CN112564758A - 一种采用分布式智能反射面辅助的宽带无线传输方法 - Google Patents

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CN112564758A CN202011335329.5A CN202011335329A CN112564758A CN 112564758 A CN112564758 A CN 112564758A CN 202011335329 A CN202011335329 A CN 202011335329A CN 112564758 A CN112564758 A CN 112564758A
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Abstract

本发明公开了一种采用分布式智能反射面辅助的宽带无线传输方法，适用于无线通信领域。根据大规模多天线毫米波宽带正交频分复用系统下行遍历速率的闭合表达式，评估各系统参数的影响，指导IRS阵面的硬件架设；在宽带系统传输中，用户发送导频信号，估计每个IRS的反射信道，匹配最强时域抽头，以降低复杂度、信道估计开销、反馈量，使用IRS相移矩阵来匹配IRS到用户信道、基站到IRS信道、基站到用户信道，以最大化下行速率。其提供了低信道估计开销、低反馈量、低复杂度的IRS传输方法，使用IRS相移矩阵来匹配IRS到用户信道、基站到IRS信道、基站到用户信道，以最大化下行速率。

Description

一种采用分布式智能反射面辅助的宽带无线传输方法
技术领域
本发明涉及一种宽带无线传输方法，尤其适用于无线通信技术领域使用的一种采用分布式智能反射面辅助的宽带无线传输方法。
背景技术
传统无线通信系统中，通信信道不受使用者控制，通信性能依赖于信道状态。在多天线系统中，IRS技术提供了一种改变无线通信环境的有效方法。IRS兼容于现有通信系统系统，通过在建筑物外墙配置大规模反射阵列实现对无线通信系统的辅助。IRS阵列包含有大量反射单元，其每个反射单元均配置了数字移相器。通过改变移相器的相移，每个IRS单元可以独立改变入射波的相位，从而智能调节IRS阵面反射波的相位特性。
毫米波通信具有更宽的频谱资源，但是高频信道衰减大，易受阻隔、遮挡等不利因素的影响。因此，毫米波通信性能受信道特性影响很大，通信鲁棒性不高。面对这一问题，IRS技术为遮挡场景提供了额外的通信路径。IRS通过改变信号相位使接收端信号同相叠加，可以有效增强接收端的信噪比，提升毫米波通信的鲁棒性。
宽带系统中，时域信道由多径构成，频域信道经历频率选择性衰落，这种非平坦的信道特性影响了通信系统性能。OFDM技术通过划分频域信道，在平坦的频域子载波内处理频域信号，从而克服了频率选择性衰落的影响。另一方面，IRS单元相移器的频率响应是固定的，只能为不同频域子载波提供相同的相移。因此，需要研究IRS在宽带系统中的传输方案，将具有频域平坦特性的IRS应用于频率非平坦的宽带通信。首先，为了实现系统下行速率的最大化，基于IRS与收发端之间的信道状态信息，需要联合优化基站端预编码和IRS相移矩阵。为了便于系统实现，需要给出基站预编码和IRS相移矩阵的闭式解，以减小计算复杂度。进一步，由于IRS不具备射频发射链路，IRS与收发两端之间的信道估计具有挑战性，需要设计相应的宽带IRS信道估计方法。对于分布式IRS辅助系统，还需要考虑多IRS信道的分布式估计方法，以减小多IRS系统的信道估计开销。同时，每个IRS需要根据优化得到的高维度相移矩阵调节IRS数百个反射单元的相移，对于分布式多IRS辅助方案，基站与每个IRS之间高维相移矩阵的大量反馈开销成为系统实现的一个问题。需要设计可行的传输方法，以降低高维IRS相移矩阵的反馈开销。另外，为更好实现系统配置，需要传输速率与各系统参数之间的闭合表达式，便于分析系统性能、指导系统关键参数的配置。
发明内容
发明目的：针对上述技术的不足之处，提供一种有效增强大规模多天线毫米波宽带OFDM系统的下行传输速率，实现各估计信道的时延匹配，有效降低IRS信道估计的训练开销，计算简单，最大化了系统的下行速率的采用分布式智能反射面辅助的宽带无线传输方法。
为实现上述技术目的，本发明的采用分布式智能反射面辅助的宽带无线传输方法，用于大规模多天线毫米波宽带正交频分复用(OFDM)系统中，其包含一个配置NB维天线阵的基站、NS个配置M维阵列的分布式智能反射面(IRS)、一个单天线用户；根据系统下行遍历速率的闭合表达式，评估各系统参数的影响，指导IRS阵面的硬件架设；在宽带系统传输中，用户发送导频信号，估计每个IRS的反射信道，匹配最强时域抽头，以降低复杂度、信道估计开销、反馈量，使用IRS相移矩阵来匹配IRS到用户信道、基站到IRS信道、基站到用户信道，以最大化下行速率。
