【技术实现步骤摘要】
动态超表面天线辅助的近场宽带上行MIMO传输方法
[0001]本专利技术涉及大规模MIMO无线通信领域,特别是动态超表面天线辅助的近场宽带上行MIMO传输方法。
技术介绍
[0002]动态超表面天线是一种全新的无线通信天线范式,其核心技术是可调谐超材料。动态超表面天线可以根据获取的信道状态信息实时调整自身的介电常数和磁导率以表现出一系列理想的波束成形特性。动态超表面天线可用从信道中捕获信号,在模拟域中处理它们,并将它们沿各自的波导传输到数字处理器。相应地,动态超表面天线也可以将由数字处理器产生的信号辐射到信道中。
[0003]动态超表面天线具有需要射频链数目少、功耗低、能效高、成本低、尺寸小和重量轻等优点,能够很好地解决利用现有的混合波束合成技术实施大规模MIMO而带来的传输功耗激增、硬件成本昂贵、铺设面积限制等问题,具有很大的潜力。现有的工作都集中在基于动态超表面天线的远场、窄带的通信传输优化上,而基于动态超表面天线的近场宽带传输很少被探索。
技术实现思路
[0004]有鉴于此,本专利技术的目的在于 ...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.动态超表面天线辅助的近场宽带上行MIMO传输方法,其特征在于,该方法基于宽带大规模MIMO上行单小区系统,以及考虑了近场效应、频率选择衰落和空间宽带效应的信道模型,来构建和速率最大化问题,其中,在基站侧采用动态超表面天线阵列,并且通过联合设计基带波束合成矩阵和动态超表面天线的权重矩阵的方式,来求解该和速率最大化问题,使得近场宽带大规模MIMO上行和速率最大化;所述传输方法包括:步骤S1、给定动态超表面天线的权重矩阵,根据系统和速率最大化准则,基于MWMSE变换求解各个子载波上的基带波束合成矩阵;步骤S2、给定基带波束合成矩阵,根据系统和速率最大化准则,基于矩阵向量化、MM方法和凸优化方法求解动态超表面天线的权重矩阵;步骤S3、循环执行步骤S1
‑
步骤S2直到相邻两次系统和速率之差小于给定阈值;其中,在用户的移动过程中,随着各用户到基站侧的信道状态信息变化,动态实施动态超表面天线辅助的近场宽带上行MIMO传输方法。2.根据权利要求1所述的动态超表面天线辅助的近场宽带上行MIMO传输方法,其特征在于,所述的考虑了近场效应、频率选择衰落和空间宽带效应的信道模型,其具体表达式为:公式(1)中,公式(1)中,其中,a
u,p
(f)以及b
u,p
(f)分别表示考虑了近场效应、频率选择性和空间宽带效应的信道增益和天线阵列的响应矩阵;ξ
m,l,u,p
和A
m,l,u,p
(f)分别表示基站天线第m个微带上的第l个超材料和用户u之间的第p条传输路径的大尺度衰落因子和信道增益系数,p
u,p
和p
m,l
分别表示用户u和基站之间的第p条传输路径的散射体位置和基站天线第m个微带上的第l个超材料的位置,f和f
c
分别表示频率和中心频率,c表示信号传输速度,等于3
×
108;信道增益系数表示为:公式(4)中,Θ
m,l,u,p
=(θ
m,l,u,p
,φ
m,l,u,p
)表示信号从用户u经过第p个反射体反射后到达基站天线第m个微带上的第l个天线单元的高度
‑
方位角,F(Θ
m,l,u,p
)表示为
Γ
u,p
(f)指在用户u的第p条路径上的反射体的反射系数,表示为公式(6),n
t
是折射率,是反射面的粗糙度系数,cosφ
i,u,p
和cosφ
t,u,p
分别是用户u的信号在第p个反射物体上的入射角和反射角。3.根据权利要求2所述的动态超表面天线辅助的近场宽带上行MIMO传输方法,其特征在于,所述和速率最大化问题,其定义为第一优化问题,该问题的具体表示为:公式(7)中,目标函数是基于动态超表面天线的宽带大规模MIMO上行系统的和速率,S表示子载波数目,Δ
B
表示子载波间隔,表示为带宽B比上子载波数目S;I
U
为U
×
U的单位矩阵,σ2为噪声的方差,P
t
表示发射功率,U为小区中用户数;表示第s个子载波的信道矩阵,表示第s个子载波的基带波束合成器,描述了信号在微波传输带上传播的频率选择效应,表示动态超表面天线的权重矩阵;log为对数运算,|
·
|为取矩阵行列式运算。4.根据权利要求3所述的动态超表面天线辅助的近场宽带上行MIMO传输方法,其特征在于,所述步骤S1具体包括:步骤S101、利用MWMSE变换,得到和速率最大化的等效均方误差和最小化问题:在公式(8)中,E
s
(Q,W
s
)是一个均方误差和矩阵,其具体表达式为:
M
s
是一个加权辅助矩阵,由公式(10)得到,其表达式为:步骤S102、当给定动态超表面天线的权重矩阵优化各个子载波上的基带波束合成矩阵,得到基于MWMSE变换的系统和速率的优化问题,其中,该问题定义为第二优化问题,该第二优化问题的具体表示为:给定E
s
(Q,W
s
)和M
s
时,W
s
,由下式给出步骤S103、通过对均方误差和矩阵E
s
(Q,W
s
)、加权辅助矩阵M
s
和基带波束合成矩阵W
s
,的迭代更新,得到满足相邻两次迭代结果之差小于给定阈值的基带波束合成矩阵,作为动态超表面天线的权重矩阵给定时,最大化系统和速率的基带波束合成矩阵的解。5.根据权利要求4所述的动态超表面天线辅助的近场宽带上行MIMO传输方法,其特征在于,所述步骤S2具体包括:步骤S201、当给定基带波束合成矩阵时,得到优化动态超表面天线的权重矩阵以最大化系统和速率的问题,利用MWMSE变换得到等效的均方误差和最小化问题,该问题定义为第三优化问题,具体表示为:三优化问题,具体表示为:三优化问题,具体表示为:步骤S202、...
【专利技术属性】
技术研发人员:尤力,徐洁,潜梦羽,黄珂琳,叶育琦,王闻今,
申请(专利权)人:东南大学,
类型:发明
国别省市:
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。