MIMO-IRS通信系统的离散相移量化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于MIMO

【技术实现步骤摘要】
MIMO
‑
IRS通信系统的离散相移量化方法


[0001]本专利技术涉及无线通信网络
，特别是指MIMO
‑
IRS通信系统的离散相移量化方法。

技术介绍

[0002]随着我国经济的高速发展，城镇化水平不断提高，信息化技术发展迅速，时延要求日益严格，工业4.0即第四次工业演进是利用信息化技术促进产业变革的时代，也就是智能化时代，工业4.0驱动了新一轮工业革命，其核心特征是互联，由工业物联网(IIoT)提供支持，实现对智能工厂的控制，因此一条超可靠，高精度的通信链路对其工业化至关重要。智能反射表面(Intelligent reflecting surfaces，IRS)被认为是未来无线通信中一种有前途的技术，其也称为大型智能表面(large intelligent surface，LIS)，传统上，网络优化仅限于终端用户和网络控制器这两个端点的传输控制，无线网络的物理无线电环境通常是不可控的，由于无线电环境中的随机性，RF信号的传输在到达接收器之前可能会经历反射、衍射和散射，导致性能下降，而IRS由大量散射元件组成，可以通过改变入射信号的反射幅度以及相移的变化来主动控制信号的传输特性，有利于信号的接收，从而实现了智能无线电环境，IRS以低功耗、低实施成本、高频谱利用率以及部署的灵活性获得广大关注。同时IRS与传统放大转发中继不同，IRS是在不使用任何功率放大器的条件下放大和转发信号，而是通过适当的设计相移应用于每个反射元件，从而达到智能的控制无线电环境，提高频谱利用率，降低能源消耗，降低时延。
[0003]此外随着大量设备的接入以及大量数据的传输，对于数据传输的要求更高，以实现更快传输，MIMO技术是指能在不增加带宽的情况下，成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，采用MIMO系统可有效提高频谱效率，为支持超可靠低时延业务(Ultra
‑
Reliable Low
‑
Latency Communication，URLLC)场景下的通信传输。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利考虑使用有限块长度代码的短数据包来满足低时延传输，同时通过引入IRS辅助通信来降低时延，对超可靠低时延场景中的信息通信具有重大意义。时延违约概率作为衡量指标已在部分MIMO系统中应用，但目前基于MIMO
‑
IRS系统中并未研究，因此引入IRS提高时延性能，降低时延违约概率对目前智能化时代具有重大意义。
[0005]本专利技术的目的在于提出一种基于MIMO
‑
IRS通信系统的离散相移量化方法，可以提高通信网络中智能设备的时延性能。
[0006]基于上述目的，本专利技术提供MIMO
‑
IRS通信系统的离散相移量化方法，本专利技术实施例提供了如下技术方案：
[0007]步骤A，根据MIMO
‑
IRS的系统模型，定义出离散相移以及量化级比特之间的关系；
[0008]步骤B，计算出系统在短包通信下的传输速率以及信噪比；
[0009]步骤C，根据到达过程以及服务过程，确定到达过程以及服务过程的矩母函数表达
式；
[0010]步骤D，根据计算出的矩母函数表达式，计算基于MIMO
‑
IRS系统短包通信下的时延违约概率；
[0011]步骤E，基于对时延违约概率的分析，最终得到使时延违约概率趋于最小化的量化级比特值。
[0012]本专利技术的技术方案中，在针对目前智能化工厂中时延性能无法准确保证，提出了一个衡量时延的性能指标——时延违约概率。一方面，将IRS应用到MIMO通信系统中，将有效提高频谱利用率，降低时延；另一方面，智能设备IRS可以通过调节相移，进一步智能的控制无线电传输环境，提高系统的时延性能。
附图说明
[0013]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0014]图1为本专利技术实施例提供的一种基于MIMO
‑
IRS通信系统的离散相移量化级比特的部署方法流程图；
[0015]图2为MIMO
‑
IRS系统模型；
[0016]图3为置模拟设置示意图。
具体实施方式
[0017]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。
[0018]本专利技术的专利技术人考虑到，可以利用基于MIMO
‑
IRS的通信系统网络，一方面，将IRS应用到MIMO通信系统中，将有效提高频谱利用率，降低时延；另一方面，智能设备IRS可以通过调节相移，进一步智能的控制无线电传输环境，提高系统的时延性能。
[0019]更优地，本专利技术技术方案中还可通过对基于MIMO