具体步骤为：
步骤1，设定构建的分布式IRS辅助的大规模多天线毫米波宽带OFDM系统中，第s个IRS和用户之间多径信道的最大时延Ls，时延功率谱为
Figure BDA0002796973900000023
其中
Figure BDA0002796973900000021
是第i个时间抽头上的信道标准差；已知基站和第s个IRS之间的视距信道为：
Figure BDA0002796973900000022
其中，βs是大尺度衰落，λs是信道复增益，as、bs分别是IRS端和基站端的归一化阵列响应向量；
步骤2，计算基站到用户下行遍历速率关于各系统参数的闭合表达式，评估各系统参数的影响：根据系统速率需求，在表达式中代入各系统参数，可以确定达到速率需求的最少IRS阵列单元数，用于指导IRS辅助系统的前期硬件架设，架设完硬件后使用所有IRS单元辅助传输；
步骤3，用户发送上行导频，进行信道估计：基站估计基站到用户的直达信道，所有IRS设为接收模式，分别估计每个IRS到用户的信道；
步骤4，基站对步骤3中分布式估计的信道进行时延匹配：每个IRS根据步骤3中估计的信道信息，设置IRS的相移矩阵，使基站到IRS信道、IRS到用户信道之间的相位匹配，将IRS设为反射模式；之后用户继续发送上行导频，基站估计总时域信道，使用时延估计方法，得到每个IRS对应的时延；
步骤5，基站根据步骤4中得到的每个IRS的时延，计算得到每个IRS所需的匹配相位值，使反射信道与直达信道之间相位匹配，基站将该相位值反馈给对应的IRS；
步骤6，根据步骤5中基站反馈的相位值，再次调整每个IRS的相移矩阵，设为反射模式；用户发送上行导频，基站再次估计上行信道，基站下行使用最大比传输预编码，进行数据传输。
优选的，在步骤2中，下行遍历速率闭合表达式为：
Figure BDA0002796973900000031
其中，Nc是OFDM子载波数量，pt是基站发射功率，
Figure BDA0002796973900000032
是用户接收噪声功率，
Figure BDA0002796973900000033
是IRS到用户信道的大尺度衰落，l0是IRS到用户信道中平均功率最强的信道抽头序号，
Figure BDA0002796973900000034
是第s个IRS到用户信道中最强抽头l0的标准差
Figure BDA0002796973900000035
的估计值，pp是用户导频发射功率，
Figure BDA0002796973900000036
是IRS接收噪声方差，β是基站到用户信道的大尺度衰落，
Figure BDA0002796973900000037
是基站到用户信道对应抽头的信道标准差。
优选的，在步骤3中，每个IRS到用户信道的估计方法为：在每个IRS上分别进行线性最小均方误差LMMSE信道估计，其中第s个IRS阵列上第i个单元对应时域信道的估计式如下：
Figure BDA0002796973900000038
式中，pp是发送导频功率，Λs＝diag(Ps)表示以Ps为对角线元素的对角阵，I表示单位阵，
Figure BDA0002796973900000039
表示离散傅里叶变换矩阵的前Ls列矩阵，(·)H表示共轭转置，φ＝diag(x)表示以频域导频x为对角线元素的对角阵，导频满足φHφ＝I，
Figure BDA00027969739000000310
表示第s个IRS阵列上第i个单元的频域接收信号；
优选的，在步骤4中，根据IRS每单元上的信道估计值
Figure BDA00027969739000000311
得到最强抽头l0上所有单元的估计信道向量
Figure BDA00027969739000000312
设置IRS相移矩阵为：
Figure BDA00027969739000000313
其中，arg(·)表示取相位，*表示共轭，
Figure BDA00027969739000000315
表示Hadamard积。
优选的，之后基站估计总时域信道，减去基站到用户直达信道后，得到时域信道序列h[n]，其中n表示时域抽头序号。为确定第s个IRS的时延，基站用对应的归一化阵列响应向量
Figure BDA00027969739000000314
乘以序列h[n]，基站端选取乘积序列中幅度最大项对应的抽头，即为第s个IRS到用户信道中最强抽头l0对应的时延序号，并将基站到用户直达信道中对应抽头记为
Figure BDA0002796973900000041
优选的，在步骤5中，计算每个IRS反射信道、基站到用户直达信道之间所需的匹配相位值αs如下：
Figure BDA0002796973900000042
其中，
Figure BDA0002796973900000043
