CN113014525B - 一种智能反射表面系统中干扰抑制方法 - Google Patents

一种智能反射表面系统中干扰抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种智能反射表面系统中干扰抑制方法，针对传播环境中存在智能反射表面的ZP‑OFDM系统，当其智能反射表面配置的每个单元的反射系数变化时，系统产生子载波间干扰；本发明基于配置前后参数的不同，通过构建子载波间干扰抑制矩阵，抑制由于反射系数变化所等效的时变信道对系统性能的影响，从而获得较好的系统误码率和吞吐量性能。

Description

一种智能反射表面系统中干扰抑制方法
技术领域
本发明涉及在智能反射表面通信环境下无线通信系统中接收端干扰抑制技术领域，特别涉及一种智能反射表面系统中干扰抑制方法。
背景技术
正交频分复用(OFDM)被广泛应用于第4/5代移动通信系统中。OFDM一般采用插入循环前缀来实现OFDM系统的循环扩展，从而消除多径信道带来的符号间干扰和子载波间干扰。由于OFDM技术本身的特点，如果信道在一个OFDM符号周期内是非时变的，那么一定长度的循环前缀可以很容易的保持子载波之间的正交性。
在智能反射表面通信环境下，一般存在直射路径与反射路径，每个智能反射单元能够独立地控制相应的反射系数。在每个单元的相位，振幅的转换过程中，通常在物理上存在一定的反射系数转换时间。此时，由于在一个OFDM符号周期内，等效信道是时变的，从而导致了严重的子载波间干扰。目前大部分已有方法仅仅针对同步偏差和多普勒效应等OFDM系统中引起子载波间干扰的原因进行了分析和研究。本发明针对由于智能反射表面系数切换时间而导致的等效信道时变所造成的子载波间干扰，提出相应的干扰抑制方法，具有较强的实际应用意义。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种智能反射表面系统中干扰抑制方法。本发明提出干扰抑制方法可有效地抑制由于智能反射表面系数切换时间而导致的等效信道时变所造成的子载波间干扰和符号间干扰。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请公开了一种智能反射表面系统中干扰抑制方法，包括如下步骤：
S1、在ZP-OFDM系统中，发送端发送频域OFDM符号X，经离散傅立叶反变换后的时域信号为x(i)；
S2、在时域信号x(i)后加入Ng个零，构成ZP-OFDM时域发送信号s(i)，即
Figure BDA0002975641180000021
其中，IN×N为N×N的单位矩阵；
S3、进行数学建模，将发送端-智能反射表面-接收端等效信道参数hRIS表示为：
Figure BDA0002975641180000022
其中hin＝[h0,in … hM-1,in]为M×1矢量，M为智能反射表面反射单元个数，hi,in表示发送-智能反射表面第i个反射单元的等效信道系数；href＝[h0,ref … hM-1,ref]为M×1矢量，hi,ref表示智能反射表面第i个反射单元-接收端的等效信道系数；
Figure BDA0002975641180000023
为智能反射表面第i个反射单元的反射复系数，βi为其模值，θi为其相角；
S4、当智能反射表面系数切换时，定义系数切换时长为d，智能反射表面的反射系数由
Figure BDA0002975641180000024
切换为
Figure BDA0002975641180000025
则相应的等效信道系数由hRIS切换为h′RIS，定义
Figure BDA0002975641180000026
Figure BDA0002975641180000027
在接收端，计算给智能反射表面各个单元配置的反射系数前后的等效
Figure BDA0002975641180000028
和
Figure BDA0002975641180000029
即：
Figure BDA0002975641180000031
Figure BDA0002975641180000032
其中
Figure BDA0002975641180000033
和hin都可以通过相应的信道估计算法获得；
S5、采用线性内插的方式对智能反射表面系数切换时长d内的时变特性进行建模，
即：
Figure BDA0002975641180000034
Figure BDA0002975641180000035
其中0≤k≤d为采样索引值。
S6、对接收到的时域接收信号y(i)做处理：
S61、y(i)的后Ng个采用信号可以表示为：
Figure BDA0002975641180000036
S62、构造子载波干扰抑制矩阵：
Figure BDA0002975641180000037
其中diag(·)表示对角矩阵。
S63、利用子载波干扰抑制矩阵P，对
Figure BDA0002975641180000041
进行如下处理：
Figure BDA0002975641180000042
其中
