CN113726392B - 一种基于毫米波mimo系统上行链路的波束赋形设计方法 - Google Patents

一种基于毫米波mimo系统上行链路的波束赋形设计方法 Download PDF

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    • H04B7/086—Weighted combining using weights depending on external parameters, e.g. direction of arrival [DOA], predetermined weights or beamforming

Abstract

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。

Description

一种基于毫米波MIMO系统上行链路的波束赋形设计方法
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
Figure DEST_PATH_IMAGE001
根天线，可重构超表面有
Figure 329435DEST_PATH_IMAGE002
个反射单元，可重构超表面辅助基站为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
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
Figure 823870DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤S3：对可重构超表面的
Figure 278248DEST_PATH_IMAGE002
个反射单元的相位做循环；
步骤S4：计算等效信道容量
Figure DEST_PATH_IMAGE005
对每个可重构超表面反射单元相位的偏导数
Figure 199936DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
表示第
Figure 434871DEST_PATH_IMAGE008
个反射单元的相位，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
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：
Figure 998576DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
是单位 阵；
Figure 635356DEST_PATH_IMAGE012
表示用户到基站的信道；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示可重构超表面到基站的信道；
Figure 993525DEST_PATH_IMAGE014
表示可重构超表面反射单元相移矩阵；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示用户到可重 构超表面的信道；
步骤402：计算等效信道容量对可重构超表面所有反射单元相位的偏导数：
Figure 715756DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
表示等效信道容量对第
Figure 692939DEST_PATH_IMAGE018
个可重构超表面反射单元相位的偏导数， 表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
其中，
Figure 682761DEST_PATH_IMAGE020
，且：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
。
优选的，步骤S5中根据计算的偏导数值更新可重构超表面反射单元的相位值，其具体步骤为：
根据初始相位，迭代步长以及迭代方向得到下一个迭代点的值：
Figure 459435DEST_PATH_IMAGE022
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
表示迭代次数，
Figure 167497DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
表示最大迭代次数；当
Figure 902366DEST_PATH_IMAGE026
时，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
表示初始相位；
Figure 153219DEST_PATH_IMAGE028
表示迭代步长；
Figure DEST_PATH_IMAGE029
表示迭代方向；
Figure 89076DEST_PATH_IMAGE030
表示下一迭 代点相位的值；
优选的，步骤S7中计算系统频谱效率的具体步骤为：
步骤701：根据步骤S4中计算等效信道容量公式，计算当前可重构超表面的等效信道容量；
步骤702：计算第
Figure DEST_PATH_IMAGE031
个用户的信干噪比为：
Figure 644954DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
；
Figure 822994DEST_PATH_IMAGE034
为Euclidean范数；
Figure DEST_PATH_IMAGE035
表示噪声协方差矩阵，且
Figure 928353DEST_PATH_IMAGE035
为单 位阵；
Figure 972795DEST_PATH_IMAGE036
表示第
Figure DEST_PATH_IMAGE037
个用户到基站的直达径；
Figure 389870DEST_PATH_IMAGE038
表示第
Figure 309284DEST_PATH_IMAGE031
个用户到可重 构超表面的信道；
步骤703：计算系统的频谱效率：
Figure DEST_PATH_IMAGE039
优选的，步骤S8中的收敛条件为：当系统的频谱效率最大时所对应的可重构超表面反射单元的相移矩阵即为所要求的最佳的反射单元相移矩阵。
有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的基于毫米波MIMO系统上行链路的波束赋形设计方法，具有如下优点：
（1）覆盖范围广，本发明所提出方案可以有效扩大系统覆盖范围，提升小区边缘用户通信性能；
（2）频谱效率高，本发明所提出方案能有效提高系统的频谱效率；
（3）复杂度较低，本发明所提出的方案复杂度低、收敛速度快。
附图说明
图1为本发明实施例的实施流程图；
图2为本发明中可重构超表面辅助毫米波大规模MIMO系统上行链路的发射端接收端框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，一种基于毫米波MIMO系统上行链路的波束赋形设计方法，设小区内用 户数目为
Figure 629669DEST_PATH_IMAGE040
，每个用户仅配备1根收发天线，基站侧配置
Figure 202602DEST_PATH_IMAGE001
根接收天线，可重构超表面反射 单元个数为
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，系统模型图如图2，从图2中可以看出，基站接收到的信号一部分是从用户直 接到基站，另一部分是从用户到可重构超表面再到基站。基站接收到的信号可以表示为：
