一种基于智能反射表面的蜂窝基站通信系统技术方案

本发明专利技术属于无线通信技术领域，涉及一种基于智能反射表面的蜂窝基站通信系统。本发明专利技术提出一种新型基于智能反射表面的蜂窝基站通信系统架构，智能反射表面不仅用于辅助宏基站用户的通信，也用以传输信息给多个用户，同时避免了干扰的产生，极大地提高了频谱利用效率，并且智能反射表面消耗能量更少，能量效率更高。智能反射表面通过被动波束成形，可以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。具有很强的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于智能反射表面的蜂窝基站通信系统


[0001]本专利技术属于无线通信
，具体的说是涉及一种基于智能反射表面的蜂窝基站通信系统。

技术介绍

[0002]随着无线通信技术的飞速发展，通信设备数与业务量在过去十年间以指数级增长，也带来了蜂窝容量需求的激增。提高通信系统容量的方法一般包括：部署更多小区、增加可用带宽以及提高频谱效率。众所周知，减小小区的尺寸、部署更多小区是增加系统容量的最简单，最有效的方法。小型蜂窝网络通过紧密地部署自组织、低功耗、低成本的微基站，用来覆盖盲区以及分担流量压力。在多用户网络中，一个小区覆盖范围内的用户共享可用带宽，因此，减小小区大小并部署更多小区会减少每个小区的用户数量，进而增加每个用户可用的带宽。同时，小区尺寸减少使得用户与微基站的距离减小，提高了用户的信噪比，从而进一步提升了用户的传输速率。在部署小区方面有两大挑战，一是需要设计有效的干扰管理策略以控制多种干扰，主要包括微小区与宏基站的相互干扰、相邻微小区之间的干扰、宏基站终端用户对微基站接收的干扰，二是需要减少小区部署的能量消耗与成本。
[0003]近年来，随着射频微机电系统(MEMS)与超材料方面的研究取得突破性进展，使得基于超材料反射的低成本，高效电磁空间重构技术成为可能，进而学界提出了智能反射表面(RIS)的概念。智能反射表面利用高度可控的信号反射特性，能够做到实时控制幅度与相位的变化来适应不同信道环境的动态需求。智能反射表面相较于放大转发中继等通信技术，不需要主动地产生新的信号而只是被动地反射入射信号，不需要额外的能量源。智能反射表面利用反射已有信号，精简了发射所需要的射频链路与器件，并能在短时间内实现类似大规模多输入多输出(MIMO)的反射波束成型。智能反射表面能够在实现可控成本与低能耗同时不引入额外干扰的前提下密集且迅速地进行部署。智能反射表面将成为未来无线通信当中引人注目的一项新技术，尤其以用户高密度聚集的室内通信应用场景为主(如体育场、大型商城、展览中心、机场等场所的通信应用)。目前已有的关于智能反射表面的研究工作，大部分是将其应用在传统的通信系统，如多用户下行通信、双向中继网络等，用以改善覆盖率、提供安全性、提高能量效率和频谱效率等。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要内容是提出一种新型的基于智能反射表面的蜂窝基站通信系统，简称为智能反射通信系统，涉及到系统组成结构及工作原理、以及被动式波束成形设计方法，利用智能反射表面替代传统小型蜂窝网络的微基站，解决小型蜂窝网络中多用户通信问题。
[0005]智能反射表面除了可以作为被动的中继来辅助其他传统通信系统，也可以利用将信息调制到基站的信号上用于传递信息。具体来说，假设智能反射表面采用BPSK调制方式，则当发送的符号为+1时，它利用+Φ
*
来反射信号，当发送的符号为-1时，利用-Φ
*
来反射信
号，这里Φ
*
是优化后的相位偏移矩阵。由于智能反射表面优良的反射特性以及具有发送信息的能力，我们将其引入到小型蜂窝网络中替代微基站，利用可实时调整的相位偏移，将多个用户的信息加载到宏基站的信号之上，实现多用户的信息传递。这里智能反射表面与传统的微基站类似，发送的信息由有线的回程线路得到。但智能反射表面相较于微基站消耗的能量较少，能量效率更高。同时，智能反射表面是通过被动地反射信号来传递信息，而非产生新的信号，可以使得智能反射表面的信号对宏基站服务的用户不再是干扰而是一条多径，从而提高宏基站用户的传输速率，也解决了传统小型蜂窝网络中的干扰管理问题
