[发明专利]一种基于毫米波MIMO系统上行链路的波束赋形设计方法

说明书

本发明公开一种基于毫米波MIMO系统上行链路的波束赋形设计方法，首先输入基站天线数目，用户数目、可重构超表面单元数目以及信道状态矩阵；其次，利用信道状态矩阵，计算使得系统频谱效率最大的被动波束赋形参数；最后，输出最佳的可重构超表面相移矩阵。本发明能够解决毫米波信道下信号易衰减的问题，适用于毫米波通信系统，该方法具有收敛速度快、系统频谱效率高等优点。

技术领域

本发明涉及一种适用于可重构超表面辅助毫米波大规模MIMO系统上行链路中被动波束赋形的设计方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

近年来，随着手机、平板等移动设备数量的迅猛增加，人们对数据传输速率的要求也越来越高，这就促使移动通信领域发展迅速。目前，第五代移动通信系统（5G）的相关研究正在积极展开。其中，5G物理层核心技术之一为大规模MIMO。通过在基站处部署大量的天线，大规模MIMO系统可以利用额外的自由度，并行传输多个数据流，同时提高分集增益，从而可以极大的增加频谱利用率、提高传输可靠性并改善系统的能量效率。

由于需要传输的数据越来越多，在传输过程中难免会造成一些信号的损耗。为了改善接收端的接收信号，可以在基站处对信号进行预处理。在传统的大规模MIMO系统中可以使用混合波束赋形，虽然可以改善系统的性能，但是在毫米波信道中，由于信号易被遮挡，当用户到基站之间没有直达径时，系统损耗将会急剧上升。通过使用可重构超表面辅助大规模MIMO通信，将传统的模拟波束赋形放在可重构超表面处，系统的频谱效率将会大大提升。在“ZENG S, ZHANG H, DI B, et al. Reconfigurable Intelligent Surface(RIS) Assisted Wireless Coverage Extension: RIS Orientation and LocationOptimization [J]. IEEE Communications Letters, 2021, 25(1): 269-73”中，指出在可重构超表面辅助的大规模MIMO下行链路系统中，加入可重构超表面能够有效提升系统覆盖范围，证明了在大规模MIMO系统中加入可重构超表面的可行性。

然而混合波束赋形存在的挑战之一是：模拟波束赋形具有恒模约数，导致整个优化问题非凸，很难求解。

发明内容

发明目的：针对毫米波大规模MIMO系统中信号易被遮挡问题，本发明提出一种基于毫米波MIMO系统上行链路的波束赋形设计方法，该方法适用于毫米波系统，能够有效提高系统频谱效率。

技术方案：一种基于毫米波MIMO系统上行链路的波束赋形设计方法，包含以下步骤：

步骤S1：在大规模MIMO系统的上行链路中，基站配置根天线，可重构超表面有个反射单元，可重构超表面辅助基站为个单天线用户提供服务；

步骤S2：初始化可重构超表面反射单元相位；

步骤S3：对可重构超表面的个反射单元的相位做循环；

步骤S4：计算等效信道容量对每个可重构超表面反射单元相位的偏导数，表示第个反射单元的相位，表示偏导数符号；

步骤S5：根据步骤S4计算所得偏导数，更新反射单元的相位值；

步骤S6：根据步骤S5中更新所得的反射单元相位值计算可重构超表面相移矩阵；

步骤S7：计算当前可重构超表面条件下的等效信道容量及系统频谱效率；

步骤S8：重复步骤S3-S7，直至收敛。

优选的，步骤S4中计算偏导数的具体步骤为：

步骤401：计算等效信道容量：

其中，是单位阵；表示用户到基站的信道；表示可重构超表面到基站的信道；表示可重构超表面反射单元相移矩阵；表示用户到可重构超表面的信道；