Figure 874017DEST_PATH_IMAGE042
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
表示用户发送信号的功率；
Figure 393860DEST_PATH_IMAGE044
是用户
Figure DEST_PATH_IMAGE045
到基站的等效信 道；
Figure 709697DEST_PATH_IMAGE046
表示可重构超表面到基站的信道；
Figure DEST_PATH_IMAGE047
表示可重构超表 面的反射单元相移矩阵，
Figure 922373DEST_PATH_IMAGE048
，
Figure DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure 803786DEST_PATH_IMAGE050
表示反射相位且
Figure DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 720795DEST_PATH_IMAGE052
表 示反射信号的幅值且
Figure DEST_PATH_IMAGE053
，假设信号在反射过程中没有衰减，所以
Figure 15773DEST_PATH_IMAGE054
；
Figure DEST_PATH_IMAGE055
表示用户到基站之间的直达径；
Figure 399349DEST_PATH_IMAGE056
表示第
Figure DEST_PATH_IMAGE057
个用户发送的信号，均值为0，方 差为1，
Figure 779777DEST_PATH_IMAGE058
；
Figure DEST_PATH_IMAGE059
是信道中的加性高斯白噪声，
Figure 782368DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 790907DEST_PATH_IMAGE062
服从零均值，协方差矩阵为
Figure DEST_PATH_IMAGE063
的循环对称复高斯分布。
具体包含以下8个步骤：
第一步、在大规模MIMO系统的上行链路中，基站配置
Figure 971484DEST_PATH_IMAGE064
根天线，可重构超表面有
Figure 9847DEST_PATH_IMAGE041
个反射单元，可重构超表面辅助基站为
Figure DEST_PATH_IMAGE065
个单天线用户提供服务。
第二步、初始化可重构超表面反射单元相位
Figure 832440DEST_PATH_IMAGE066
。
第三步、对可重构超表面的
Figure 102010DEST_PATH_IMAGE041
个反射单元的相位做循环。
第四步、计算等效信道容量
Figure DEST_PATH_IMAGE067
对每个可重构超表面反射单元相位的偏导数
Figure 843701DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 538336DEST_PATH_IMAGE007
表示第
Figure 384195DEST_PATH_IMAGE008
个反射单元的相位，
Figure 632904DEST_PATH_IMAGE068
表示偏导数符号；具体步骤为：
步骤401：计算等效信道容量：
Figure DEST_PATH_IMAGE069
其中，
Figure 827388DEST_PATH_IMAGE070
是单位阵；
Figure DEST_PATH_IMAGE071
表示用户到基站的信道；
Figure 669704DEST_PATH_IMAGE072
表示 可重构超表面到基站的信道；
Figure 614526DEST_PATH_IMAGE073
表示可重构超表面反射单元相移矩 阵；
Figure DEST_PATH_IMAGE074
表示用户到可重构超表面的信道；
步骤402：计算等效信道容量对可重构超表面所有反射单元相位的偏导数：
Figure 91644DEST_PATH_IMAGE075
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE076
表示等效信道容量对第
Figure 660291DEST_PATH_IMAGE018
个可重构超表面反射单元相位的偏导数， 表示为：
Figure 160542DEST_PATH_IMAGE077
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE078
，且：
Figure 472837DEST_PATH_IMAGE079
。
第五步、根据第四步计算所得偏导数，更新反射单元的相位值，具体步骤为：
根据初始相位，迭代步长以及迭代方向得到下一个迭代点的值：
Figure 742145DEST_PATH_IMAGE080
其中，
Figure 917911DEST_PATH_IMAGE023
表示迭代次数，
Figure 905459DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure DEST_PATH_IMAGE081
表示最大迭代次数；当
Figure 9726DEST_PATH_IMAGE026
时，
Figure 602381DEST_PATH_IMAGE027
表示初始相位；
Figure 214628DEST_PATH_IMAGE028
表示迭代步长；
Figure 190936DEST_PATH_IMAGE082
表示迭代方向；
Figure 15673DEST_PATH_IMAGE030
表示下一迭 代点相位的值；
第六步、根据步骤五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，具体步骤为：
根据第五步计算的相位，得到
Figure DEST_PATH_IMAGE083
；
第七步、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，具体步骤为：
步骤701：根据步骤四中计算等效信道容量公式，计算当前可重构超表面的等效信道容量；
步骤702：计算第
Figure 321889DEST_PATH_IMAGE031
个用户的信干噪比为：
Figure 340923DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure 568642DEST_PATH_IMAGE033
；
Figure 197070DEST_PATH_IMAGE034
为Euclidean范数；
Figure 295476DEST_PATH_IMAGE035
表示噪声协方差矩阵，且
Figure 485411DEST_PATH_IMAGE035
为单 位阵；
Figure 200426DEST_PATH_IMAGE036
表示第
Figure 366965DEST_PATH_IMAGE037
个用户到基站的直达径；
Figure 585457DEST_PATH_IMAGE084
表示第
Figure 680714DEST_PATH_IMAGE031
个用户到可重 构超表面的信道；
步骤703：计算系统的频谱效率：
Figure DEST_PATH_IMAGE085
。