是在步骤5中选择的基站-用户直达信道抽头，其时延对应第s个IRS最强抽头l0。
优选的，在步骤6中，设置IRS相移矩阵为：
Figure BDA0002796973900000044
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
1、本发明方法给出了宽带毫米波信道下分布式多IRS辅助的传输方法，增强了大规模多天线毫米波宽带OFDM系统的下行传输速率。该传输方法包括：分布式信道估计方法、IRS相移矩阵设计方法、基站与各IRS之间低反馈方案、下行遍历速率分析方法。
2、本发明方法给出了分布式IRS辅助系统的信道估计方法，该方法将信道估计分散到各个IRS同步进行，并能同时估计出各IRS链路的时延，实现各估计信道的时延匹配，有效降低了IRS信道估计的训练开销；
3、本发明方法给出了系统下行传输的基站预编码与IRS相移矩阵的闭式解，最大化了系统的下行速率，并有效降低了计算复杂度；
4、本发明方法给出的传输方案只需要基站向各IRS间反馈一个相移系数αs，有效降低了高维IRS相移矩阵的反馈开销；
5、本发明方法给出了下行遍历速率的闭合表达式，显式表示了下行遍历速率与各系统参数之间的关系，便于分析系统性能、指导系统关键参数的配置。
附图说明
图1是本发明采用分布式智能反射面辅助的宽带无线传输方法的系统框图；
图2是本发明采用分布式智能反射面辅助的宽带无线传输方法下行遍历速率与IRS阵列单元数的关系图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施范例对本发明做进一步说明：
如图1所示的分布式IRS辅助的大规模多天线毫米波宽带OFDM系统中，包含一个配置NB维天线阵的基站、NS个配置M维阵列的IRS、一个单天线用户；第s个IRS和用户之间多径信道的最大时延Ls，时延功率谱为
Figure BDA0002796973900000051
其中
Figure BDA0002796973900000052
Figure BDA0002796973900000053
是第i个时间抽头上的信道标准差；已知基站到第s个IRS的视距信道Gs。用户发送上行导频，由IRS、基站进行分布式信道估计，根据信道状态信息设置各IRS的相移矩阵，使下行速率最大。
图2给出了下行遍历速率与IRS阵列单元数M之间的关系。设置NS＝3个IRS，各IRS距离基站水平距离20米，与基站夹角见图1中
Figure BDA0002796973900000054
各IRS到用户信道的时延功率谱服从线性衰减，相邻抽头衰减3dB，最大时延分别为Ls＝[3，3，2](s＝0，1，2)。用户距离基站50米。基站天线数NB＝32，OFDM子载波数Nc＝64，系统带宽100兆赫兹。用户导频发射功率pp＝0dBm，基站发射功率pt＝10dBm，IRS接收噪声功率
Figure BDA0002796973900000055
用户接收噪声功率
Figure BDA0002796973900000056
基于上行信道估计得到信道状态信息，设置IRS相移矩阵为最优闭式解，基站使用最大比传输预编码进行数据传输。
本发明的用于大规模多天线毫米波宽带正交频分复用(OFDM)系统中，根据系统下行遍历速率的闭合表达式，评估各系统参数的影响，指导IRS阵面的硬件架设；在宽带系统传输中，用户发送导频信号，估计每个IRS的反射信道，匹配最强时域抽头，以降低复杂度、信道估计开销、反馈量，使用IRS相移矩阵来匹配IRS到用户信道、基站到IRS信道、基站到用户信道，以最大化下行速率。
无线传输方法的具体步骤如下：
(1)计算下行遍历速率的闭合表达式如下：
Figure BDA0002796973900000057
其中，Nc是OFDM子载波数量，pt是基站发射功率，
Figure BDA0002796973900000058
是用户接收噪声功率，
Figure BDA0002796973900000059
是IRS到用户信道的大尺度衰落，l0是IRS到用户信道中平均功率最强的信道抽头序号，
Figure BDA00027969739000000510
是第s个IRS到用户信道中最强抽头l0的标准差
Figure BDA00027969739000000511
的估计值，pp是用户导频发射功率，
Figure BDA00027969739000000512
是IRS接收噪声方差，β是基站到用户信道的大尺度衰落，
Figure BDA00027969739000000513
是基站到用户信道对应抽头的信道标准差。
