一种智能反射面辅助毫米波大规模MIMO下行链路容量优化的传输方法技术

本发明专利技术公开了一种智能反射面辅助毫米波大规模MIMO下行链路容量优化的传输方法。首先，输入发射端基站天线数目、接收端用户数目、智能反射面反射单元数目、发送端信噪比、噪声功率、基站到IRS的距离以及IRS到用户的距离等参数；其次，根据生成的信道设计出最优的IRS反射相移；最后，根据最优的反射相依矩阵得到系统的等效信道，然后根据等效信道设计发射端的预编码矩阵使得系统容量最大化。本发明专利技术提出一种适用于毫米波信道下的传输方案，具有传输速度高、复杂度低和易于实现的优点。复杂度低和易于实现的优点。复杂度低和易于实现的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种智能反射面辅助毫米波大规模MIMO下行链路容量优化的传输方法


[0001]本专利技术涉及一种智能反射面(IRS)辅助毫米波大规模MIMO(Multiple
‑
Input
‑
Multiple
‑
Output)下行链路容量优化的传输方法，属于无线通信


技术介绍

[0002]智能反射面技术、毫米波技术以及大规模MIMO技术三者都是5G的关键技术之一，近年来得到了广泛的研究。随着无线技术的不断发展，人们对网络速率的要求也越来越高，从而对无线通信系统的容量要求也就大大提升。在5G移动通信系统中，由于有更快的速率要求，大多采用毫米波来进行数据通信。在这样的通信系统中，有一处较大的短板就是：在传输过程中，毫米波容易被遮挡，这将会很大程度上造成信号的衰减。为了解决这个短板，将智能反射面技术和大规模MIMO技术相结合是一个不错的选择。
[0003]大规模MIMO技术不仅能够同时为多个用户服务，而且能得到超高的增益。但是，如果信号在传输过程中经历的衰落过大时，大规模MIMO技术带来的增益将会不值一提。此时，为了满足通信需求，便需要加大发射端的发射功率或者是增加天线数目以获得更高的增益，这无非会带来更高的能量消耗。
[0004]智能反射面技术则能在一定程度上节省资源。智能反射面是由许多个反射单元组成，尺寸很小，十分容易部署，可以轻松的安装在墙壁上或者是天花板上。每个反射单元的相移都能够被单独设置以自适应动态的无线信道环境，将智能反射面技术应用到毫米波技术中，可以顺利解决信号在通信中易衰落的问题。
[0005]智能反射面技术在近年来受到广泛的关注。在“GUO H,LIANG Y C,CHEN J,et al.Weighted Sum
‑
Rate Maximization for Intelligent Reflecting Surface Enhanced Wireless Networks；proceedings of the 2019IEEE Global Communications Conference(GLOBECOM),F9
‑
13Dec.2019,2019[C].”中，作者研究了一种IRS辅助的多用户多输入单输出下行通信系统，通过联合优化基站的有源波束赋形和IRS的无源波束赋形，使得所有用户的加权和速率最大化。在“GUO B,LI R,TAO M.Joint Design of Hybrid Beamforming and Phase Shifts in RIS
‑
Aided mmWave Communication Systems；proceedings of the 2021IEEE Wireless Communications and Networking Conference(WCNC),F 29March
‑
1 April 2021,2021[C].”中，研究了通过联合优化基站处的混合波束赋形和IRS反射相移矩阵，在满足通信要求的情况下，能够达到基站处的发射功率最小化。
[0006]2020年在“ZHANG S,ZHANG R.Capacity Characterization for Intelligent Reflecting Surface Aided MIMO Communication[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2020,38(8):1823
‑
38.”中，作者提出了一种交替迭代算法优化IRS的相移矩阵和发射预编码矩阵，能够得到系统容量的局部最优解，但复杂度较高。