第八步、重复步骤三、四、五、六、七，直至收敛，具体步骤为：
当系统的频谱效率最大时所对应的可重构超表面反射单元的相移矩阵即为所要求的最佳的反射单元相移矩阵。
表1为本发明实施例的收敛性能结果表。仿真参数中，路径损耗指数为2.8，载波频 率为
Figure 414184DEST_PATH_IMAGE086
，天线间距为
Figure DEST_PATH_IMAGE087
，DOA（离开角）在
Figure 213775DEST_PATH_IMAGE088
上服从均匀分布，AOA（到达角）在
Figure 286773DEST_PATH_IMAGE088
上服从均匀分布。
第一种情况可重构超表面反射单元数目
Figure DEST_PATH_IMAGE089
，随着迭代次数的增加，系统的频 谱效率提升1.6
Figure 644942DEST_PATH_IMAGE090
，迭代2次后逐渐收敛。
第二种情况可重构超表面反射单元数目
Figure DEST_PATH_IMAGE091
，随着迭代次数的增加，系统的频 谱效率提升3.7
Figure 367173DEST_PATH_IMAGE092
，迭代2次后逐渐收敛。
第三种情况可重构超表面反射单元数目，随着迭代次数的增加，系统的频谱效率 提升6.9
Figure 875514DEST_PATH_IMAGE092
，迭代3次后逐渐收敛。
表1 收敛性能结果表
Figure DEST_PATH_IMAGE093
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种基于毫米波MIMO系统上行链路的波束赋形设计方法，其特征在于，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
Figure 712246DEST_PATH_IMAGE001
根天线，可重构超表面有
Figure 522331DEST_PATH_IMAGE002
个反射单元，可重构超表面辅助基站为
Figure 239751DEST_PATH_IMAGE003
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
Figure 775906DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤S3：对可重构超表面的
Figure 527961DEST_PATH_IMAGE002
个反射单元的相位做循环；
步骤S4：计算等效信道容量
Figure 288107DEST_PATH_IMAGE005
对每个可重构超表面反射单元相位的偏导数
Figure 492823DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 222882DEST_PATH_IMAGE007
表示第
Figure 95023DEST_PATH_IMAGE008
个反射单元的相位，
Figure 760491DEST_PATH_IMAGE009
表示偏导数符号；
计算偏导数的具体步骤为：
步骤401：计算等效信道容量：
Figure 921345DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure 596040DEST_PATH_IMAGE011
是单位阵；
Figure 322687DEST_PATH_IMAGE012
表示用户到基站的信道；
Figure 18111DEST_PATH_IMAGE013
表示可重构超表面到基站的信道；
Figure 462998DEST_PATH_IMAGE014
表示可重构超表面反射单元相移矩阵；
Figure 879067DEST_PATH_IMAGE015
表示用户到可重构超表面的信道；
步骤402：计算等效信道容量对可重构超表面所有反射单元相位的偏导数：
Figure 53697DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 592126DEST_PATH_IMAGE017
表示等效信道容量对第
Figure 461993DEST_PATH_IMAGE018
个可重构超表面反射单元相位的偏导数，表示为：
Figure 71965DEST_PATH_IMAGE019
其中，
Figure 501767DEST_PATH_IMAGE020
，且：
Figure 476676DEST_PATH_IMAGE021
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；
根据计算的偏导数值更新可重构超表面反射单元的相位值，其具体步骤为：
根据初始相位，迭代步长以及迭代方向得到下一个迭代点的值：
Figure 833839DEST_PATH_IMAGE022
其中，
Figure 981924DEST_PATH_IMAGE023
表示迭代次数，
Figure 740932DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 886743DEST_PATH_IMAGE025
表示最大迭代次数；当
Figure 855836DEST_PATH_IMAGE026
时，
Figure 417398DEST_PATH_IMAGE027
表示初始相位；
Figure 93230DEST_PATH_IMAGE028
表示迭代步长；
Figure 737838DEST_PATH_IMAGE029
表示迭代方向；
Figure 804014DEST_PATH_IMAGE030
表示下一迭代点相位的值；
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；
收敛条件为：当系统的频谱效率最大时所对应的可重构超表面反射单元的相移矩阵即为所要求的最佳的反射单元相移矩阵。
2.如权利要求1所述的一种基于毫米波MIMO系统上行链路的波束赋形设计方法，其特征在于：所述步骤S7中计算系统频谱效率的具体步骤为：
步骤701：根据步骤S4中计算等效信道容量公式，计算当前可重构超表面的等效信道容量
Figure 231585DEST_PATH_IMAGE031
；
步骤702：计算第
Figure 558661DEST_PATH_IMAGE032
个用户的信干噪比为：
Figure 46274DEST_PATH_IMAGE033
其中，
Figure 865325DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure 158903DEST_PATH_IMAGE035
为Euclidean范数；
Figure 747011DEST_PATH_IMAGE036
表示噪声协方差矩阵，且
Figure 139946DEST_PATH_IMAGE036
为单位阵；
Figure 305348DEST_PATH_IMAGE037
表示第
Figure 277983DEST_PATH_IMAGE032
个用户到基站的直达径；
Figure 782914DEST_PATH_IMAGE038
表示第
Figure 674646DEST_PATH_IMAGE032
个用户到可重构超表面的信道，p表示每个用户的发送功率；
步骤703：计算系统的频谱效率：
Figure 202711DEST_PATH_IMAGE039
。
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