Figure BDA0002975641180000043
为接收信号y(i)的最后Ng个采样点；
S64、接收端将子载波干扰补偿后的信号
Figure BDA0002975641180000044
同接收到的时域信号y(i)的前Ng个值相加，得到补偿后的时域接收信号：
Figure BDA0002975641180000045
S7、接着接收端将y′N(i)经过傅里叶变换矩阵变换到频域，并根据每个子载波上的调制方式进行相应的解调和解码。
作为优选，所述步骤S4中
Figure BDA0002975641180000046
和hin采用压缩感知信道估计算法获得。
本发明的有益效果：本发明针对传播环境中存在智能反射表面的ZP-OFDM系统，当其智能反射表面配置的每个单元的反射系数变化时，系统产生子载波间干扰；
本发明基于配置前后参数的不同，通过构建子载波间干扰抑制矩阵，抑制由于反射系数变化所等效的时变信道对系统性能的影响，从而获得较好的系统误码率和吞吐量性能。
本发明的特征及优点将通过实施例进行详细说明。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
首先，在ZP-OFDM系统中，发送端发送频域OFDM符号X，经离散傅立叶反变换(IFFT)后的时域信号x，即
x(i)＝FHX(i)
其中，X(i)＝[Xi,0,Xi,1,…Xi,N-1]T，Xi,j为OFDM第i个符号中第j个子载波上的发送符号，N为子载波个数，x(i)是与OFDM符号X(i)相对应的时域信号，F＝{fn,k}N×N为傅里叶变换矩阵，其中
Figure BDA0002975641180000051
接着，在时域信号x(i)后加入Ng个零，构成ZP-OFDM时域发送信号s(i),即
Figure BDA0002975641180000052
其中，IN×N为N×N的单位矩阵。
本发明仅考虑传播环境中有一个智能反射表面的情况，此时发送信号通过带有智能反射表面系统的无线信道进行传输，时域接收信号y(i)可表示为：
y(i)＝HTzpx(i)+HISITzpx(i-1)+n(i)
其中，
Figure BDA0002975641180000053
为(N+Ng)×1复高斯白噪声矢量。由于在时域信号x后加入Ng个零，则HISITzp＝0，H0＝HTzp且可以表示为：
Figure BDA0002975641180000054
其中hLOS和hRIS分别为发送-接收端等效信道参数和发送端-智能反射表面-接收端等效信道参数，L为hLOS和hRIS之间的相对时间延迟。
接收端将接收到的时域信号y(i)最后Ng个值同y(i)的前Ng个值相加，则有：
Figure BDA0002975641180000055
其中Hu为N×N矩阵，其为矩阵H0的前N行；Hl为Ng×N矩阵，其为矩阵H0的后Ng行；
Figure BDA0002975641180000056
接着接收端将yN(i)经过傅里叶变换矩阵变换到频域，并根据每个子载波上的调制方式进行相应的解调和解码。
考虑到智能反射表面系数切换时间而导致的等效信道表现出时变特性，此时将会对接收到的ZP-OFDM信号产生子载波间干扰。
我们通过如下方法进行数学建模。首先hRIS可表示为：
Figure BDA0002975641180000061
其中hin＝[h0,in … hM-1,in]为M×1矢量，M为智能反射表面反射单元个数，hi,in表示发送-智能反射表面第i个反射单元的等效信道系数；href＝[h0,ref … hM-1,ref]为M×1矢量，hi,ref表示智能反射表面第i个反射单元-接收端的等效信道系数；
Figure BDA0002975641180000062
为智能反射表面第i个反射单元的反射复系数，βi为其模值，θi为其相角。
当智能反射表面系数切换时，定义系数切换时长为d，智能反射表面的反射系数由
Figure BDA0002975641180000063
切换为
Figure BDA0002975641180000064
则相应的等效信道系数由hRIS切换为h′RIS。定义
Figure BDA0002975641180000065
Figure BDA0002975641180000066
该系数可以通过给智能反射表面各个单元配置的反射系数前后的
Figure BDA0002975641180000067
和
Figure BDA0002975641180000068
即：
Figure BDA0002975641180000069
Figure BDA00029756411800000610
其中
Figure BDA0002975641180000071
和hin都可以通过相应的信道估计算法获得，如压缩感知信道估计算法等。
不失一般性，我们采用线性内插的方式对智能反射表面系数切换时长d内的时变特性进行建模，即：
Figure BDA0002975641180000072
Figure BDA0002975641180000073
