一种智能反射面辅助的干扰抵消波束设计方法技术

本发明专利技术公开了一种智能反射面辅助的干扰抵消波束设计方法。本发明专利技术包括以下步骤：步骤1、场景假设和信道模型；步骤2、利用波束分裂方法设计部分发射波束；骤3、设计智能反射面反射系数；步骤4、根据设计的智能反射面反射系数，执行用户干扰抵消发射波束设计方法及功率分配系数设计方法。本方法能够在信道状态信息全部已知或部分已知的情况下，通过设计基站端波束形成、波束分裂功率分配系数、及智能反射面反射系数，在不采用数字端预编码器的情况下，显著降低用户间干扰，从而达到大幅提高系统性能并显著降低系统硬件成本和功耗的目的。能并显著降低系统硬件成本和功耗的目的。能并显著降低系统硬件成本和功耗的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种智能反射面辅助的干扰抵消波束设计方法


[0001]本专利技术属于信息与通信工程领域，具体涉及一种低复杂度的低精度A/D受限条件下基于智能反射面的干扰抵消波束分裂设计方法。

技术介绍

[0002]毫米波频段相对于低频段具有更丰富的带宽资源，从而极大提高通信系统的容量，因此毫米波被普遍认为是第五代移动通信技术中最具有研究潜力的技术之一。然而，由于高频段存在固有的高传播路径损耗，毫米波通信系统的实际应用面临诸多挑战，如覆盖面积小、同向干扰大，易受遮挡物影响、高功耗等问题。
[0003]智能反射面技术是辅助毫米波通信系统在未来6G极具潜力和发展前景的技术之一。智能反射面表面由大量无源反射元件构成反射阵列，通过软件同时控制反射面板上无源反射单元的反射特性，可以改变反射电磁波的相位及幅值，从而智能地配置无线传播环境。由于其材料和构造的特殊性，智能反射面技术相对于传统的有源中继/转接系统具有成本低、功耗低、易部署等特点。通过设计反射阵列系数矩阵，可以达到稳定提升无线通信系统性能的目的。因此，智能反射面辅助毫米波无线通信系统进行传输是其关键应用。
[0004]为了在毫米波通信系统中实现更高的能效比，目前提出了两种主流的解决方案。一种解决方案是采用混合模数架构，通过移相器网络使得大规模天线只需连接少量独立射频链路，从而实现在硬件复杂性和系统性能之间取得平衡，在保证系统高效传输的同时，保持合理的能耗。目前经典的采用模数混合架构的通信系统，多数利用模拟波束成形和数字预编码技术分别来实现高指向性传输和多用户干扰消除。r/>[0005]与此同时，另一种低能耗解决方案是用低精度A/D代替高精度的A/D。由于模数转换器及数模转换器在模数混合架构系统的功耗里占主导地位，因此在发射机端配置低精度A/D可以显著减小系统的功耗和硬件成本。然而，在数模转换过程中，基站端低精度A/D会使得数字基带信号发生畸变，导致系统传输性能显著下降。因此，需要从根本上改进相应的信号处理流程，研究如何在低精度A/D受限条件下实现模数混合架构毫米波系统的高速可靠传输，从而大幅提高毫米波通信系统的能源效率。
[0006]低精度A/D受限条件下智能反射面辅助的毫米波传输实现关键在于智能反射面系数矩阵及基站模拟波束成形的联合设计。然而，现有研究的优化方法，基本采用Additive Quantization Noise Model(AQNM)模型来近似低精度A/D的影响，并采用进一步迭代优化的方式求出最优或次优解。一方面，AQNM模型仅在低信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)下准确，在中、高SNR下不准确。另一方面，由于采用低精度A/D所造成的非线性量化误差，基站端的数字预编码基带信号严重畸变，导致不能有效地抑制用户间的干扰，特别是在同一波束形成方向内的多用户同信道干扰。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对低精度A/D受限条件下智能反射面辅助的毫米波通信系统，通过对智
能反射面和使用低精度A/D的基站端模拟波束形成进行联合设计，对同一波束方向上的多用户间强干扰提出了相应基于波束分裂的非迭代干扰抵消方法。本方法能够在信道状态信息(Channel State Information，CSI)全部已知或部分已知的情况下，通过设计基站端波束形成、波束分裂功率分配系数、及智能反射面反射系数，在不采用数字端预编码器的情况下，显著降低用户间干扰，从而达到大幅提高系统性能并显著降低系统硬件成本和功耗的目的。
[0008]本专利技术的技术方案包括以下步骤：
[0009]步骤1、信道模型和应用场景。
