送机到接收机的直接链路信道，

表示智能反射表面设备到接收机的信道。子问题(P1-A)可以转化为如下问题：

s.t.tr(ΦFΦ^H)≤P_a.

其中，定义

F矩阵中的第m个对角元素表示在第m个反射单元入射信号的信号强度。接下来做如下变换a＝[φ₁,...,φ_M]^T，

和Q＝diag([|g₁|²,|g₂|²,...,|g_M|²])，上述问题可以转换为

s.t.a^HFa≤P_a

上述问题可以通过如下变量替换

其中t＝1为一辅助变量，变化为如下优化问题

t＝1

再利用如下等价替换

和

并忽略变量A的秩一约束，有如下问题

A_M+1,M+1＝1.

接下来可利用如下变量替换

其中q为非零常数并满足等式约束

则上述问题可以变换为如下可解半正定规划问题(P1-A-SDP)

(P1-A-SDP)可以通过“Grant M,Boyd S.CVX:Matlab software for disciplinedconvex programming,version 2.1[J].2014”中标准优化求解工具CVX求解出

可以用关系

求解出A。再利用“Sidiropoulos N D,Davidson T N,Luo Z Q.Transmitbeamforming for physical-layer multicasting[J].IEEE Transactions on SignalProcessing,2006,54(6):2239-2251”中的高斯随机方法，从A恢复出a；最后通过关系Φ＝diag(a)求解出Φ。

2)给反射系数矩阵Φ时，可利用最小均方误差准则(MMSE)求解问题(P1-B)，其最优值为：

其中h＝h₁+GΦh₂表示等效信道。

如下将给出仿真结果验证上述系统在传输效率上的优越性以及上述优化算法方案的可能性。如图5所示，考虑如下仿真位置设计，发送机位于坐标原点(0,0)，智能反射表面位于(180m,10m)以及接收机位于(200m,0)。考虑如下大尺度衰落

其中下标i∈{1,2,g}分别表示信道h₁,h₂,G，

表示i信道的大尺度衰落系数，d_i表示传输距离，β_i表示在1m情况下信道衰落系数，η_i表示空间衰落指数。具体仿真参数设置如下，β_i＝-30dB，η₁＝3.5,η₂＝2.8,η_g＝2。对于h₁,h₂,G的所有元素服从小尺度衰落为

其他仿真参数在智能反射表面的噪声

与接收机噪声

信道实现次数为1000次。

作为参考的被动式智能反射表面辅助通信系统来自于“Wu Q,ZhangR.Intelligent reflecting surface enhanced wireless network via joint activeand passive beamforming[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2019,18(11):5394-5409”。

图6比较了在不同发送机传输功率下，智能反射表面辅助通信系统可达速率的性能。特别地，结果显示，在不同智能反射表面设备的功率约束情况下，本发明所提出来的主动式智能反射表面辅助通信系统可达速率要优于同等参数设置下的被动式智能反射表面辅助通信系统。

Claims (1)

1.一种主动式智能反射表面辅助通信系统，其特征在于，包括发送机、部署有M个基于负阻抗反射单元的主动式智能反射表面和部署有N根接收天线的接收机，M≥1，N≥1，其中，发送机传输信号s(n)为零均值方差为1的信号，发射功率为p_t，接收机信号y(n)为：

其中，

表示发送机到接收机的直接链路信道，

表示发送机到主动式智能反射表面的信道，

表示主动式智能反射表面到接收机的信道，

为主动式智能反射表面的反射系数对角矩阵，其中

表示第m个反射单元的反射系数，a_m与θ_m表示第m个反射系数的幅度与相位，

和

分别表示在接收机与主动式智能反射表面引入的高斯白噪声向量，其协方差矩阵分别为

和

和

分别表示为接收机的接收信号噪声功率和主动智能反射表面设备的接收信号噪声功率，I为单位矩阵；

接收机通过接收波束成形向量

提取有用信息，则经过处理后的信号为：

信噪比为：

以实现信噪比最大化为目标，对主动式智能反射表面的反射系数矩阵，接收机的接收波束成形向量进行优化，建立如下优化问题：

‖w‖²＝1,

其中第一个约束为主动式智能反射表面的功率约束，

I_M表示维度大小为M×M的单位矩阵，第二个约束为接收波束成形归一化约束；

通过求解优化问题即可获得优化后的接收波束成形向量w与反射系数矩阵Φ，具体为：

将优化问题拆解为如下两个子问题：

1)给定接收波束成形向量w优化反射系数矩阵Φ的第一子问题：

2)给定反射系数矩阵Φ优化接收波束成形向量w的第二子问题：

s.t.‖w‖²＝1

因此原优化问题可以通过交替求解第一子问题与第二子问题得到最优解。

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