其中0≤k≤d为采样索引值。因此，当我们设置以接收端定时为时间基准进行智能反射表面系数切换时，使得智能反射表面开始系数切换的时间点为其相应反射信号到达接收端的第N个符号开始使能。则此时的信道矩阵H0可以表示为：
Figure BDA0002975641180000074
则同没有系数切换的无子载波间干扰的情况相比，区别主要在Hl部分。本发明为了抑制/抵消由于智能反射表面系数切换时长所致等效信道时变而引起的子载波间干扰，对接收到的y(i)做如下处理：
y(i)的后Ng个采用信号可以表示为：
Figure BDA0002975641180000075
接着我们构造子载波干扰抑制矩阵：
Figure BDA0002975641180000076
其中diag(·)表示对角矩阵。
利用子载波干扰抑制矩阵P，我们对
Figure BDA0002975641180000081
进行如下处理：
Figure BDA0002975641180000082
最终子载波干扰抑制后的信号可以表示为：
Figure BDA0002975641180000083
接着接收端将y′N(i)经过傅里叶变换矩阵变换到频域，并根据每个子载波上的调制方式进行相应的解调和解码。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种智能反射表面系统中干扰抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在ZP-OFDM系统中，发送端发送频域OFDM符号
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，经离散傅立叶反变换后的时域信号为
Figure 108138DEST_PATH_IMAGE002
；
S2、在时域信号
Figure 401716DEST_PATH_IMAGE002
后加入
Figure DEST_PATH_IMAGE003
个零，构成ZP-OFDM时域发送信号
Figure 645616DEST_PATH_IMAGE004
，即
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 632027DEST_PATH_IMAGE006
为
Figure DEST_PATH_IMAGE007
的单位矩阵，
Figure 859746DEST_PATH_IMAGE008
为OFDM符号子载波数；
S3、将发送端-智能反射表面-接收端等效信道参数
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示为：
Figure 724059DEST_PATH_IMAGE010
，
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为
Figure 556885DEST_PATH_IMAGE012
矢量，M为智能反射表面反射单元个数，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示发送-智能反射表面第i个反射单元的等效信道系数；
Figure 979777DEST_PATH_IMAGE014
为
Figure 898054DEST_PATH_IMAGE012
矢量，
Figure 799014DEST_PATH_IMAGE015
表示智能反射表面第i个反射单元-接收端的等效信道系数；
Figure 955189DEST_PATH_IMAGE016
为智能反射表面第i个反射单元的反射复系数，
Figure 17823DEST_PATH_IMAGE017
为其模值，
Figure 492290DEST_PATH_IMAGE018
为其相角；
S4、当智能反射表面系数切换时，定义系数切换时长为
Figure 196940DEST_PATH_IMAGE019
，智能反射表面的反射系数由
Figure 738780DEST_PATH_IMAGE020
切换为
Figure 972315DEST_PATH_IMAGE021
，则相应的等效信道系数由
Figure 599606DEST_PATH_IMAGE022
切换为
Figure 576789DEST_PATH_IMAGE023
，定义
Figure 238715DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 908730DEST_PATH_IMAGE025
，在接收端，计算给智能反射表面各个单元配置的反射系数前后的等效
Figure 757738DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 40077DEST_PATH_IMAGE027
，即：
Figure 290929DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 131847DEST_PATH_IMAGE029
，
其中
