[发明专利]一种大规模MIMO系统中智能反射面相移矩阵自适应设计方法

说明书

本发明提供了一种大规模MIMO系统中智能反射面相移矩阵自适应设计方法。在下行链路中，基站通过大规模天线阵列发射信号，智能反射面对接收信号进行移相操作，再反射给用户。本发明根据相应的通信环境，自适应地选择优化相移矩阵设计或者随机相移矩阵设计方法。优化相移矩阵设计通过发射一个单频信号，在最大化用户端接收功率的准则下，优化智能反射面的相移矩阵。随机相移矩阵设计随机确定每个反射元件的相位。本发明操作简单，计算复杂度低，两种相移矩阵设计方法都能够获得较高的功率效率和频谱效率，且无需智能反射面的任何信道状态信息，对采用智能反射面的大规模MIMO通信系统的设计与实现具有重要意义。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种大规模MIMO系统中智能反射面相移矩阵自适应设计方法。

背景技术

作为第五代(5G)和未来移动通信的一个关键技术，大规模MIMO(多输入多输出)技术可以通过大规模天线阵列实现宽小区覆盖，同时利用空间自由度获得高频谱效率。大规模MIMO系统的这些优点，可以满足未来5G时代中飞速增长的数据传输需求。然而，在实际通信系统中，不可避免地会出现一些遮挡或障碍，例如建筑，树木，汽车，甚至动物等等。为了解决这一问题并保障流畅的用户体验，典型的解决方案是添加额外的传输链路来维护通信链接。例如,可以在通信信号较差的地区引入转发中继，接收微弱信号后进行放大，并将其转发到下一个中继或接收终端。

作为一种特殊的中继，大规模智能反射面技术发展迅速。智能反射面由大量低成本、高效的可重构反射元件组成，在对接收电磁波信号进行反射的同时，通过智能控制器对冲击电磁波实现可控的相移。值得注意的是，在过去，无源反射面在雷达和卫星通信中有着广泛的应用，但在地面无线通信中却鲜有应用。其原因是传统的反射面只有固定的移相器，不能适应地面通信环境的实时变化。然而，随着通信技术的最新发展，通过实时控制移相器，反射元件的重构成为可能。智能反射面能够实时调整反射元件的相位变化，使反射信号在期望的接收端相干叠加，从而大大提高无线通信的能量效率。值得一提的是，智能反射面上的入射信号不需要缩放就可以反射，使用极低的功耗就能够改善传播环境。此外，智能反射面可以应用全双工模式，而不会产生自干扰。因此，和传统的转发中继相比，智能反射面是一种更经济、更有效的选择。在某种程度上，智能反射面能够取代传统无线通信系统中的射频模块，改革无线通信体系结构，为未来的通信网络提供了新的机遇。

在实际通信系统中，为了降低硬件成本，通常为智能反射面的每个反射元件配置一个数字移相器。和模拟移相器不同，数字移相器只能进行有限的相位调整。此外，由于智能反射面只对信号进行被动地接收转发，其信道向量难以估计。如何在未知信道向量的前提下，设计智能反射面的相移矩阵，使通信系统获得最优的能量效率和频谱效率，是一个值得研究的课题。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提供了一种大规模MIMO系统中智能反射面相移矩阵自适应设计方法，其算法简单，且能够获得良好的功率效率和频谱效率。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种大规模MIMO系统中智能反射面相移矩阵自适应设计方法，该方法包括如下步骤：

(1)在信号传输之前进行相移矩阵设计，包括如下步骤：

(1.1)智能反射面配置N个反射单元，每个反射单元配置一个量化精度为B的数字移相器，在满足条件时，按如下步骤进行优化相移矩阵设计：

步骤(a)，基站从任意天线发射一个单频信号x，经过智能反射面反射后被用户接收，接收信号为：

y＝h^HΘg_Rx+n

其中，为基站到反射面的信道向量，为反射面到用户的信道向量，是智能反射面的相移矩阵，θ_i表示第i个移相器的相位，n表示热噪声，i＝1,2,…,N，θ_i∈Ω，Ω＝{0,2δ，…,(2^B+1-2)δ}是数字移相器可选相位的码本，为移相间隔。