图2表示系统下行速率与IRS阵列单元数M之间的关系。其中实线、虚线分别表示使用IRS辅助、不使用IRS两种场景下的下行速率闭式结果；“+”、“×”标识分别表示使用IRS辅助、不使用IRS两种场景下的下行速率数值仿真结果。从图2中可以看出，遍历速率闭合表达式可以准确描述系统下行遍历速率的变化规律；基于估计的信道状态信息，使用IRS辅助可以提高系统下行遍历速率，并且随IRS阵列单元数M增加，下行遍历速率逐渐增加。可以根据速率表达式，评估各系统参数的影响：根据系统速率需求，在表达式中代入各系统参数，可以确定达到速率需求的最少IRS阵列单元数，用于指导IRS辅助系统的硬件架设。
(2)用户发送上行导频，进行信道估计：基站估计基站到用户的直达信道，所有IRS设为接收模式，分别估计每个IRS到用户的信道。在每个IRS上分别进行线性最小均方误差(LMMSE)信道估计，其中第s个IRS阵列上第i个单元对应时域信道的估计式如下：
Figure BDA0002796973900000061
式中，pp是发送导频功率，
Figure BDA0002796973900000062
表示以Ps为对角线元素的对角阵，I表示单位阵，
Figure BDA0002796973900000063
表示离散傅里叶变换矩阵的前Ls列矩阵，(·)H表示共轭转置，φ＝diag(x)表示以频域导频x为对角线元素的对角阵，导频满足φHφ＝I，
Figure BDA0002796973900000064
表示第s个IRS阵列上第i个单元的频域接收信号。
(3)基站对(2)中分布式估计的信道进行时延匹配：每个IRS根据每单元上的信道估计值
Figure BDA0002796973900000065
得到最强抽头l0上所有单元的估计信道向量
Figure BDA0002796973900000066
设置每个IRS相移矩阵为：
Figure BDA0002796973900000067
其中，arg(·)表示取相位，*表示共轭，
Figure BDA00027969739000000610
表示Hadamard积。Θs使基站到IRS信道、IRS到用户信道之间的相位匹配，将IRS设为反射模式。
之后用户继续发送上行导频，基站估计总时域信道，减去基站到用户直达信道后，得到时域信道序列h[n]，其中n表示时域抽头序号。为确定第s个IRS的时延，基站用对应的归一化阵列响应向量
Figure BDA0002796973900000068
乘以序列h[n]，基站端选取乘积序列中幅度最大项对应的抽头，即为第s个IRS到用户信道中最强抽头l0对应的时延序号，并将基站到用户直达信道中对应抽头记为
Figure BDA0002796973900000069
(4)基站根据(3)中每个IRS的时延，计算每个IRS反射信道、基站到用户直达信道之间所需的匹配相位值αs如下：
Figure BDA0002796973900000071
其中，
Figure BDA0002796973900000072
是在(3)中选择的基站-用户直达信道抽头，其时延对应第s个IRS最强抽头l0。αs使反射信道与直达信道之间相位匹配，基站将该相位值αs反馈给对应IRS。
(5)每个IRS根据(4)中基站反馈的相位值，再次调整IRS相移矩阵为：
Figure BDA0002796973900000073
每个IRS设为反射模式。用户发送上行导频，基站再次估计上行信道，基站下行使用最大比传输预编码，进行数据传输。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种采用分布式智能反射面辅助的宽带无线传输方法，其特征在于：用于大规模多天线毫米波宽带正交频分复用系统中，其包含一个配置NB维天线阵的基站、NS个配置M维阵列的IRS、一个单天线用户；根据系统下行遍历速率的闭合表达式，评估各系统参数的影响，指导IRS阵面的硬件架设；在宽带系统传输中，用户发送导频信号，估计每个IRS的反射信道，匹配最强时域抽头，以降低复杂度、信道估计开销、反馈量，使用IRS相移矩阵来匹配IRS到用户信道、基站到IRS信道、基站到用户信道，以最大化下行速率。
2.根据权利要求1所述的采用分布式智能反射面辅助的宽带无线传输方法，其特征在于：具体步骤为：
步骤1，设定构建的分布式IRS辅助的大规模多天线毫米波宽带OFDM系统中，第s个IRS和用户之间多径信道的最大时延Ls，时延功率谱为
Figure FDA0002796973890000011
其中
Figure FDA0002796973890000012
是第i个时间抽头上的信道标准差；已知基站和第s个IRS之间的视距信道为：
Figure FDA0002796973890000013
其中，βs是大尺度衰落，λs是信道复增益，as、bs分别是IRS端和基站端的归一化阵列响应向量；
