[发明专利]一种智能反射面MISO无线通信系统的信道容量优化方法

说明书

本发明公开了一种智能反射面MISO无线通信系统的信道容量优化方法，首先，建立智能反射面MISO无线通信系统模型；其次，使用波束赋形发射策略表征信道容量，建立信道容量优化数学模型；所述信道容量与发射波束赋形向量v及反射矩阵Φ有关，并将信道容量优化描述为问题(P1)；然后，将问题(P1)分解为优化发射波束赋形向量v和优化反射矩阵Φ两个子优化问题，得出v和Φ的最优解；最后，对两个子优化问题进行交替迭代优化直到收敛，此时的Φ为最优反射矩阵，从而得到问题(P1)的最终优化结果。本发明通过调节反射矩阵的反射系数使得系统性能最优；采用的交替优化算法适用于配置反射矩阵，计算复杂度低，有效改善了智能反射面系统的性能。

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种智能反射面MISO无线通信系统的信道容量优化方法。

背景技术

大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Out,MIMO)技术是未来无线通信的发展方向。大规模MIMO是在基站采用大规模天线阵列，同时服务多个用户的一种前沿通信技术，提供了可观的功率增益，提高了数量级的频谱效率。然而，在现有的大规模MIMO无线通信系统中，用于波束赋形的传统相控阵列需要数百个高分辨率移相器和复杂的馈电网络。因此，这些移相器的高功耗和硬件成本以及复杂的馈电网络限制了实际应用中的大规模MIMO系统的天线阵列规模，这意味着大规模MIMO技术的潜在优势无法得到充分的利用。

近年来，智能反射面被认为是替代传统相控阵的一个有前途的替代技术。智能反射面是由大量超低功耗的可重构近似无源单元组成的一个平面阵列，智能反射面的每个单元可以独立地通过智能控制器改变入射信号的相位，甚至是实时调控任意相位，并将其智能反射到目的接收端。无线通信系统的传播环境一直被视为是不可控的，但智能反射面单元的可重构性使得收发端之间的无线传播环境的智能重构成为可能，这对于无线通信具有非常大的吸引力。此外，无线电频率微机电系统和超材料的发展可以实现智能反射面的可重构性。智能反射面不仅可以提高光谱和能源效率，也缓解了硬件成本负担。针对智能反射面，近三年来国内外学者已经做出了一些研究成果。T.J.Cui等人基于可重构智能表面的物理和电磁特性，提出了不同场景下可重构智能表面辅助的无线通信系统的自由空间路径损耗模型，路径损耗的实验测量是在微波暗室中进行的，虽然在实际应用中相对困难，但实验结果为可重构智能表面自由空间路径损耗模型的进一步理论研究奠定基础。L.Dai等人搭建了一个基于智能反射面的无线通信平台，发射信号经过馈源照射至可重构智能表面，在表面激励起电磁信号，控制电路控制可重构智能表面的导电状态，不同的导电状态对电磁信号产生不同的相移，从而实现具有极高增益的定向波束，但研究主要基于测量，对于智能反射面的性能研究没有太深入。R.Zhang等人针对智能反射面的优化研究进行了大量工作，提出了如何最小化接入点发射功率、最大化可达速率、能量收集接收器接收加权和功率的方法，然而这些研究基于的智能反射面无线通信系统模型相对简化，因此对智能反射面的研究还有很大的空间。

发明内容

发明目的：本发明提供一种智能反射面MISO无线通信系统的信道容量优化方法，能得到智能反射面无线通信系统信道容量的最优，为分析智能反射面系统性能提供了理论基础。

技术方案：本发明所述的一种智能反射面MISO无线通信系统的信道容量优化方法，包括以下步骤：

(1)建立智能反射面MISO无线通信系统模型；所述系统中智能反射面上的无源可重构单元各自独立地引起入射信号的相移，反射信号的方向随之改变；所述系统收发端间的信道分为三个子信道；

(2)使用波束赋形发射策略表征信道容量，建立信道容量优化数学模型；所述信道容量与发射波束赋形向量v及反射矩阵Φ有关，并将信道容量优化描述为问题(P1)；

(3)将问题(P1)分解为优化发射波束赋形向量v和优化反射矩阵Φ两个子优化问题，得出v和Φ的最优解；

(4)对两个子优化问题进行交替迭代优化直到收敛，此时的Φ为最优反射矩阵，从而得到问题(P1)的最终优化结果。