基于智能反射表面的共生通信系统多天线多播传输方法技术方案

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共生通信系统多天线多播传输方法。本发明专利技术提出一种基于智能反射表面的共生通信系统多天线多播传输方法，智能反射表面通过主系统的多播信号来发送自身的物联网信息符号，基站到主接收机的下行多播传输则可以通过智能表面增强，主接收机和IoT接收机都接收到来自于基站的直接链路信号和来自于智能表面的反射信号。本发明专利技术还提出联合优化基站端主动式波束赋形W和智能表面端被动式波束赋形Φ的方法，在满足主接收机信干噪比及IoT接收机信噪比要求的情况下，实现基站发射功率最小化。经过仿真验证，本发明专利技术在不影响主系统正常通信的情况下，大幅节省基站发射功率和能量，且不额外增加频谱和成本开销。

【技术实现步骤摘要】
基于智能反射表面的共生通信系统多天线多播传输方法
本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种基于智能反射表面的共生通信系统多天线多播传输方法。
技术介绍
共生无线电(SymbioticRadio,SR)是基于环境反向散射通信提出的一种具有极高能量效率、高频谱效率和极低成本的无线通信技术，在大规模垂直行业物联网(Internet-of-Things,IoT)领域有重要应用前景。具体来说，被动式无源反向散射设备可以将自身信息调制到接收的主系统通信信号上进行物联网传输，同时作为回报，反射链路可以提供额外的多径来增强主系统通信，从而实现共生无线电的互惠性。反射链路由于衰落严重，其对主系统通信性能的增强效果依然受限。通过引入智能反射表面(IntelligentReflectingSurface,IRS)(后文中简称为智能表面)辅助共生通信来改善信道状况、增大覆盖范围以及提升可靠性能。IRS由大量的无源反射单元组成，每个反射单元可以被动地调整入射信号的幅度和相位并进行反射，是一种高效节能、成本低廉的技术。因此，通过合理设计每个反射单元的反射系数(幅度和相移)，可对无线传播环境进行智能重构，以实现有用信号增强、干扰抑制以及安全传输等目标。另一方面，多播服务在5G及以上系统中有重要应用场景，特别是在多媒体领域，比如在线直播、远程教育、视频会议等。在基于智能表面的共生通信系统多天线多播传输中，基站(BaseStation,BS)在智能表面的辅助下以多播的方式发送独立的信息给每组主接收机(PrimaryReceiver,PR)，同时智能表面作为物联网设备，通过主系统的多播信号传输自身信息给IoT接收机，以达到同时增强主系统通信和支持物联网传输的目的。
技术实现思路
本专利技术的主要内容是提出一种基于智能表面的共生通信系统多天线多播传输方法,涉及到系统组成结构、工作原理、以及主被动式联合波束赋形设计方法。本专利技术采用的技术方案为基于智能表面的共生通信系统多天线多播传输：系统组成结构如图1所示，由一个配置M根天线的基站、一个配置Q根天线的IoT接收机、一个包含N个无源反射单元的智能表面和与其相连的IRS控制器、以及K个单天线主接收机组成。其中，K个主接收机根据信息需求不同分为G个组，同组内的主接收机同时请求相同的信息，并且每个主接收机只能属于一个组，即主接收机令M≥1，Q≥1，K≥1，1≤G≤K。基于智能表面的共生通信系统多天线多播传输方法的基本工作原理是：基站通过主动式波束赋形，多播独立的信号给每组主接收机，由于障碍物的遮挡，基站与主接收机之间的信道响应较弱，可以通过控制智能表面的反射单元增强基站与主接收机的主链路通信；另一方面，智能表面使用二进制相移键控(BinaryPhaseShiftKeying,BPSK)方式将自身信息调制在多播信号上并传输给IoT接收机。因此，主接收机和IoT接收机都接收到两部分信号：来自于基站的直接链路信号和来自于智能表面的反射信号。根据以上描述，第g组的第k个主接收机接收到的信号表示为其中，sg(l)和分别表示基站发送给第g组主接收机的信息符号和主动式波束赋形向量，x表示智能表面发送的信息符号，由于物联网传输速率远远小于主传输速率，因此x的一个符号周期包含L(L＞＞1)个sg(l)的符号周期，表示智能表面的相移矩阵，表示相移向量，和分别表示基站到第k个主接收机的信道、智能表面到第k个主接收机的信道和基站到智能表面的信道，zk(l)表示功率为的零均值加性高斯白噪声。IoT接收机接收到的信号表示为其中，和分别表示基站到IoT接收机的信道和智能表面到IoT接收机的信道，表示功率为的零均值加性高斯白噪声向量。本专利技术提出的基于智能表面的共生通信系统多天线多播传输的主被动式联合波束赋形设计方法，是在保证主系统中主接收机信干噪比需求和物联网通信中IoT接收机信噪比需求的前提下，以最小化基站发射功率为目标，联合优化基站端发射(主动式)波束赋形和智能表面端相移矩阵(被动式波束赋形)Φ。