[发明专利]基于智能反射面和发射端的联合波束赋形与空间调制方法

说明书

本发明涉及本文提出了一种基于智能反射面和发射端联合波束赋形与接收端空间调制方法，本方法基于最大系统接收信噪比对发射端波束赋形和智能反射面相角进行了优化设计。针对智能反射面连续相移和离散相移两种情况，给出了贪婪检测和基于穷举搜索的最大似然检测方案。本发明提供的方法利用了空间调制，有效避免了多天线传输中信道间干扰的问题，充分利用空域资源，提供了有效的数据传输速率。此外，使用发射端和智能反射面上的联合波束赋形，提高了信号质量，保证了可靠通信。

技术领域

本发明涉及一种智能反射面MIMO无线通信系统的空间调制及联合波束赋形方法，属于无线通信领域。

背景技术

第五代移动通信(5G)技术已在许多国家和地区大规模部署，极大地提高了信息传输速率，现有的大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Out，MIMO)技术，通过大规模天线阵列实现信息的传送和接收，增大了功率增益；但波束赋形所需的传统相控阵列，因功耗及硬件成本限制了MIMO的天线阵列规模，使得MIMO技术的优势不能得到有效发挥。

智能反射面被认为是传统相控阵列一种有前途的替代技术，智能反射面上有大量小型、低成本的无源反射单元，反射单元仅通过可调相移反射入射信号，而无需使用专用的能量源进行射频(RF)处理、解码、编码等操作。通过智能地调整所有反射单元的相移以适应动态无线信道，智能反射面反射的信号可以在用户接收器上和非反射信号叠加或抵消，以提高所需的信号功率或抑制信道干扰，从而大幅提升无线网络性能。近几年国内外学者关于智能反射面的研究已经得出了一些成果。具体来说，Basar首先提出了智能反射面充当接入点以及智能反射面在双跳通信中辅助信息传送两个概念，文章表明，基于智能反射面的信号传输可以有效提高接收信噪比，并实现超可靠通信。Basar进一步提出了智能反射面空间移位键控(IRS-SSK)和智能反射面空间调制(IRS-SM)方案，利用智能反射面不仅提高了信号质量，而且根据信息比特选择特定的接收天线索引，实现索引调制(IM)。Wu和Zhang等人针对多发射天线系统中智能反射面的优化进行了研究，对于智能反射面增强型多输入单输出(MISO)无线系统，通过联合优化接入点的(有源)发射波束赋形和智能反射面的(无源)反射波束成形，最大限度地提高用户接收的总信号功率，并在后续的研究中考虑了离散相移的情况。

但是，上述关于智能反射面的研究无一是在MIMO系统中进行的，为了在波束赋形的同时显示MIMO系统的优势，本发明考虑在空间调制之外加入智能反射面进行联合波束赋形辅助MIMO系统的通信。

发明内容

本发明的目的是：解决传统波束赋形成本过高，复杂性过大等问题及其对MIMO天线阵列规模的限制，同时也为了进一步提高信噪比，降低误码率。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于智能反射面和发射端的联合波束赋形与空间调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立智能反射面MIMO无线通信系统模型：MIMO系统中，具有N_T根天线的基站与N_R根天线的接收端在智能反射面的辅助下进行通信；MIMO系统收发端之间的信道分为两个子信道：智能反射面与基站之间的子信道T，接收端与智能反射面之间的子信道经空间调制后，第k根天线的接收信号为：

y_k＝r_kPTws+n_k (1)

其中，本发明将第个反射单元上的反射相移系数建模为θ_i∈[0,2)，幅度系数ρ∈[0,1]，代表智能反射面上的相移反射矩阵，在考虑最大反射的情况下，本发明将设为1，w是波束赋形向量，s代表发送符号，其均值为0，方差为1；n_k为高斯白噪声，均值为0，方差为σ²。

(2)考虑连续相移与离散相移两种方案，在发射端与智能反射面进行联合波束赋形，以最大化信噪比(接收功率)，并将连续方案下的波束赋形优化描述为问题(P1)：