[0010]考虑单个模拟数字混合架构基站(BS)、两个单天线用户(Users)和单个智能反射面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)辅助收发机通信的毫米波通信场景。该毫米波通信系统在时分双工(TDD)模式下运行，并假设基站端和用户完全同步。基站端(BS)有M个天线，智能反射面RIS有N个无源反射元件，且天线阵列均为均匀线性阵列(Uniform Linear Array，ULA)。基站与智能反射面RIS通过一个控制器(例如：FPGA)相连接，以控制智能反射面上的每个无源反射器件的相位。基站端每个射频链路中配置两个低精度A/D(实部和虚部)，同时为用户端配置高精度A/D。在该场景中，两个用户相对于基站在同一波束方向上完全重叠，因此存在严重的用户间干扰。而采用传统数字预编码和模拟波束形成等方法，均无法有效降低用户间的严重干扰。
[0011]在下行链路信号传输过程中，基站端(BS)信号经过射频链路后通过移相器网络映射到M个天线上进行发射，分别经过基站
‑
用户主达信道和基站
‑
RIS
‑
用户反射信道到达用户端，接收信号为：
[0012][0013]其中，和分别代表基站
‑
用户以及RIS
‑
用户的信道，且和分别表示为：
[0014][0015]以及
[0016][0017]其中，和分别表示基站
‑
用户以及RIS
‑
用户信道的平均路径损耗，和分别表示信道第i个散射分量以及的小尺度衰落幅度值，其服从均值为零、方差为1的复高斯分布。差为1的复高斯分布。代表基站
‑
RIS信道，其中是在智能反射面板端的入射角张成的等效信道，是在基站端的入射角张成的等效信道，参数上标“T”表示转置，参数上标“*”表示共轭，代表RIS反射
系数矩阵，和φ
i
∈[0,2π]分别表示RIS第i个反射元件的幅度和相位调节系数，表示信道的莱斯系数，z为方差为σ2的复高斯白噪声。代表基站端精度为b
‑
bit的量化器处理操作，其提供了由实数集向2
b
个量化点的映射。是模拟波束成形矩阵，可表示为：
[0018]F
RF
＝[f1，f2]ꢀꢀ
(4)
[0019]其中，f1、f2分别代表对用户1和用户2的模拟波束形成器，是有限字符发送信号，满足E[xx
H
]＝E
S
I
k
，其中E
S
为发送信号符号的平均功率，I
k
表示2
×
2的单位矩阵。每个维度的x被调制为等概率、均匀分布的b
‑
bit PAM输入信号，表示为：
[0020][0021]其中，Δ是量化器的量化间隔，b表示量化的比特数，为正整数。
[0022]步骤2、利用波束分裂方法设计部分发射波束；
[0023]发送信号之前，基站端已知的信道信息包括：基站
‑
用户的直接链路的信道状态信息基站
‑
RIS信道(G)，以及RIS
‑
用户完整的信道状态信息在此基础上，基站端移相器网络将原直接指向用户最强到达角方向的波束进行分裂，可表示如下：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能反射面辅助的干扰抵消波束设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、场景假设和信道模型；步骤2、利用波束分裂方法设计部分发射波束；步骤3、设计智能反射面反射系数；步骤4、根据设计的智能反射面反射系数，执行用户干扰抵消发射波束设计方法及功率分配系数设计方法。2.根据权利要求1中所述的智能反射面辅助的干扰抵消波束设计方法，其特征在步骤1中具体如下：考虑混合构型毫米波通信场景，包括单个M个天线的基站、两个单天线的用户和单个配置N个无源反射元件的智能反射面；且两个用户相对于基站在同一波束方向上完全重叠，仅采用传统数字预编码和模拟波束成形无法分辨用户致使用户间干扰严重；基站端的每个射频链路中配置低精度A/D；在下行链路信号传输过程中，基站端基带信号经过射频链路后通过移相器网络映射到M个天线上发射，分别经过基站
‑
用户主达信道和基站
‑
RIS
‑
用户反射信道到达用户端，接收信号为：其中，和分别代表基站
‑
用户以及RIS
‑
用户的信道，且和采用莱斯信道模型；代表基站
‑
RIS信道，其中是在智能反射面板端的入射角张成的等效信道，是在基站端的入射角张成的等效信道，代表RIS反射系数矩阵，和φ
i
∈[0,2π]分别表示RIS第i个反射元件的幅度和相位调节系数，z为方差为σ2的复高斯白噪声；代表基站端精度为b
‑
bit的A/D量化处理操作，其提供了由实数集向2
b
个量化点的映射；是模拟波束成形矩阵，可表示为：F
RF
＝[f1，f2]
ꢀꢀꢀ
(2)这里f1、f2分别代表对用户1和用户2的模拟波束成形矢量；是有限字符发送信号，满足E[xx
H
]＝E
S
I2，其中E
S
为发送信号符号的平均功率，I

【专利技术属性】
技术研发人员：张敏洁，赵楼，刘春山，刘天乐，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：