步骤2，计算基站到用户下行遍历速率关于各系统参数的闭合表达式，评估各系统参数的影响：根据系统速率需求，在表达式中代入各系统参数，可以确定达到速率需求的最少IRS阵列单元数，用于指导IRS辅助系统的前期硬件架设，架设完硬件后使用所有IRS单元辅助传输；
步骤3，用户发送上行导频，进行信道估计：基站估计基站到用户的直达信道，所有IRS设为接收模式，分别估计每个IRS到用户的信道；
步骤4，基站对步骤3中分布式估计的信道进行时延匹配：每个IRS根据步骤3中估计的信道信息，设置IRS的相移矩阵，使基站到IRS信道、IRS到用户信道之间的相位匹配，将IRS设为反射模式；之后用户继续发送上行导频，基站估计总时域信道，使用时延估计方法，得到每个IRS对应的时延；
步骤5，基站根据步骤4中得到的每个IRS的时延，计算得到每个IRS所需的匹配相位值，使反射信道与直达信道之间相位匹配，基站将该相位值反馈给对应的IRS；
步骤6，根据步骤5中基站反馈的相位值，再次调整每个IRS的相移矩阵，设为反射模式；用户发送上行导频，基站再次估计上行信道，基站下行使用最大比传输预编码，进行数据传输。
3.根据权利要求2所述的采用分布式智能反射面辅助的宽带无线传输方法，其特征在于：在步骤2中，下行遍历速率闭合表达式为：
Figure FDA0002796973890000021
其中，Nc是OFDM子载波数量，pt是基站发射功率，
Figure FDA0002796973890000022
是用户接收噪声功率，
Figure FDA0002796973890000023
是IRS到用户信道的大尺度衰落，l0是IRS到用户信道中平均功率最强的信道抽头序号，
Figure FDA0002796973890000024
是第s个IRS到用户信道中最强抽头l0的标准差
Figure FDA0002796973890000025
的估计值，pp是用户导频发射功率，
Figure FDA0002796973890000026
是IRS接收噪声方差，β是基站到用户信道的大尺度衰落，
Figure FDA0002796973890000027
是基站到用户信道对应抽头的信道标准差。
4.根据权利要求3所述的采用分布式智能反射面辅助的宽带无线传输方法，其特征在于：在步骤3中，每个IRS到用户信道的估计方法为：在每个IRS上分别进行线性最小均方误差LMMSE信道估计，其中第s个IRS阵列上第i个单元对应时域信道的估计式如下：
Figure FDA0002796973890000028
式中，pp是发送导频功率，Λs＝diag(Ps)表示以Ps为对角线元素的对角阵，I表示单位阵，
Figure FDA0002796973890000029
表示离散傅里叶变换矩阵的前Ls列矩阵，(·)H表示共轭转置，φ＝diag(x)表示以频域导频x为对角线元素的对角阵，导频满足φHφ＝I，
Figure FDA00027969738900000210
表示第s个IRS阵列上第i个单元的频域接收信号；
5.根据权利要求4所述的采用分布式智能反射面辅助的宽带无线传输方法，其特征在于：在步骤4中，根据IRS每单元上的信道估计值
Figure FDA00027969738900000211
得到最强抽头l0上所有单元的估计信道向量
Figure FDA00027969738900000212
设置IRS相移矩阵为：
Figure FDA00027969738900000213
其中，arg(·)表示取相位，*表示共轭，
Figure FDA00027969738900000214
表示Hadamard积。
之后基站估计总时域信道，减去基站到用户直达信道后，得到时域信道序列h[n]，其中n表示时域抽头序号。为确定第s个IRS的时延，基站用对应的归一化阵列响应向量
Figure FDA00027969738900000215
乘以序列h[n]，基站端选取乘积序列中幅度最大项对应的抽头，即为第s个IRS到用户信道中最强抽头l0对应的时延序号，并将基站到用户直达信道中对应抽头记为
Figure FDA00027969738900000216
6.根据权利要求5所述的采用分布式智能反射面辅助的宽带无线传输方法，其特征在于：在步骤5中，计算每个IRS反射信道、基站到用户直达信道之间所需的匹配相位值αs如下：
Figure FDA0002796973890000031
其中，
Figure FDA0002796973890000032
是在步骤5中选择的基站-用户直达信道抽头，其时延对应第s个IRS最强抽头l0。
7.根据权利要求6所述的采用分布式智能反射面辅助的宽带无线传输方法，其特征在于：在步骤6中，设置IRS相移矩阵为：
Figure FDA0002796973890000033
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