[0006]本专利技术的技术方案是：一种基于智能反射表面的蜂窝基站通信系统，其特征在于，包括一个配置单根天线的宏基站、一个具有N个反射单元的智能反射表面(RIS)、一个宏基站服务的单天线用户user 0以及K个单天线用户user 1～K；宏基站发送主信号，RIS接收宏基站发送的主信号，通过调节每个反射单元的系数，将需要发送给K个用户的信息加载到宏基站的主信号上，实现被动的波束成形，对应于每个用户的预编码矩阵为Φ
k
＝diag{θ
k,1
,θ
k,2
,...,θ
k,N
}，其中θ
k,i
对应于第i个反射单元对第k个用户的相位偏移且满足实现多个用户的信息传递。
[0007]进一步的，RIS端被动式波束赋形矩阵的设计方法为：假设宏基站发送机传输信号s(n)为零均值方差为1的信号，发射功率为p
t
，RIS采用BPSK的调制方法，即c
k
＝{+1,-1}，c
k
表示发送给用户k的信息且来自于有线的回程线路，对应的相位偏移矩阵是RIS发送信息符号的周期是宏基站端发送信息符号的周期的Q倍，Q为正整数，记C＝{c1,c2,...,c
K
}为所有用户符号的集合，RIS引入到信道的相位偏移矩阵为在保证宏基站服务的用户的最低通信速率需求的前提下，以最大化所有用户最小的通信速率为目标，优化RIS端被动式波束赋形矩阵建立优化问题如下：
[0008][0009][0010][0011]|Φ
n,n
|≤1,n＝1,2,...,N
[0012][0013]其中R
k
是用户k解c
k
的速率，R0是用户0的平均速率的上界，R
k,s
是用户k解s(n)的平均速率上界，向量符号第一个约束是宏基站服务的用户通信速率的QoS要求，第二个约束保证小型蜂窝网络中各用户能实现串行干扰消除，最后一个约束为RIS的被动式反射约束，优化问题详细表达式为：
[0014][0015][0016][0017]|Φ
n,n
|≤1,n＝1,2,...,N
[0018][0019]其中，l为宏基站与智能反射表面之间的信道，h
k
为智能反射表面与微小区中用户k间的信道，h0为智能反射表面与宏用户0之间的信道，g0为宏基站与宏用户0之间的信道，g
k
为宏基站与微小区中用户k间的信道，为用户0处的加性高斯白噪声功率，为用户k处的加性高斯白噪声功率。
[0020]通过求解上述优化问题即可得到
[0021]本专利技术的有益效果是：本专利技术提出一种新型基于智能反射表面的蜂窝基站通信系统架构，智能反射表面不仅用于辅助宏基站用户的通信，也用以传输信息给多个用户，同时避免了干扰的产生，极大地提高了频谱利用效率，并且智能反射表面消耗能量更少，能量效率更高。智能反射表面通过被动波束成形，可以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
[0022]图1示出了智能反射通信系统应用场景示意图；
[0023]图2示出了智能反射通信系统结构图；
[0024]图3示出了智能反射通信帧结构示意图；
[0025]图4为算法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于智能反射表面的蜂窝基站通信系统，其特征在于，包括一个配置单根天线的宏基站、一个具有N个反射单元的智能反射表面(RIS)、一个宏基站服务的单天线用户user 0以及K个单天线用户user 1～K；宏基站发送主信号，RIS接收宏基站发送的主信号，通过调节每个反射单元的系数，将需要发送给K个用户的信息加载到宏基站的主信号上，实现被动的波束成形，对应于每个用户的预编码矩阵为Φ
k
＝diag{θ
k,1
,θ
k,2
,...,θ
k,N
}，其中θ
k,i
对应于第i个反射单元对第k个用户的相位偏移且满足|θ
k,i
|＝1,i，实现多个用户的信息传递。2.根据权利要求1所述的一种基于智能反射表面的蜂窝基站通信系统，其特征在于，RIS端被动式波束赋形矩阵的设计方法为：假设宏基站发送机传输信号s(n)为零均值方差为1的信号，发射功率为p
t
，RIS采用BPSK的调制方法，即c
k
＝{+1,-1}，c
k
表示发送给用户k的信息且来自于有线的回程线路，对应的相位偏移矩阵是RIS发送信息符号的周期是宏基站端发送信息符号的周期的Q倍，Q为正整数，记C＝{c1,c2,......

【专利技术属性】
技术研发人员：梁应敞，王俊，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：