‑
IRS通信系统的时延性能分析，分析了时延违约概率的影响因素，在目标时延确定的情况下，随着IRS单元离散相移量化比特级的增多，时延违约概率逐渐降低并趋于稳定，得到了在l＝5时时延违约概率趋于最小值，IRS对提高通信系统的时延性能具有重大战略意义。下面结合附图详细说明本专利技术实施例的技术方案。
[0020]步骤A，根据MIMO
‑
IRS的系统模型，定义出离散相移以及量化级比特之间的关系；
[0021]步骤B，计算出系统在短包通信下的传输速率以及信噪比；
[0022]步骤C，根据到达过程以及服务过程，确定到达过程以及服务过程的矩母函数表达式；
[0023]步骤D，根据计算出的矩母函数表达式，计算基于MIMO
‑
IRS系统短包通信下的时延违约概率；
[0024]步骤E，基于对时延违约概率的分析，最终得到使时延违约概率趋于最小化的量化级比特值；
[0025]其中，步骤A具体包括：
[0026]A1，在MIMO
‑
IRS系统模型中，考虑均匀离散相移，IRS由l比特编码，共有2
l
可能的相移来反射无线电波，则均匀间隔为则可能的相移为θ＝bΔθ
[0027]其中b为满足0≤b≤2
l
‑
1内的整数，
[0028]A2，根据相移的调整，相移矩阵表示为
[0029][0030]其中θ为反射元素n的相移角。
[0031]A3，根据反射相移，得到IRS的反射系数为
[0032][0033]其中Γ为反射系数，Γ∈[0,1]。
[0034]其中，步骤B具体包括：
[0035]B1，在MIMO
‑
IRS系统模型中，其场景是URLLC业务，其需要有限块长度通信传输，根据其有限块长度的传输理论，计算其传输速率为
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.MIMO
‑
IRS通信系统的离散相移量化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A，根据MIMO
‑
IRS的系统模型，定义出离散相移以及量化级比特之间的关系；步骤B，计算出系统在短包通信下的传输速率以及信噪比；步骤C，根据到达过程以及服务过程，确定到达过程以及服务过程的矩母函数表达式；步骤D，根据计算出的矩母函数表达式，计算基于MIMO
‑
IRS系统短包通信下的时延违约概率；步骤E，基于对时延违约概率的分析，最终得到使时延违约概率趋于最小化的量化级比特值；其中，步骤A具体包括：A1，在MIMO
‑
IRS系统模型中，考虑均匀离散相移，IRS由l比特编码，共有2
l
可能的相移来反射无线电波，则均匀间隔为则可能的相移为θ＝bΔθ其中b为满足0≤b≤2
l
‑
1内的整数，A2，根据相移的调整，相移矩阵表示为其中θ为反射元素n的相移角。A3，根据反射相移，得到IRS的反射系数为其中Γ为反射系数，Γ∈[0,1]。其中，步骤B具体包括：B1，在MIMO
‑
IRS系统模型中，其场景是URLLC业务，其需要有限块长度通信传输，根据其有限块长度的传输理论，计算其传输速率为其中L
k
为第k个用户传输数据包的长度，其中V
k
表示信道色散V
k
＝1
‑
(1+γ
k
)
‑2，Q
‑1(
·
)表示的逆函数，的逆函数，表示期望，γ
k
为表示用户k的信号与干扰加噪声比的信噪比。B2，计算信噪比表示为
其中P为发送功率，g
k
＝l
k
+d
k
，l
k
为BS发射信号经过IRS反射到达用户k的反射信道增益，d
k
为BS发射信道到用户k的直接链路信道增益。为波束形成矢量，σ2为高斯噪声方差。其中，步骤C具体包括：C1，根据到达过程服从泊松分布，计算达到过程的矩母函数其中λ表示平均到达速率。C2，根据服务过程，定义服务过程的表达式S
k
(t)＝L
k
R
k
tΓ
i
B+L
k
R
k
tB其中L
k
表示用户k的数据包长度，R
k
表示的是第k个用户的传输速率，Γ为IRS的反射系数，B服从伯努利分布，表示为错误概率为0时则传输成功，即S
k
(t)＝L
k
R
k
tΓ
i
+L
k
R
k
t，当错误概率不为0时，传输失败，即S
k
(t)＝0，最终可得其中Z服从0
‑
1分布，Z以概率ε
t
取值为0，以概率1
‑
ε
t
取值为1。C3，根据服务过程表达式，计算服务过程的矩母函数表达式其中L
k
表示用户k的数据包长度，R
k
表示的是第k个用户的传输速率，Γ为IRS的反射系数，ε
t
表示误块率，γ
k
为表示用户k的信号与干扰加噪声比的信噪比。V
k
表示信道色散V
k
＝
1
‑
(1+γ
k
)

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍慧，张妹娟，石鑫鑫，赵伟，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：