[发明专利]一种智能反射表面辅助的太赫兹通信系统设计方法

说明书

本发明属于高频无线通信技术领域，具体涉及一种智能反射表面辅助的太赫兹通信系统设计方法。本发明的方案是，通信系统包括装配有N_BS个天线的基站、由N_IRS个反射阵元构成的智能反射表面和装配有N_MS个天线的移动用户端，基站通过智能反射表面将信号发送到移动用户端，本发明以最大化下行传输数据速率为目标，建立联合优化函数，并通过梯度下降法优化系统传输数据速率最大化的问题。相对于传统技术，本发明的方案能够大幅度降低IRS相位搜索的复杂度，在每次迭代过程中通过选择泰勒展开自适应计算步长的大小，可在该智能反射表面辅助的太赫兹通信系统下行链路中达到接近遍历搜索算法实现的最优数据传输速率。

技术领域

本发明属于高频无线通信技术领域，具体涉及一种智能反射表面(IntelligentReflecting Surface,IRS)辅助的太赫兹通信系统设计方法。

背景技术

随着无线通信技术的高速发展，学术界和工业界越来越关注于高频段频谱资源(如：太赫兹)的开采与利用。太赫兹通信在实际应用中面临一些挑战：由于严重的路径衰减和分子吸收损耗，太赫兹通信受限于短距离室内场景；然而，由于太赫兹波的方向性强、衍射差，太赫兹波易于被室内障碍物(如家具，墙)。为了解决这个问题，IRS被学术界和工业界提出，它可有效的提高通信系统的覆盖能力和频谱效率。具体来说，IRS可通过控制其阵元对波束的相位偏转以调节太赫兹波束的传播方向。一种最直接的调节方式就是采用遍历搜索算法，通过搜索IRS所有阵元可能的相位组合，以找到最优的系统数据传输速率。但是遍历搜索算法消耗极高的计算复杂度。为降低复杂度，我们发明了一种基于泰勒展开的梯度下降算法。该算法是一种对传统固定步长的梯度下降算法的改进算法，可在每次迭代过程中自适应的选择最佳步长。在步长的选择中，该算法将目标函数，即系统数据传输速率通过一系列矩阵变换，然后二阶泰勒展开，以找到局部最优解。相比于传统的梯度下降法，所提基于泰勒展开的梯度下降法可有效减小迭代次数，可在较低计算复杂度的条件下提高太赫兹通信系统下行链路的数据传输速率。

发明内容

本发明的目的是，针对太赫兹通信系统传输速率的优化问题，提供一种基于泰勒展开的梯度下降算法算法来降低IRS阵元相位搜索的复杂度。通过在每次迭代过程中对太赫兹通信系统数据传输速率式泰勒展开寻求最佳步长，本发明可以大幅度降低IRS相位搜索的复杂度，并且本发明在IRS辅助的太赫兹MIMO系统中实现的数据传输速率性能可接近遍历搜索算法实现的最优数据传输速率性能。

本发明采用的技术方案为：

一种智能反射表面辅助的太赫兹通信系统设计方法，如图1所示，所述通信系统包括装配有N_BS个天线的基站、由N_IRS个反射阵元构成的智能反射表面和装配有N_MS个天线的移动用户端，基站通过智能反射表面将信号发送到移动用户端，太赫兹波在整个无线传输路径中只被智能反射表面反射一次，则基站端发射N_s条数据流给移动用户端时，移动用户接收到的信号向量为

其中，表示基站与智能反射表面之间的信道矩阵，表示移动用户端与智能反射表面之间的信道矩阵，ρ表示平均接收功率，表示噪声向量并且服从(0,δ²)的高斯分布，表示混合预编码矩阵，表示智能反射表面的相位偏转矩阵，对于N_IRS×N_IRS维的对角矩阵Φ，表示IRS反射阵元的反射系数，表示每一阵元对波束的相位偏转；

移动用户采用N_s条射频链以及与射频链相连的模拟移相器对接收信号y₁进行处理，处理后的信号为

其中表示混合联合矩阵，由模拟联合矩阵和数字联合矩阵两部分构成；