Figure 999308DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 318294DEST_PATH_IMAGE031
都可通过相应的信道估计算法获得；
S5、采用线性内插的方式对智能反射表面系数切换时长
Figure 423654DEST_PATH_IMAGE032
内的时变特性进行建模，即：
Figure 435472DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 993492DEST_PATH_IMAGE034
；
其中
Figure 381748DEST_PATH_IMAGE035
为采样索引值；
S6、对接收到的时域接收信号
Figure 341614DEST_PATH_IMAGE036
做处理：
S61、
Figure 22869DEST_PATH_IMAGE036
的后
Figure 333764DEST_PATH_IMAGE037
个采用信号表示为：
Figure 260132DEST_PATH_IMAGE038
，其中
Figure 340084DEST_PATH_IMAGE039
为
Figure 959284DEST_PATH_IMAGE040
矩阵，其为矩阵
Figure 757475DEST_PATH_IMAGE041
的前N行,
Figure 221955DEST_PATH_IMAGE042
为后
Figure 156413DEST_PATH_IMAGE037
个信号噪声采样；
S62、构造子载波干扰抑制矩阵：
Figure 680935DEST_PATH_IMAGE043
其中
Figure 966423DEST_PATH_IMAGE044
表示对角矩阵；
S63、利用子载波干扰抑制矩阵
Figure 736058DEST_PATH_IMAGE045
，对
Figure 525022DEST_PATH_IMAGE046
进行如下处理：
Figure 486025DEST_PATH_IMAGE047
，其中
Figure 727651DEST_PATH_IMAGE048
为接收信号
Figure 65091DEST_PATH_IMAGE049
的最后
Figure 974141DEST_PATH_IMAGE037
个采样点；
S64、接收端将子载波干扰补偿后的信号
Figure 840466DEST_PATH_IMAGE050
同接收到的时域信号
Figure 100546DEST_PATH_IMAGE051
的前
Figure 444940DEST_PATH_IMAGE037
个值相加，得到补偿后的时域接收信号：
Figure 972611DEST_PATH_IMAGE052
，
其中
Figure 9837DEST_PATH_IMAGE053
为
Figure 757213DEST_PATH_IMAGE054
矩阵，其为矩阵
Figure 905298DEST_PATH_IMAGE055
的后
Figure 788940DEST_PATH_IMAGE056
行,
Figure 262647DEST_PATH_IMAGE057
为子载波干扰补偿后的信号噪声采样；
S7、接着接收端将
Figure 231740DEST_PATH_IMAGE050
经过傅里叶变换矩阵变换到频域，并根据每个子载波上的调制方式进行相应的解调和解码。
2.如权利要求1所述的一种智能反射表面系统中干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤S4中
Figure 183515DEST_PATH_IMAGE058
和
Figure 921664DEST_PATH_IMAGE059
采用压缩感知信道估计算法获得。
3.如权利要求1所述的一种智能反射表面系统中干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤S61的矩阵
Figure 802158DEST_PATH_IMAGE060
如下：
Figure 258547DEST_PATH_IMAGE061
其中
Figure 14013DEST_PATH_IMAGE062
和
Figure 403406DEST_PATH_IMAGE063
分别为发送-接收端等效信道参数和发送端-智能反射表面-接收端等效信道参数，
Figure 953336DEST_PATH_IMAGE064
为
Figure 897022DEST_PATH_IMAGE062
和
Figure 190600DEST_PATH_IMAGE063
之间的相对时间延迟。
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高速移动环境下基于正交角域子空间投影的时频同步算法研究;曾嵘等;《电子学报》;20131015(第10期);全文 *

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