技术实现思路

[0007]专利技术目的：针对IRS辅助大规模MIMO下行系统中的容量优化问题，一种RIS反射相移矩阵的设计，该方法复杂度低且具有可行性，尤其适用于毫米波衰落信道。
[0008]为了解决上述问题，本专利技术采用的技术方案是：一种智能反射面辅助毫米波大规模MIMO下行链路容量优化的传输方法，应用于IRS辅助大规模MIMO系统的下行链路中。
[0009]该设计方法包括如下步骤：
[0010]一种智能反射面辅助毫米波大规模MIMO下行链路容量优化的传输方法，包含以下步骤：
[0011]步骤1：在毫米波大规模MIMO系统的下行链路中，基站配置N根天线且发射功率为p，IRS为智能反射面，IRS处有M个反射单元，基站和IRS同时为K个单天线用户服务，基站到用户的直达径信道为H
BU
，且基站到IRS的信道为H
BI
，且IRS到用户的信道为H
IU
，且其中，为K
×
N维的复数矩阵，为M
×
N维的复数矩阵，为K
×
M维的复数矩阵；
[0012]步骤2：根据H
BU
、H
BI
和H
IU
计算参数H和h，其中计算参数H和h，其中为M
×
M维的复数矩阵，为M
×
1维的复数向量；
[0013]步骤3：引入辅助变量α并求出α的最佳值；
[0014]步骤4：根据求出的辅助变量α的最佳值求出最佳相移向量v
opt
的值；
[0015]步骤5：根据v
opt
得到相移矩阵Φ，计算系统的等效信道，根据等效信道设计发射端的预编码矩阵，从而使得系统的容量能够达到最大值；
[0016]步骤6：计算信道容量。
[0017]进一步，步骤2具体为：
[0018]步骤201：根据H
BI
和H
IU
计算H：
[0019][0020]其中，H
BI,i
是H
BI
的第i列，为H
BI,i
的共轭，为H
IU
的共轭转置；diag(
·
)表示将一个向量转换成一个对角矩阵，对角线元素为该向量；(
·
)
*
表示求矩阵的共轭；(
·
)
H
表示求矩阵的共轭转置；
[0021]步骤202：根据H
BU
、H
BI
和H
IU
计算h：
[0022][0023]其中，H
BU,i
表示H
BU
的第i列。
[0024]进一步，步骤3具体为：
[0025]步骤301：根据H得到A
H
A的表达式为：
[0026]A
H
A＝H+αI
[0027]其中，A为满足上式条件的矩阵，I表示M维的单位矩阵；
[0028]步骤302：利用cholesky分解求解矩阵A：
[0029][0030]步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能反射面辅助毫米波大规模MIMO下行链路容量优化的传输方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1：在毫米波大规模MIMO系统的下行链路中，基站配置N根天线且发射功率为p，IRS为智能反射面，IRS处有M个反射单元，基站和IRS同时为K个单天线用户服务，基站到用户的直达径信道为H
BU
，且基站到IRS的信道为H
BI
，且IRS到用户的信道为H
IU
，且其中，为K
×
N维的复数矩阵，为M
×
N维的复数矩阵，为K
×
M维的复数矩阵；步骤2：根据H
BU
、H
BI
和H
IU
计算参数H和h，其中计算参数H和h，其中为M
×
M维的复数矩阵，为M
×
1维的复数向量；步骤3：引入辅助变量α并求出α的最佳值；步骤4：根据求出的辅助变量α的最佳值求出最佳相移向量v
opt
的值；步骤5：根据v
opt
得到相移矩阵Φ，计算系统的等效信道，根据等效信道设计发射端的预编码矩阵，从而使得系统的容量能够达到最大值；步骤6：计算信道容量。2.如权利要求1所述的一种智能反射面辅助毫米波大规模MIMO下行链路容量优化的传输方法，其特征在于：步骤2具体为：步骤201：根据H
BI
和H
IU
计算H：其中，H
BI,i
是H
BI
的第i列，为H
BI,i
的共轭，为H
IU
的共轭转置；diag(
·
)表示将一个向量转换成一个对角矩阵，对角线元素为该向量；(
·
)
*
表示求矩阵的共轭；(
·
)
H
表示求矩阵的共轭转置；步骤202：根据H
BU
、H
BI
和H
IU
计算h：其中，H
BU,i
表示H
BU
的第i列。3.如权利要求1所述的一种智能反射面辅助毫米波大规模MIMO下行链路容量优化的传输方法，其特征在于：步骤3具体为：步骤301：根据H得到A
H
A的表达式为：A
H
A＝H+αI其中，A为满足上式条件的矩阵，I表示M维的单位矩阵；步骤302：利用cholesky分解求解矩阵A：步骤303：计算矩阵A的逆矩阵，将变量v用一个新变量x表示：x＝v+A
‑1A
‑1h步骤304：求解的上界，表示求欧里几德范数，并将上界表达式记为f(α...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文策，祁金燕，鲍煦，夏景，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：