具体优化问题表示如下：其中，第一个约束是主接收机信干噪比需求，第二个约束是为了保证IoT接收机能够成功解调主信号，第三个约束是IoT接收机信噪比需求，第四个是智能表面的相移约束。以上问题的约束中包含耦合变量和多个分式，是一个非凸优化问题，考虑综合利用交替优化(AlternatingOptimization)技术“StephenBoydandLievenVandenberghe,ConvexOptimization,CambridgeUniv.Press,2004.”、二次变换(QuadraticTransform)方法“KaimingShenandWeiYu,"Fractionalprogrammingforcommunicationsystems—partI:Powercontrolandbeamforming”.IEEETrans.SignalProcessing,vol.66,no.10,pp.2616-2630,May,2018.”、半正定松弛(Semi-definiteRelaxation)方法“Zhi-QuanLuo,Wing-KinMa,AnthonyMan-ChoSo,YinyuYe,andShuzhongZhang,"Semidefiniterelaxationofquadraticoptimizationproblems,"IEEESignalProcessingMag.,vol.27,no.3,pp.20-34,2010.”，设计一种高效的迭代算法求解优化问题(P1)，得到基站端发射波束赋形W和智能表面端相移矩阵Φ的联合优化设计方法。本专利技术的有益效果是：提出一种基于智能表面的共生通信系统多天线多播传输方案，以及基站端主动式波束赋形W和智能表面端被动式波束赋形Φ的联合优化设计方法。智能表面通过主系统的多播信号来发送自身的物联网信息符号，基站到主接收机的下行多播传输则可以通过智能表面增强，主接收机和IoT接收机都接收到来自于基站的直接链路信号和来自于智能表面的反射信号。本专利技术设计出高效的迭代算法来联合优化基站端主动式波束赋形W和智能表面端被动式波束赋形Φ，在满足主接收机信干噪比及IoT接收机信噪比要求的情况下，实现基站发射功率最小化。经过仿真验证，本专利技术在不影响主系统正常通信的情况下，大幅节省基站发射功率和能量，且不额外增加频谱和成本开销，具有很强的应用价值和发展潜力。附图说明图1：本专利技术系统组成示意图；图2：仿真三维坐标系示意图；图3：基站发射功率与主接收机信干噪比及量化比特数的关系图；图4：基站发射功率与智能表面反射单元数量及IoT接收机信噪比的关系图。具体实施方式下面结合附图和仿真示例对本专利技术进行详细的描述。本专利技术提出一种基于智能表面的共生通信系统多天线多播传输方法：系统组成结构如图1所示，由一个配本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于智能反射表面的共生通信系统多天线多播传输方法，系统由一个配置M根天线的基站、一个配置Q根天线的IoT接收机、一个包含N个无源反射单元的智能表面和与其相连的IRS控制器、K个单天线主接收机组成；其特征在于，多天线多播传输方法包括：/n将K个主接收机为G个组，

【技术特征摘要】
1.基于智能反射表面的共生通信系统多天线多播传输方法，系统由一个配置M根天线的基站、一个配置Q根天线的IoT接收机、一个包含N个无源反射单元的智能表面和与其相连的IRS控制器、K个单天线主接收机组成；其特征在于，多天线多播传输方法包括：
将K个主接收机为G个组，同组内的主接收机同时请求相同的信息，并且每个主接收机只能属于一个组，即主接收机g≠i，令M≥1，Q≥1，K≥1，1≤G≤K；
基站通过主动式波束赋形，多播独立的信号给每组主接收机，通过控制智能表面的反射单元增强基站与主接收机的主链路通信；智能表面使用二进制相移键控方式将自身信息调制在多播信号上并传输给IoT接收机；主接收机和IoT接收机都接收到两部分信号：来自于基站的直接链路信号和来自于智能表面的反射信号；
第g组的第k个主接收机接收到的信号为：



其中，sg(l)和分别表示基站发送给第g组主接收机的信息符号和主动式波束赋形向量，x表示智能表面发送的信息符号，定义物联网传输速率远远小于主传输速率，因此x的一个符号周期包含L个sg(l)的符号周期，L＞＞1，表示智能表面的...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁应敞，杨刚，舒凡一，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51